TY - JOUR
A1 - Kreft, Jürgen
A1 - Berger, Harald
A1 - Härtlein, Michael
A1 - Müller, Bodo
A1 - Weidinger, Gerhard
A1 - Goebel, Werner
T1 - Cloning and expression in Escherichia coli and Bacillus subtilis of the hemolysin (cereolysin) determinant from Bacillus cereus
N2 - From a cosmid gene bank of Bacillus cereus GP4 in Escherichia coli we isolated clones which, after several days of incubation, formed hemolysis zones on erythrocyte agar plates. These clones contained recombinant cosmids with B. cereus DNA insertions of varying lengths which shared some common restriction fragments. The smallest insertionwas recloned as aPstl fragment into pJKK3-1, a shuttle vector which repücates in Bacillus subtilis and E. coli. When this recombinant plasmid (pJKK3-1 hly-1) was transformed into E. coli, it caused hemolysis on erythrocyte agar plates, but in liquid assays no extemal or intemal hemolytic activity could be detected with the E. coli transformants. B. subtilis carrying the same plasmid exhibited hemolytic activity at Ievels comparable to those ofthe B. cereus donor strain. The hemolysin produced in B. subtilis seemed to be indistinguishable from cereolysin in its sensitivity to cholesterol, activation by dithiothreitol, and inactivation by antibodies raised against cereolysin. When the recombinant DNA carrying the cereolysin gene was used as a probe in hybridization experiments with chromosomal DNA from a streptolysin 0-producing strain of Streptococcus pyogenes or from üsteriolysin-producing strains of Usteria monoeytogenes, no positive hybridization signals were obtained. These data soggest that the genes for these three SH-activated cytolysins do not have extended sequence homology.
KW - Biologie
Y1 - 1983
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-60596
ER -
TY - JOUR
A1 - Gessler, Manfred
A1 - Hameister, H.
A1 - Henry, I.
A1 - Junien, C.
A1 - Braun, T.
A1 - Arnold, H. H.
T1 - The human MyoD1 (MYF3) gene maps on the short arm of chromosome 11 but is not associated with the WAGR locus or the region for the Beckwith-Wiedemann syndrome
N2 - The human gene encoding the myogenic determination factor myf3 (mouse MyoD1) has been mapped to the short arm of chromosome 11. Analysis of several somatic cell hybrids containing various derivatives with deletions or translocations revealed that the human MyoD (MYF3) gene is not associated with the WAGR locus at chromosomal band 11pl3 nor with the loss of the heterozygosity region at 11p15.5 related to the Beckwith-Wiedemann syndrome. Subregional mapping by in situ hybridization with an myf3 specific probe shows that the gene resides at the chromosomal band llp14, possibly at llp14.3.
KW - Biochemie
Y1 - 1990
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-59221
ER -
TY - JOUR
A1 - van Heyningen, V.
A1 - Bickmore, W. A.
A1 - Seawright, A.
A1 - Fletcher, J. M.
A1 - Maule, J.
A1 - Fekete, G.
A1 - Gessler, Manfred
A1 - Bruns, G. A.
A1 - Huerre-Jeanpierre, C.
A1 - Junien, C.
T1 - Role for the Wilms tumor gene in genital development?
N2 - No abstract available
KW - Biochemie
Y1 - 1990
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-59238
ER -
TY - JOUR
A1 - Gessler, Manfred
A1 - Bruns, G. A. P.
T1 - A physical map around the WAGR complex on the short arm of chromosome 11
N2 - A long-range restriction map of part of the short arm of ehromosome 11 including the WAGR region has been constructed using pulsed-field gel electrophoresis and a number of infrequently cutting restriction enzymes. A total of 15.4 Mbp has been mapped in detall, extending from proximal 11p14 to the distal part of 11p12. The map localizes 35 different DNA probes and reveals at least nine areas with features eharaeteristle of BTF islands, some of which may be candidates for the different loci underlying the phenotype of the WAGR syndrome. This map will furthermore allow screening of DNA from individuals with WAGR-related phenotypes and from Wilms tumors for associated chromosomal rearrangements.
KW - Biochemie
Y1 - 1989
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-59246
ER -
TY - JOUR
A1 - Gessler, Manfred
A1 - Thomas, G. H.
A1 - Couillin, P.
A1 - Junien, C.
A1 - McGillivray, B. C.
A1 - Hayden, M.
A1 - Jaschek, G.
A1 - Bruns, G. A.
T1 - A deletion map of the WAGR region on chromosome II
N2 - The WAGR (Wilms tumor, aniridia, genitourinary anomalies, and mental retardation) region has been assigned to chromosome 11p13 on the basis of overlapping constitutional deletions found in affected individuals. We have utilized 31 DNA probes which map to the WAGR deletion region, together with six reference loci and 13 WAGR-related deletions, to subdivide this area into 16 intervals. Specific intervals have been correlated with phenotypic features, leading to the identification of individual subregions for the aniridia and Wilms tumor loci. Delineation, by specific probes, of multiple intervals above and below the critical region and of five intervals within the overlap area provides a framework map for molecular characterization of WAGR gene loci and of deletion boundary regions.
KW - Biochemie
Y1 - 1989
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-59255
ER -
TY - JOUR
A1 - Kreft, Jürgen
A1 - Funke, Dorothee
A1 - Haas, Albert
A1 - Lottspeich, Friedrich
A1 - Goebel, Werner
T1 - Production, purification and characterization of hemolysins from Listeria ivanovii and Listeria monocytogenes Sv4b.
N2 - In culture supematants of both Listeria ivanovii and Listeria monocytogenes Sv4b, for the first time a hemolysin of molecular weight 58 kDa was identified, which had all the characteristics of an SH-activated cytolysin, and which was therefore identified as Iisteriolysin 0 (LLO). In the case of L. ivanovii a second major supematant protein of molecular weight 24 kDa co-purified with LLO. However, the function of this protein has to be determined. In culture supematants of L. ivanovii a sphingomyelinase and a Iecithinase activity could be detected, both enzymatic activities together contributing to the pronounced hemolysis caused by L. ivanovii. The N-tenninal amino acid sequences of LLO and the 24 kDa from L. ivanovii are shown.
KW - Biologie
KW - Hemolysin
KW - Listeria
Y1 - 1989
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-60545
ER -
TY - JOUR
A1 - Goebel, Werner
A1 - Chakraborty, T.
A1 - Kreft, Jürgen
T1 - Bacterial hemolysins as virulence factors
N2 - No abstract available
KW - Biologie
Y1 - 1988
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-60553
ER -
TY - JOUR
A1 - Goebel, Werner
A1 - Kathariou, S.
A1 - Kuhn, M.
A1 - Sokolovic, Z.
A1 - Kreft, Jürgen
A1 - Köhler, S.
A1 - Funke, D.
A1 - Chakraborty, T.
A1 - Leimeister-Wächter, M.
T1 - Hemolysin from Listeria-biochemistry, genetics and function in pathogenesis
N2 - No abstract available
KW - Biologie
Y1 - 1988
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-60563
ER -
TY - JOUR
A1 - Schülein, Ralf
A1 - Kreft, Jürgen
A1 - Gonski, Sigrid
A1 - Goebel, Werner
T1 - Preprosubtilisin Carlsberg processing and secretion is blocked after deletion of amino acids 97-101 in the mature part of the enzyme
N2 - During an investigation into the substrate specificity and processing of subtilisin Carlsberg from Bacillus licheniformis, two major independent findings were made: (i) as has been shown previously, a stretch of five amino acids (residues 97-101 of the mature enzyme) that loops out into the binding cleft is involved in substrate binding by subtilisin Carlsberg. In order to see whether this loop element also determines substrate specificity, the coding region for these five amino acids was deleted from the cloned gene for subtilisin Carlsberg by site-directed mutagenesis. Unexpectedly the resulting mutant preproenzyme (P42c, Mr=42 kDa) was not processed to the mature form (Mr = 30 kDa) and was not released into the medium by a proteasedeficient B. subtilis host strain; rather, it accumulated in the cell membrane. This result demonstrates that the integrity of this loop element, which is very distant from the processing cleavage sites in the preproenzyme, is required for secretion of subtilisin Carlsberg. (ii) In culture supernatants from B. subtilis harbouring the cloned wild-type subtilisin Carlsberg gene the transient appearance (at 0-3 h after onset of stationary phase) of a processing intermediate (P38c, Mr = 38 kDa) oftbis protease could be demonstrated. P38c very probably represents a genuine proform of subtilisin Carlsberg.
KW - Biologie
KW - Bacillus
KW - Proenzyme
KW - Subtilisin maturation
KW - Site-directed mutagenesis
KW - Subtilisin Carlsberg
Y1 - 1991
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-60577
ER -
TY - JOUR
A1 - Gilmore, Michael S.
A1 - Cruz-Rodz, Armando L.
A1 - Leimeister-Wächter, Michaela
A1 - Kreft, Jürgen
A1 - Goebel, Werner
T1 - A Bacillus cereus cytolytic determinant, cereolysin AB, which comprises the phospholipase C and sphingomyelinase genes: nucleotide sequence and genetic linkage
N2 - A cloned cytolytic determinant from the genome of Bacillus cereus GP-4 has been characterized at the molecular Ievel. Nucleotide sequence determination revealed the presence of two open reading frames. 8oth open reading frames were found by deletion and complementation analysis to be necessary for expression of the hemolytic phenotype by Bacillus subtilis and Escherichia coli hosts. The 5' open reading frame was found to be nearly identical to a recently reported phospholipase C gene derived from a mutant B. cereus strain which overexpresses the respective protein, and it conferred a lecithinase-positive phenotype to the B. subtilis host. The 3' open reading frame encoded a sphingomyelinase. The two tandemly encoded activities, phospholipase C and sphingomyelinase, constitute a biologically functional cytolytic determinant of B. cereus termed cereolysin AB.
KW - Biologie
Y1 - 1989
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-60588
ER -
TY - JOUR
A1 - Härtlein, Michael
A1 - Schiessl, Sigrid
A1 - Wagner, Wilma
A1 - Rdest, Ursula
A1 - Kreft, Jürgen
A1 - Goebel, Werner
T1 - Transport of hemolysin by Escherichia coli
N2 - No abstract available
KW - Biologie
KW - Hemolysin
KW - Escberichia coli
KW - Gene cloning
KW - Expression
KW - Transport
Y1 - 1983
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-60619
ER -
TY - JOUR
A1 - Goebel, Werner
A1 - Kreft, Jürgen
T1 - Accumulation of replicative intermediates and catenated forms of the colicinogenic factor E\(_1\) in E. coli during the replication at elevated temperatures
N2 - No abstract available
KW - Biologie
Y1 - 1972
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-60625
ER -
TY - JOUR
A1 - Poulat, F.
A1 - Morin, D.
A1 - Konig, A.
A1 - Brun, P.
A1 - Giltay, J.
A1 - Sultan, C.
A1 - Dumas, R.
A1 - Gessler, Manfred
A1 - Berta, P.
T1 - Distinct molecular origins for Denys-Drash and Frasier syndromes
N2 - The direct involvment of the Wilm's tumor suppressor gene (WTl) in Denys-Drash syndrome through mutations within exons 8 or 9 has recently been established. The absence of such alterations in three patients with Frasier syndrome provides a molecular basis for distinguishing these two syndromes that are associated with streak gonads, pseudohermaphroditism and renal failure.
KW - Biochemie
Y1 - 1993
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-59172
ER -
TY - JOUR
A1 - Gessler, Manfred
A1 - Grupe, Andrew
A1 - Grzeschik, Karl-Heinz
A1 - Pongs, Olaf
T1 - The potassium channel gene HK1 maps to human chromosome 11p14.1, close to the FSHB gene
N2 - Transiently activating (A-type) potassium (K) channels are important regulators of action potential and action potential firing frequencies. HK1 designates the firsthuman cDNA that is highly homologous to the rat RCK4 cDNA that codes for an A-type K-channel. The HK1 channel is expressed in heart. By somatic cell hybrid analysis, the HK1 gene has been assigned to human chromosome 11p13-pl4, the WAGR deletion region (Wilms tumor, aniridia, genito-urinary abnormalities and mental retardation). Subsequent pulsed field gel (PFG) analysis and comparison with the well-established PFG map of this region localized the gene to 11p14, 200-600 kb telomeric to the FSHB gene.
KW - Biochemie
Y1 - 1992
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-59184
ER -
TY - JOUR
A1 - Gessler, Manfred
A1 - König, A.
A1 - Bruns, G. A. P.
T1 - The genomic organization and expression of the WT1 gene
N2 - The Wilms tumor gene WTl, a proposed tumor suppressor gene, has been identifled based on its location within a homozygous deletion found in tumor tissue. The gene encodes a putative transcription factor containing a Cys/His zinc finger domain. The critical homozygous deletions, however, are rarely seen, suggesting that in many cases the gene may be inactivated by more subtle alterations. To facilitate the seareh for smaller deletions and point mutations we have established the genomic organization of the WTl gene and have determined the sequence of all 10 exons and flanking intron DNA. The pattern of alternative splicing in two regions has been characterized in detail. These results will form the basis for future studies of mutant alleles at this locus.
KW - Biochemie
Y1 - 1992
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-59195
ER -
TY - JOUR
A1 - Wolf, Markus
A1 - Klug, Jörg
A1 - Hackenberg, Reinhard
A1 - Gessler, Manfred
A1 - Grzeschik, Karl-Heinz
A1 - Beato, Miguel
A1 - Suske, Guntram
T1 - Human CC10, the homologue of rabbit uteroglobin: genomic cloning, chromosomal localization and expression in endometrial cell lines
N2 - No abstract available
KW - Biochemie
Y1 - 1992
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-59206
ER -
TY - JOUR
A1 - Vortkamp, A.
A1 - Thias, U.
A1 - Gessler, Manfred
A1 - Rosenkranz, W.
A1 - Kroisel, P. M.
A1 - Tommerup, N.
A1 - Kruger, G.
A1 - Gotz, J.
A1 - Pelz, L.
A1 - Grzeschik, Karl-Heinz
T1 - A somatic cell hybrid panel and DNA probes for physical mapping of human chromosome 7p
N2 - No abstract available
KW - Biochemie
Y1 - 1991
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-59217
ER -
TY - THES
A1 - Grohmann, Constanze
T1 - Termite mediated heterogeneity of soil and vegetation patternsin a semi‐arid savanna ecosystem in Namibia
T1 - Einfluss von Termiten auf Vegetations- und Bodenmuster eines semi-ariden Savannenökosystems in Namibia
N2 - Termites are the most important soil ecosystem engineers of semi‐arid and arid habitats. They enhance decomposition processes as well as the subsequent mineralisation of nutrients by bacteria and fungi. Through their construction of galleries, nests and mounds, they promote soil turnover and influence the distribution of nutrients and also alter texture and hydrological properties of soils, thereby affecting the heterogeneity of their ecosystem. The main aim of the present thesis was to define the impact of termites on ecosys‐tem functioning in a semi‐arid ecosystem. In a baseline study, I assessed the diversity of termite taxa in relation to the amount of precipitation, the vegetation patterns and the land use systems at several sites in Namibia. Subsequently, I focussed on a species that is highly abundant in many African savannas, the fungus growing and mound building species Macro‐termes michaelseni (Sjöstedt, 1914). I asked how this species influences the spatial hetero‐geneity of soil and vegetation patterns. From repeated samplings at 13 sites in Namibia, I obtained 17 termite taxa of 15 genera. While the type of land use seems to have a minor effect on the termite fauna, the mean annual precipitation explained 96% and the Simpson index of vascular plant diversity 81% of the variation in taxa diversity. The number of termite taxa increased with both of these explanation variables. In contrast to former studies on Macrotermes mounds in several regions of Africa that I reviewed, soil analyses from M. michaelseni mounds in the central Namibian savanna revealed that they contain much higher nitrogen contents when compared to their parent material. Further analyses revealed that nitrate forms a major component of the nitrogen content in termite mounds. As nitrate solves easily in water, evaporation processes are most probably responsible for the transport of solved nitrates to the mound surface and their accumulation there. The analysed mounds in central Namibia contained higher sand propor‐tions compared to the mounds of the former studies. Through the higher percentage of coarse and middle sized pores, water moves more easily in sandy soils compared to more clayey soils. In consequence, evaporation‐driven nitrate accumulation can occur in the studied mounds at high rates. Hochgerechnet auf den Gesamtumfang der Hügel bedeckte das pro Jahr von einem bewohnten Hügel erodierte Material theoretisch einen 1 m breiten Kreisring um den Schwemmkegel des Hügels 2,4 mm hoch. Der entsprechende Wert für unbewohnte Hügel betrug 1,0 mm. To assess the amount of soil that erodes from termite mounds, I fastened four strong, 65 cm wide plastic bags at 14 mounds each and collected the soil that eroded during five rainfall events. Projected to the total mound circumference, the amount of soil eroded covers theoretically a 1 m wide circular ring around the pediment of an inhabited mound up to a height of 2.4 mm per year. For uninhabited mounds, the height of this soil layer would be 1.0 mm. Per hectare, roughly 245 kg eroded per year from the mounds. However, as the erosion rate depends on several factors such as rainfall intensity, soil texture and point of time within the rainy season, this is only a vague estimate. In order to determine up to which distance the soil erosion from the mounds still influences the chemical characteristics of the adjacent topsoil, I took samples from depth of 0–10 cm at 1, 5 and 25 m distances, respectively, from four different mounds and from the mounds themselves. The non‐metric multidimensional scaling of the soil properties showed strong differences between mound and off‐mound samples. Soil characteristics within the samples from the mounds did not differ largely. Similarly, I found no strong differences between the samples taken from the different distances from the mound. From these results I conclude that through the construction of foraging galleries and sheetings (soil constructions with which some termite species cover their food items), the soil eroding from termite mounds is quickly mixed with deeper soil layers. In consequence, mound material does not accumulate in the mound’s vicinity. In order to reveal how plant growth is influenced by termite mound material, we assessed the number of grass and herb individuals as well as the biomass of plants growing in situ on the base of mounds compared to adjacent sites. While the numbers of both grass and herb individuals were significantly lower compared to adjacent sites, the total biomass of plants growing on the base of mounds was significantly higher. Reverse results were obtained by pot experiments with radish (Raphanus sativus subsp. sativus) and sorghum (Sorghum sp.) growth. Both species grew significantly weaker on mound soil compared to adjacent soil. The contradictory results concerning the biomass of in situ and pot experi‐ments are most probably caused by the disturbance of the original soil structure during the potting process. The material was subsequently compacted through watering the plants. In contrast, Macrotermes mounds are pervaded by many macropores which seem to be essential for the plant roots to penetrate the soil. In the last part of this thesis, I posed the question how mounds of M. michaelseni are distributed and what factors might be responsible for this pattern. Former studies showed that mound size is correlated with the size of its inhabiting colony. With several multi‐scale analyses, I revealed that larger inhabited mounds were regularly distributed. Additionally, mounds which were closer together tended to be smaller than on average. This indicates that intraspecific competition controls the distribution and size of colonies and their mounds. Former studies concerning Odontotermes mounds substantiated that they are local hotspots of primary productivity and animal abundance. Based on these findings, simulations revealed that a regular distribution of these mounds leads to a greater ecosystem‐wide productivity compared to a random arrangement. As in the present study, plant biomass was higher at the mounds compared to off‐mound sites, this might hold true for M. michaelseni mounds. From the results of this thesis, I draw the conclusion that through their mound building activities, M. michaelseni strongly influences the distribution patterns of soil nutrients within the central Namibian savanna. These termites create sharp contrasts in nutrient levels and vegetation patterns between mound soils and off‐mound soils and enhance the heterogeneity of their habitats. Former studies revealed that habitat hetero‐geneity is important in generating species diversity and species richness in turn is correlated positively with biomass production and positively affects ecosystem services. In conclusion, the present thesis underlines the importance of M. michaelseni for ecosystem functioning of the central Namibian savanna.
N2 - Termiten sind die bedeutendsten Ökosystem‐Ingenieure in den Böden arider und semi‐arider Gebiete. Sie beschleunigen Zersetzungsprozesse und damit auch die nachfolgende Mineralisation von Nährstoffen durch Bakterien und Pilze. Durch den Bau ihrer Galerien, Nester und Hügel fördern sie die Umwälzung des Bodens und beeinflussen die Nährstoffver‐teilung, die Textur sowie die hydrologischen Eigenschaften der Böden. Durch diese Prozesse erhöhen sie die Heterogenität in den von ihnen bewohnten Ökosystemen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich vorrangig mit dem Einfluss von Termiten auf Ökosystemfunktionen eines semi‐ariden Ökosystems. Als Grundlage dazu habe ich die Diver‐sität von Termitentaxa und ihre Abhängigkeit von Niederschlagsmenge, Vegetationsmustern und Landnutzungssystemen auf verschiedenen Untersuchungsflächen in Namibia bestimmt. In dem darauffolgenden Teil der Arbeit habe ich mich auf die pilzzüchtende und hügel bauende Art Macrotermes michaelseni (Sjöstedt, 1914) konzentriert, eine Art, die in vielen afrikanischen Savannen in hoher Abundanz vorkommt. Ich habe mich damit beschäftigt, wie diese Art die räumliche Heterogenität von Böden und Vegetationsmustern beeinflusst. Durch wiederholtes Sammeln an 13 verschiedenen Untersuchungsgebieten in Namibia konnte ich 17 Termitentaxa aus 15 Gattungen erfassen. Während die Landnutzung einen unwesentlichen Einfluss auf die Termitenfauna hatte, konnte die Variation in der Taxa‐diversität zu 96% durch den mittleren jährlichen Niederschlag erklärt werden und zu 81% durch den Simpson‐Diversitäts‐Index der Gefäßpflanzen. Die Anzahl der Termitentaxa nahm mit diesen beiden Variablen zu. Im Gegensatz zu vorherigen Studien an Macrotermes Hügeln in verschiedenen Regionen Afrikas, enthielten Bodenproben der untersuchten Hügel in der zentralen namibi‐schen Savanne viel höhere Stickstoffgehalte im Vergleich zum Ausgangsmaterial. Weitere Analysen ergaben, dass der hohe Stickstoffgehalt in dem Hügelmaterial vor allem auf Nitrat zurückzuführen ist. Da Nitrat leicht wasserlöslich ist, gelangt es wahrscheinlich durch von Evaporation angetriebene Wasserbewegungen an die Hügeloberfläche und reichert sich dort an. Die untersuchten Termitenhügel in Namibia enthielten zudem höhere Sandgehalte im Vergleich zu den Hügeln der von mir ausgewerteten vorherigen Studien. Durch den höheren Anteil von Grob‐ und Mittelporen kann sich Wasser in sandigen Böden schneller bewegen als in tonigen Böden. Dadurch bedingt können in den untersuchten Hügeln Evaporation und Nitratakkumulation in hohen Raten erfolgen. Um die Menge des von den Termitenhügeln erodierenden Materials zu ermitteln, habe ich jeweils vier stabile, 65 cm breite Plastikbeutel an 14 Hügeln befestigt und mit diesen das Bodenmaterial aufgesammelt, das während fünf Regenereignissen von den Hügeln abgeschwemmt wurde. Hochgerechnet auf den Gesamtumfang der Hügel bedeckte das pro Jahr von einem bewohnten Hügel erodierte Material theoretisch einen 1 m breiten Kreisring um den Schwemmkegel des Hügels 2,4 mm hoch. Der entsprechende Wert für unbewohnte Hügel betrug 1,0 mm. Projiziert auf eine Fläche von einen Hektar erodierten insgesamt etwa 245 kg Hügelmaterial pro Jahr. Dabei muss berücksichtigt werden, dass dies nur eine ganz grobe Schätzung ist, da die Erosionsrate von verschiedenen Faktoren wie der Regenintensität, der Körnung des Bodens und des Zeitpunkts innerhalb der Regensaison abhängt. Um zu erfassen, bis zu welcher Distanz der erodierte Boden die chemische Zusammensetzung des Umgebungsbodens beeinflusst, habe ich aus jeweils 0–10 cm Tiefe Proben in 1, 5 und 25 m Entfernung sowie als Kontrolle von den Hügeln selbst genommen. Mit Hilfe nichtmetrischer multidimensionaler Skalierung konnte ich zeigen, dass sich die Bodeneigenschaften des Hügelmaterials stark von denen des Umgebungsbodens unter‐schieden. Innerhalb der Hügelproben variierten die Bodeneigenschaften nur gering. Ebenso konnte ich zwischen den Proben, die aus den drei Entfernungen stammten, keine starken Unterschiede feststellen. Aus diesen Ergebnissen schlussfolgere ich, dass der von den Termitenhügeln erodierende Boden sich durch den Bau von unterirdischen Gängen und „sheetings“ (Konstruktionen aus Bodenmaterial, mit denen einige Termitenarten ihre Nahrungsstücke umziehen) schnell mit tieferen Bodenschichten mischt. Infolgedessen sammelt sich das Hügelmaterial nicht in der näheren Umgebung des Hügels an. Um herauszufinden, wie das Pflanzenwachstum durch Termitenhügelmaterial beein‐flusst wird, haben wir die Anzahl und Biomasse von Gräsern und Kräutern erhoben, die in situ an der Basis von Hügel wuchsen. Während die Individuenzahl der Gräser und die der Kräuter signifikant geringer waren, war die Gesamtbiomasse der Pflanzen, die an der Hügel‐basis wuchsen, signifikant höher im Vergleich zu benachbarten Flächen. Umgekehrte Ergeb‐nisse wurden durch Versuche erzielt, bei denen Radieschen (Raphanus sativus subsp. sativus) und Sorghum (Sorghum sp.) Pflanzen in Folientöpfen herangezogen wurden. Beide Arten wuchsen signifikant schlechter auf Hügelerde im Vergleich zu Umgebungsboden. Die widersprüchlichen Ergebnisse im Bezug auf die Biomasse der in situ‐ und Wachstums‐Experimente werden wahrscheinlich durch die Zerstörung der ursprünglichen Bodenstruktur während des Umfüllens der Erde in die Folientöpfe verursacht. Zudem verstärkte das Gießen der Pflanzen die Verdichtung des Materials. Im Gegensatz dazu sind Macrotermes Hügel von vielen Makroporen durchzogen, die für die Durchwurzelung der komprimierten Böden essentiell zu sein scheinen. Im letzten Teil der vorliegenden Arbeit befasse ich mich mit der Frage, wie M. michaelseni Bauten verteilt sind und welche Faktoren dafür verantwortlich sind. Frühere Stu‐dien haben gezeigt, dass die Hügelgröße mit der Größe der Kolonie korreliert ist, die den jeweiligen Hügel bewohnt. Mit verschiedenen Mehrskalenverfahren konnte ich darlegen, dass größere bewohnte Hügel regulär verteilt waren. Außerdem waren Hügel, die enger zusammen standen, kleiner als der Durchschnitt der Hügel. Dieses deutet darauf hin, dass intraspezifische Konkurrenz die Verteilung und Größe der Hügel und deren Kolonien regu‐liert. Frühere Studien an Odontotermes Hügeln haben gezeigt, dass diese lokale Zentren der Primärproduktion und der Abundanz von Tieren sind. Mit darauf basierenden Simulationen konnte nachgewiesen werden, dass eine reguläre Verteilung von Hügeln im Vergleich zu einer zufälligen Anordnung zu einer größeren Gesamtproduktivität des Ökosystems führt. Da in der vorliegenden Arbeit die Pflanzenbiomasse an den Hügeln höher war als an benachbar‐ten Stellen, könnte dieses auch für M. michaelseni Hügel zutreffen. Aus den Ergebnissen dieser Arbeit ziehe ich die Schlussfolgerung, dass M. michaelseni durch ihre Hügelbauaktivitäten die Verteilungsmuster von Bodennährstoffen in der zentra‐len namibischen Savanne stark beeinflusst. Die Termiten erzeugen deutliche Kontraste in Bezug auf Nährstoffgehalt und Vegetationsmuster zwischen Hügelboden und benachbarten Stellen und erhöhen so die Heterogenität ihrer Habitate. Von früheren Studien ist bekannt, dass Habitatheterogenität eine hohe Artendiversität erzeugt. Eine hohe Diversität wiederum ist mit der Biomasseproduktion positiv korreliert und hat einen positiven Einfluss auf Öko‐systemdienstleistungen. Schlussendlich unterstreicht die vorliegende Arbeit die Bedeutung von M. michaelseni für Ökosystemfunktionen in der Savanne Zentralnamibias.
KW - Termiten
KW - Namibia
KW - Vegetation
KW - Boden
KW - Termiten
KW - Bodeneigenschaften
KW - Bodenheterogenität
KW - termites
KW - soil heterogeneity
KW - Namibia
Y1 - 2010
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-54318
ER -
TY - THES
A1 - Fischer, Peter
T1 - Untersuchungen zum Einfluss der Anzahl primordialer Keimzellen auf die Geschlechtsbestimmung von Medaka, Oryzias latipes
T1 - Investigations on the influence of Primordial Germ Cell number on the sex determination of Medaka, Oryzias latipes
N2 - Die primordialen Keimzellen (PGCs) sind die einzigen Zellen des Embryos, die die genetische Information von einer Generation an die nächste weiter geben können. Es wurde gezeigt, dass in allen bislang untersuchten Knochenfischen die Anzahl der Urgeschlechtszellen während der Embryonalentwicklung der erste sichtbare Unterschied zwischen Männchen und Weibchen ist. Daraus ergibt sich die Frage, ob die Anzahl der primordialen Keimzellen das Geschlecht bestimmt, oder ob die somatischen Zellen je nach sexueller Identität die Urgeschlechtszellen zur Proliferation anregen. Um zu untersuchen, wie die Anzahl der
Urgeschlechtszellen mit der Geschlechtsdetermination zusammenhängt, habe ich in dieser Arbeit die Anzahl der Urgeschlechtszellen manipuliert und deren Schicksal im Verlauf der Embryonalentwicklung verfolgt. Weiterhin untersuchte ich, in wieweit die Temperatur einen Einfluss auf die Geschlechtsbestimmung hat und ob sie Auswirkungen auf die Anzahl
und die Wanderung der Urgeschlechtszellen hat beim Medaka hat.
Durch meine Experimente, in denen ich die Fische während der Embryonalentwicklung bei verschiedenen Temperaturen hielt, konnte ich zeigen, dass beim Medaka der genetische Geschlechtsbestimmungsmechanismus durch erhöhte Temperatur überschrieben werden kann. Die Temperaturerhöhung in der Embryonalentwicklung führt zu einer Weibchen‐zu‐Männchen
Geschlechtsumkehr. Dabei wird die Anzahl der primordialen Keimzellen im Vergleich zu den Kontrollen reduziert. Zudem wird durch die höhere Temperatur das autosomale dmrt1a viel früher angeschaltet, wa sauf einen alternativenSignalweg deutet, der die männliche Geschlechtsentwicklung in XX geschlechtsumgewandelten Tieren steuert.
N2 - Primordial Germ Cells (PGCs) are the only cells, which can transport genetic information from one generation to the next one. In all investigated teleost fish the different number of germ cells is the foist recognizable difference between mal and female. Therefore the question arises, if the number of germ cells is the sex determining mechanism, or if the somatic cells of the gonad stimulate the PGCs to proliferate.
To investigate the connection between germ cell number and sex determination in medaka, i manipulated the number of germ calls and followed their fate through embryonic development. Furthermore i investigated the influence of temperature on sex determination and behavior and number of germ cells.
I could show, that it is possible to ablate all PGCs by DND morpholino injection. While total absence of PGCs led to infertile male development with string like gonads, increasing the number of PGCs by bucky ball mRNA injection showed no influence on sexual development. Interestingly I observed that even when I increased the number early in embryonic development by more than two-fold, PGC number after some time went down to the untreated embryo level. This points to a non‐cell autonomous mechanism, which limits PGC number according to the somatic SD process.
KW - Geschlechtsbestimmung
KW - Gamet
KW - Sex determination
KW - Sexual development
KW - Japankärpfling
KW - Gonadenentwicklung
Y1 - 2014
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-106846
ER -
TY - THES
A1 - Zdzieblo, Daniela
T1 - Das Polycomb group Protein PCGF6 ist ein neuer und essentieller Faktor der iPS Reprogrammierung und kann in Kombination mit Oct4, Klf4 und c-Myc den Transkriptionsfaktor Sox2 ersetzen
T1 - The Polycomb group protein PCGF6
is a new and essential factor for iPS reprogramming
that can replace the transcription factor Sox2
in combination with Oct4, Klf4 and c-Myc
N2 - Embryonale Stammzellen (ESCs) sind durch zwei charakteristische Eigenschaften definiert. Neben einer kontinuierlichen Selbsterneuerungskapazität weisen ESCs die Fähigkeit auf, in alle Zelltypen der drei Keimblätter differenzieren zu können. Diese Eigenschaften werden unter anderem durch ein Netzwerk wichtiger Pluripotenzfaktoren als auch durch epigenetische Mechanismen reguliert, welche die Transkription von Pluripotenz- und Differenzierungsgenen kontrollieren.
In murinen ESCs sind an der Repression von Differenzierungsgenen auch Polycomb group (PcG) Proteine beteiligt. Diese Proteine bauen zwei Chromatin-modifizierende Komplexe auf, die als Polycomb repressive complex 1 bzw. 2 (PRC1 bzw. PRC2) bezeichnet werden. Nach dem klassischen Modell der Polycombfunktion, katalysieren PRC1 und PRC2 gemeinsam zwei charakteristische Histonmodifikationen, die zur Repression PRC-spezifischer Zielgene beitragen. Zahlreiche Studien in den letzten Jahren belegen, dass der Proteinaufbau der PRC1 Komplexe stark variieren kann, wobei die Familie der Polycomb group RING finger (Pcgf) Proteine eine wichtige Rolle spielt. In diesem Zusammenhang definieren einzelne Pcgf Paraloge (Pcgf1 – 6) verschiedene PRC1 Varianten (PRC1.1 – 1.6), die Komplex-spezifische Bindestellen im Genom aufweisen. Diese Erkenntnisse lassen auf unterschiedliche Mechanismen der PRC1 Varianten und Pcgf Paralog-spezifische Funktionen schließen, die zum jetzigen Zeitpunkt nur wenig erforscht sind.
Für manche Pcgf Paraloge sind wichtige Rollen in verschiedenen Stammzelltypen und während der iPS Reprogrammierung bekannt. Pcgf1 (Nspc1), Pcgf2 (Mel18) und Pcgf4 (Bmi1) zeigen eine Funktion in verschiedenen adulten Stammzellen. Pcgf4 spielt darüber hinaus eine wichtige Rolle in der murinen iPS Reprogrammierung. Für Pcgf6 (Mblr) wird eine Pluripotenz-assoziierte Funktion angenommen, denn Pcgf6 ist das einzige Pcgf Paralog, das eine erhöhte Expression in murinen ESCs aufweist, die jedoch im Verlauf der ESC-Differenzierung absinkt. Außerdem zeigen murine Pcgf6 KD ESCs eine verminderte Expression der Pluripotenzgene Oct4, Sox2 und Nanog, eine De-Repression mesodermaler und Testes-spezifischer Gene als auch eine erhöhte Tendenz zur hämatopoetischen Differenzierung. Wie genau Pcgf6 an der Regulation dieser Prozesse in murinen ESCs beteiligt ist, ist nicht bekannt.
In der hier vorliegenden Dissertation wurde die Funktion von Pcgf6 in der murinen iPS Reprogrammierung untersucht. Da bereits für Pcgf4 eine Rolle in der Reprogrammierung somatischer Zellen gezeigt wurde und Pcgf6 eine erhöhte Expression in ESCs aufweist, wurde auch für Pcgf6 eine Funktion in der iPS Reprogrammierung angenommen. Zunächst konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass Pcgf6 während der iPS Reprogrammierung verstärkt exprimiert wird und in iPS Zellen eine ESC-ähnliche Expression aufweist. Darüber hinaus konnte Pcgf6 in Kombination mit Oct4, Klf4 und c-Myc spezifisch den Transkriptionsfaktor Sox2 in der iPS Reprogrammierung ersetzen. Zudem wurden für OPKM-induzierte iPS Zellen charakteristische Eigenschaften pluripotenter Zellen nachgewiesen. Außerdem konnte eine Rolle von Pcgf6 als Enhancer-Faktor für die iPS Reprogrammierung ausgeschlossen werden, da die Überexpression von Pcgf6 zusammen mit den OSKM Faktoren keine additiven Effekte auf die Reprogrammierungseffizienz erzielte. Im Gegensatz dazu führte der Knockdown (KD) von Pcgf6 in embryonalen Mausfibroblasten (MEFs) zu verminderten Effizienzen nach OSKM Reprogrammierung. Darüber hinaus handelte es sich bei der Mehrheit der AP+ Kolonien, die unter Pcgf6 KD Konditionen entstanden, um partiell-reprogrammierte iPS Zellen.
Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse der hier vorliegenden Arbeit, dass Pcgf6 ein neuer und essentieller Faktor der iPS Reprogrammierung ist, der in Kombination mit Oct4, Klf4 und c-Myc spezifisch den Transkriptionsfaktor Sox2 ersetzen kann.
N2 - Embryonic stem cells (ESCs) are characterized by their ability for continuous self-renewal maintaining the undifferentiated cell state and their capacity to generate all differentiated cell types of the three germ layers. Regulators of these characteristics include a protein interaction network of pluripotency-specific factors and epigenetic mechanisms that together control the transcription of pluripotency- and differentiation-associated genes.
Among the interaction partners of the pluripotency-specific protein network in murine ESCs are Polycomb group (PcG) proteins. These proteins assemble in two complexes termed Polycomb group repressive complex 1 and 2 (PRC1 and PRC2). In the classical model, PRC1 and PRC2 act hierarchically together in catalyzing two characteristic histone modifications thereby contributing to the repression of PRC-specific target genes like differentiation-associated genes in ESCs. Recently, it has been shown that there are numerous PRC1 variants that differ in their protein composition. In this context, the family of Polycomb group RING finger (Pcgf) proteins (Pcgf1 – 6) defines distinct PRC1 variants (PRC1.1 – 1.6) that exhibit complex-specific genomic binding sites. Together, this indicates diverse mechanisms of PRC1 variants and Pcgf Paralog-specific functions that are not well understood.
Pcgf Paralogs are known to play essential roles in various stem cell types and during iPS reprogramming. Pcgf1 (Nspc1), Pcgf2 (Mel18) and Pcgf4 (Bmi1) function in diverse adult stem cells. Further, Pcgf4 plays a role in murine iPS Reprogramming. For Pcgf6 (Mblr), a pluripotency-associated function is assumed. Pcgf6 is the only Pcgf paralog with an elevated expression in murine ESCs and when ESCs differentiate Pcgf6 expression decreases. In addition, following Pcgf6 KD in ESCs the expression of Oct4, Sox2 and Nanog declines while mesodermal and testes-specific genes become de-repressed. Furthermore, Pcgf6 KD ESCs are more prone for hematopoietic lineage differentiation. The precise mechanisms by which Pcgf6 controls these processes in murine ESCs are not known.
In this work, I investigated the function of Pcgf6 in murine iPS reprogramming. I assumed a role for Pcgf6 in iPS reprogramming because it is highly expressed in ESCs and it was recently shown that Pcgf4 plays a role in the reprogramming of somatic cells. The data of my work show that Pcgf6 expression is increased in iPS reprogramming and that Pcgf6 exhibits an ESC-like gene expression pattern in iPS cells. Furthermore, Pcgf6 was able to replace the transcription factor Sox2 in combination with Oct4, Klf4 and c-Myc. In addition, OPKM-induced iPS cells showed pluripotency-specific characteristics. The overexpression of Pcgf6 together with the OSKM factors did not result in significantly increased reprogramming efficiencies indicating that Pcgf6 does not function as an enhancer-factor. However, Pcgf6 knockdown (KD) in mouse embryonic fibroblasts (MEFs) resulted in decreased efficiencies after iPS reprogramming. Additionally, the majority of AP+ colonies formed after OSKM reprogramming of Pcgf6 KD MEFs represented partially reprogrammed iPS cells, as they did not exhibit ESC-like morphologies and reduced expression levels of Oct4, Sox2 and Nanog.
Together, the data of my work show that Pcgf6 is a new and essential factor in iPS reprogramming that can specifically replace the transcription factor Sox2 in combination with Oct4, Klf4 and c-Myc.
KW - Stammzelle
KW - iPS Reprogrammierung
KW - Differenzierung
KW - Repression
KW - Reprogramming
Y1 - 2014
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-106870
ER -
TY - THES
A1 - Kaiser, Dorkas
T1 - Termites and ants in BURKINA FASO (WEST AFRICA): taxonomic and functional diversity along land-use gradients; ecosystem services of termites in the traditional ZAÏ SYSTEM
T1 - Termiten und Ameisen in Burkina Faso (West Africa): Taxonomische und funktionelle Diversität entlang Landnutzungs-Gradienten, Ökosystemdienste von Termiten im traditionellen Zai system
N2 - The consequences of habitat change for human well-being are assumed to be especially extreme in Burkina Faso. The country is located in a highly drought-sensitive zone of West Africa, and small‐scale subsistence farmers may be especially affected if losses of biodiversity lead to changes in ecosystem functioning; many depend on more or less degraded lands for agricultural production.
The overall aim of the present thesis consequently was to characterize the functional traits of soil-organisms which are crucial for a productive and balanced soil environment in the study region – termites and ants. They are true ecosystem engineers whose activity alters the habitat. Through soil-turnover in the course of constructing biogenic structures of varying size and nature (mounds, nests, galleries, soil-sheetings, foraging-holes), they bioturbate huge amounts of soil masses and exert massive effects on soil structure, positively influencing the fertility, stability, aeration and water infiltration rate into soils; and they provide habitats for other species. In sub-Saharan Africa, ants and termites are the only active soil macrofauna during the long dry season; in the sub-Sahel zone of Burkina Faso, termites even represent the only active, quantitatively remarkable decomposers all year round. Since no information was available about the actual diversity of the focal arthropods, I divided the thesis in two main parts: In the first part, a baseline study, I assessed the local termite and ant fauna, and investigated their quantitative and qualitative response to changing habitat parameters resulting from increasing human impact (‘functional response traits’). In the second and applied part, I addressed the impact of the biogenic structures which are important for the restoration of degraded soils (‘functional effect traits’).
Two traditional agricultural systems characteristic for the study region were selected. Each system represented a land-use intensification gradient comprising four distinct habitats now differing in the magnitude of human intervention but formerly having the same initial state. The first disturbance gradient, the temporal cross-section of a traditional soil water conservation technique to restore degraded heavily encrusted, barren soil named Zaï in Ouahigouya (Yatenga province, sub-Sahel zone); the second disturbance gradient, an agriculture type using crop rotation and fallow as nutrient management techniques near Fada N’Gourma (Gourma province, North-Sudanese zone).
No standard protocol existed for the assessment of termite and ant diversity in semi-arid (agro-) ecosystems; two widely accepted standard protocols provided the basis for the newly revised and combined rapid assessment protocol ‘RAP’: the ALL protocol for leaf litter ants of Agosti and Alonso (2000), and the transect protocol for termites in tropical forests of Jones and Eggleton (2000). In each study site, three to four replicate transects were conducted during the rainy seasons (2004—2008).
The RAP-protocol turned out to be very effective to characterize, compare and monitor the taxonomic and functional diversity of termites and ants; between 70% and 90% of the estimated total species richness were collected on all levels (transects, habitats, regions). Together in both regions, 65 ant species (25 genera) and 39 termite species (13 genera) were collected. These findings represent the first records for Burkina Faso. The data indicate a high sensitivity of termites and ants to land-use intensification. The diversity strongly decreased with increasing anthropogenic impact in the North-Sudan region. In total, 53 ant species (23 genera) and 31 termite species (12 genera) were found. Very promising results concerning the recovery potential of the soil-arthropods’ diversity were gathered in the Zaï system. The diversity of both taxa strongly increased with increasing habitat rehabilitation – in total, 41 ant species (16 genera) and 33 termite species (11 genera) were collected. For both taxa significant differences could be noted in the shape of the density variations along the gradient. For instance termites: Fungus-growers showed the greatest adaptability to different management practices. The greatest variations between the habitats were observed in soil and grass-feeding termites. Whole functional groups were missing in heavily impacted habitats, e.g. soil-, grass-, and wood-feeders were absent in the degraded site in the sub-Sahel zone. Several environmental parameters could be identified which significantly explained a great part of the variations in the composition of the arthropods’ communities; they indicate the importance of the habitats’ structural complexity (vegetation structure) and concomitant effects on diurnal temperature and moisture fluctuations, the availability of food sources, and the soil-structure. The diversity of termites in the sub-Sahel region was strongly correlated with the crown-cover percentages, the topsoils’ sand-content, and the availability of litter; in the North-Sudan region with the cumulated woody plant basal area, the topsoils’ clay- and organic matter-content. The parameters identified for ant communities in the Zaï system, were the height of trees, the topsoils’ clay-content and air humidity; in the North-Sudan region the habitats’ crown-cover percentages, the quantity of litter and again the height of trees.
In the second part of the thesis, I first rapidly assessed the (natural) variations in the amount of epigeal soil-structures along the two disturbance gradients in order to judge the relative importance of termites and ants for soil-turnover. The results illustrated impressively that a) in all study sites, termites were the main bioturbators while ant structures were of minor importance for soil turn-over; b) earthworms and grass-feeding termites contributed significantly to soil turn-over in the more humid North-Sudan region; and c) the bioturbated soil mass varied between seasons and years, however, the relative importance of the different taxa seemed to be fairly constant. In the sub-Sahel zone, fungus-growing Odontotermes and Macrotermes species fully take over the important function of bioturbation, leading to the transport of huge amounts of fine-textured soil material to the surface; with increasing habitat restoration, coarse fragments decreased in the upper horizons and became concentrated deeper along the soil profile.
Consequently, in the applied part, I concentrated on the bioturbation activity of fungus-growing termites in the four main stages of the Zaï system: crusted bare soil (initial stage), millet field, young and old forest. In each of the four Zaï sites nine experimental blocks (each comprising four plots of 1m2) were used to stimulate the foraging activity of fungus-growing termites with different, locally available organic materials (Aristida kerstingii hay, Bombax costatum wooden blocks, compost and a control without any organic amendment). The experiment was conducted twice for the duration of four weeks (rainy season 2005, dry season 2006). The plots were regularly checked and the increase of the area covered by sheetings chronologically followed. After four weeks a) all sheeting-soil was collected, air dried and separately weighed according to the different genera, and b) the foraging-holes were counted and their diameter measured. Additionally, c) ponded water infiltration was measured in selected plots, and d) the physicochemical properties of sheeting-soil were analyzed. In case of complete consumption of the offered hay during the experimental 4-weeks-duration, the same procedure (a, b) was followed before adding new hay to the respective plot.
The comparison between the different plots, sites and seasons revealed clearly that hay was the most attractive bait; for each gram of hay removed, Odontotermes brought about 12 g soil to the surface, Macrotermes 4 g. Odontotermes was the only genus attracted by organic material to the degraded area, and was therefore the decisive primary physical ecosystem engineer in the Zaï system, initiating the restoration process. The mass of soil bioturbated in the course of foraging increased strongly from the degraded, barren towards the most rehabilitated reforested site. Combining all 36 experimental plots per Zaï stage, Odontotermes bioturbated 31.8 tons of soil per hectare and month dry season in the degraded area, and 32.4 tons ha-1 mon-1 in the millet fields; both genera moved 138.9 tons ha-1 mon-1 in the young and 215.5 tons ha-1 mon-1 in the old Zaï forest. Few comparable figures were found in the literature. In northern Burkina Faso, both genera constructed 20 tons of sheetings ha-1 mon-1 after mulching with a straw-wood mixture (Mando & Miedema 1997), and in Senegal, around 10 tons ha-1 mon-1 were moved in heavily foraged plots (Rouland et al. 2003). Within a site, soil turn-over and the number of foraging holes created was always highest in hay, followed by compost, then by wood and in the end control. The fungus-growers’ foraging-activity was leading to an enormous increase in surface pore space – after one month of induced foraging activity in hay-plots, the median number of foraging-holes increased from 142 m-2 in the degraded site up to 921 m-2 in the old Zaï forest. The creation of subterranean galleries and macropores significantly increased the water infiltration rate by a mean factor 2–4.
Laboratory analyses revealed that sheeting-soil differed strongly from the respective control soil as well as between the seasons, the food-type covered, and the two genera. Odontotermes-sheetings differed in more parameters than Macrotermes-sheetings, and dry season sheetings differed in more parameters (and more strongly) than rainy season sheetings. In the present study, soil organic matter, carbon and nitrogen contents were significantly increased in all dry season sheetings; in the rainy season mainly in those built on compost. Texture analysis pointed out that both genera used topsoil and soil from deeper horizons in varying mixture ratios, thereby supporting findings of Jouquet et al. (2006).
To summarize, the present thesis contributes to a better understanding of the functional response traits of termites and ants to changing environmental parameters resulting from increasing human impact. The RAP-protocol represents an easy-to-learn and very effective method to representatively characterize, compare and monitor the taxonomic and functional diversity of termites and ants. The experiment has provided conclusive evidence of the importance of the consideration of fungus-growing termites (particularly Odontotermes and Macrotermes species) when aiming to restore infertile, degraded and crusted soils and to maintain a sustainable agricultural production in the Sahel‐Sudanese zone of West Africa.
N2 - Die Folgen von Lebensraumveränderungen für die Lebensqualität der Bevölkerung sind vermutlich besonders extrem in Burkina Faso. Das Land liegt in einem für Dürren sehr anfälligen Gebiet von Westafrika. Die Kleinbauern, welche die Hauptproduzenten für Lebensmittel der Region sind, können besonders betroffen sein, wenn Verluste der biologischen Vielfalt zu Veränderungen in den Ökosystemfunktionen führen, da viele von degradierten Flächen für die landwirtschaftliche Produktion abhängen.
Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit war daher, die funktionellen Merkmale derjenigen Bodenorganismen zu charakterisieren, die im Untersuchungsgebiet von entscheidender Bedeutung für ertragreiche und ausgewogene Böden sind: Termiten und Ameisen. Sie sind wahre Ökosystem‐Ingenieure, deren Aktivität den Lebensraum verändert. Durch Bodenumwälzung während des Baus von biogenen Strukturen unterschiedlicher Größe und Natur (Hügel, Nester, unterirdischer Gänge, Schutzschichten aus Erde, sogenannte „soil-sheetings“, Furagierlöcher, etc.) bewegen sie riesige Bodenmassen und haben enorme Auswirkungen auf die Bodenstruktur. Dies wirkt sich wiederrum positiv auf die Bodenfruchtbarkeit, die Stabilität, die Bodenbelüftung und die Wasserinfiltration aus, und bietet so auch Lebensraum für andere Arten. In den afrikanischen Ländern südlich der Sahara sind Ameisen und Termiten die einzige nennenswerte aktive Bodenmakrofauna während des gesamten Jahres. In der Sub-Sahelregion von Burkina Faso sind während der Trockenzeit Termiten die einzigen aktiven Primärzersetzer. Da keine Informationen über den Artenreichtum der Termiten- und Ameisen-Fauna in Burkina Faso vorlagen, setzte ich in der Dissertation zwei Schwerpunkte: Im ersten Teil, einer Grundlagenstudie, erfasste ich die lokale Termiten und Ameisenfauna in verschiedenen Landnutzungssystemen und untersuchte deren quantitative und qualitative Reaktion auf sich ändernde Umweltbedingungen, die aus dem zunehmenden Einfluss des Menschen resultieren ("funktionelle Reaktionsmerkmale"). Im zweiten und anwendungsbezogenen Teil befasste ich mich mit dem Einfluss der für die Regeneration degradierter Böden wichtigen biogenen Strukturen ("funktionelle Wirkungsmerkmale").
Es wurden zwei für die Untersuchungsregion typische traditionelle Landwirtschafts-formen ausgewählt. Jede stellte einen Landnutzungsgradienten dar, der vier verschiedene Habitate umfasste, welche sich in der Stärke des anthropogenen Einflusses unterschieden, ursprünglich aber den gleichen Anfangszustand hatten. Der erste Nutzungsgradient in Ouahigouya (Provinz Yatenga, Sub-Sahel-Zone) – namens Zaï – war ein zeitlicher Querschnitt durch eine traditionelle Boden- und Wasserschutztechnik zur Regeneration stark verkrusteter, degradierter Böden. Der zweite Nutzungsgradient nahe der Stadt Fada N’Gourma (Provinz Gourma, Nord-Sudan Region) war ein Landwirtschaftstyp, der Fruchtfolge und Brachzeiten für das Nährstoffmanagement nutzte.
Zur Erhebung der Termiten- und Ameisen-Diversität in semi-ariden (Agrar-) Ökosystemen existierte kein Standardprotokoll; zwei international akzeptierte Protokolle bildeten die Grundlage für das neu überarbeitete und kombinierte Protokoll „RAP“ zur schnellen Erhebung der Termiten- und Ameisenfauna: Das ALL-Protokoll für Ameisen der Laubstreuschicht von Agosti and Alonso (2000) und das Transektprotokoll für Termiten in tropischen Wäldern von Jones and Eggleton (2000). In meiner Untersuchung wurden zwischen 2004 und 2008 während der Regenzeit in jedem der Untersuchungsgebiete drei bis vier Transekte abgesammelt.
Das RAP-Protokoll erwies sich als sehr effektive Methode, um die taxonomische und funktionelle Vielfalt von Termiten und Ameisen zu beschreiben, zu vergleichen und zu überwachen. Zwischen 70% und 90% der geschätzten Gesamtartenzahl wurden auf allen Ebenen (Transekte, Lebensräume, Regionen) gesammelt.
Insgesamt wurden in beiden Regionen 65 Ameisenarten (25 Gattungen) und 39 Termitenarten (13 Gattungen) gesammelt. Dies sind bislang die ersten Nachweise für Burkina Faso. Die Daten weisen auf eine hohe Sensitivität von Termiten und Ameisen gegenüber einer Landnutzungsintensivierung hin. Mit zunehmendem anthropogenem Einfluss nahm die Artenvielfalt in der Nord-Sudanregion stark zu. Insgesamt wurden 53 Ameisenarten (23 Gattungen) und 31 Termitenarten (12 Gattungen) gefunden. Sehr vielversprechende Ergebnisse wurden bezüglich des Erholungspotenzials der Bodenarthropoden-Diversität im Zaï-System gesammelt; die Vielfalt beider Taxa nahm in mit zunehmender Lebensraumsanierung stark zu: Insgesamt wurden 41 Ameisenarten (16 Gattungen) und 33 Termitenarten (11 Gattungen) dieser Region gefunden. Entlang der Landnutzungsgradienten zeigten sich signifikante Unterschiede im Vorkommen von Termiten und Ameisen. So bewiesen bei Termiten beispielsweise die Pilzzüchter die größte Anpassungsfähigkeit an die unterschiedlichen Bewirtschaftungspraktiken. Die größten Unterschiede zwischen den Lebensräumen wurden bei den boden- und den grasfressenden Termiten beobachtet. In stark vom Menschen beeinflussten Lebensräumen fehlten ganze funktionelle Gruppen, beispielsweise kamen in der degradierten Fläche der Sub-Sahelregion weder Bodenfresser noch Grasfresser oder Holzfresser vor. Mehrere Umweltparameter wurden identifiziert, welche einen großen Teil der Veränderungen in der Zusammensetzung der Arthropoden-Gemeinschaften entlang der Gradienten signifikant erklärten; sie lassen auf eine große Bedeutung der strukturellen Habitat-Komplexität (Vegetationsstruktur) und den damit verbundenen mikroklimatischen Schwankungen (Temperatur- und Feuchtigkeit), der Nahrungsverfügbarkeit und der Bodenstruktur schließen. Die Termitenvielfalt in der Sub-Sahelzone korrelierte stark mit dem Überschirmungsgrad, dem Sandgehalt im Oberboden und der Verfügbarkeit von Streu. Ihre Vielfalt in der Nord-Sudanregion korrelierte stark mit der kumulierten Gehölzpflanzen-Grundfläche, dem Tongehalt und dem organischen Material im Oberboden. Die identifizierten Parameter für die Ameisen-Gemeinschaften im Zaï-System waren die Höhe der Bäume, der Sandgehalt im Oberboden und die Luftfeuchte. Ihre Vielfalt in der Nord-Sudanregion korrelierte stark mit dem Überschirmungsgrad, dem Trockengewicht der verfügbaren Streu und der Baumhöhe.
Um die relative Bedeutung von Termiten und Ameisen für die Bodenumwälzung beurteilen zu können, erfasste ich im zweiten Teil der Arbeit zunächst die natürlichen Schwankungen im Trockengewicht der in jedem Untersuchungsgebiet oberirdisch vorhandenen biogenen Strukturen.
Die Ergebnisse veranschaulichen eindrucksvoll, dass:
1. Termiten in allen Untersuchungsgebieten die Hauptumwälzer, Ameisenstrukturen dagegen von untergeordneter Bedeutung für die Bioturbation waren;
2. Regenwürmer und grasfressende Termiten in der regenreicheren Nord-Sudanregion wesentlich zur Bodenumwälzung beitrugen;
3. die Gesamtmasse der umgewälzten Erde von Jahr zu Jahr schwankte, die relative Bedeutung beider Taxa für die Bioturbation jedoch ziemlich konstant war;
4. in der Sub-Sahelzone die wichtige Funktion der Bodenumwälzung vollständig von pilzzüchtenden Macrotermes- und Odontotermes-Arten übernommen wird, die zusammen große Mengen von feinkörnigem Bodenmaterial an die Oberfläche transportieren. Dadurch sank mit zunehmender Habitat-Rehabilitation der Gehalt an grobkörnigem Bodenmaterial in den oberen Bodenschichten und reicherte sich zunehmend in den tieferen Horizonten an.
Im anwendungsbezogen Teil der Arbeit konzentrierte ich mich daher auf die Bioturbationsleistung pilzzüchtender Termiten in den vier Hauptstadien des Zaï-Systems: der degradierten Fläche (Ausgangsstadium der vier Sukzessionsstadien), dem Hirsefeld, dem jungen und dem alten Zaï-Wald. In jedem dieser vier Sukzessionsstadien wurde die Furagiertätigkeit von pilzzüchtenden Termiten folgendermaßen angeregt: Es wurden neun Versuchsblöcke installiert, mit je vier Unterquadraten mit einer Fläche von 1 m2. Drei der Unterquadrate wurde mit unterschiedlichen, lokal verfügbaren organischen Materialien bedeckt (mit Aristida kerstingii Stroh, Bombax costatum Holz, Kompost), eines blieb als Kontrolle ohne organisches Material. Das vierwöchige Experiment wurde zweimal durchgeführt (Regenzeit 2005, Trockenzeit 2006). Dabei wurden die Untersuchungsflächen regelmäßig auf Termitenaktivität überprüft und die Zunahme der “soil-sheetings“ kartiert.
Nach vier Wochen wurde:
i. Die gesamte Termitenerde gesammelt, luftgetrocknet und für jede Gattung getrennt gewogen;
ii. die Furagierlöcher gezählt und ihr Durchmesser vermessen;
iii. in ausgewählten Flächen die Wasserinfiltrationsrate gemessen;
iv. die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Sheeting-Erde analysiert.
Sobald das Stroh in einem Unterquadrat abgetragen war, wurde nach den betreffenden Messungen (s. oben i. und ii.) neues aufgebracht.
Der Vergleich der Ergebnisse beider Durchläufe zeigte deutlich, dass Stroh der attraktivste Köder war. Für jedes Gramm abgetragenes Stroh wurden von Odontotermes etwa 12 g, von Macrotermes etwa 4 g Erde an die Oberfläche gebracht. Odontotermes war die einzige Gattung, die in der degradierten Fläche von organischem Material angelockt wurde. Sie ist damit der entscheidende primäre physikalische Ökosystem-Ingenieur im Zaï-System, der den Restaurierungsprozess anstößt. Mit zunehmender Habitatsanierung nahm die Menge der umgewälzten Erde stark zu: In den 36 Unterquadraten der degradierten Fläche bewegte Odontotermes insgesamt 31,8 Tonnen Erde pro Hektar und Monat Trockenzeit, in denen der Hirsefelder insgesamt 32,4 Tonnen. Beide Gattungen zusammen bewegten im jungen Zaï-Wald insgesamt 138,9 Tonnen, im alten Wald 215,5 Tonnen Erde pro Hektar und Monat Trockenzeit. In jedem Sukzessionsstadium waren sowohl die Bodenumwälzung als auch die Anzahl der Furagierlöcher in den Versuchsflächen mit Stroh am größten, gefolgt von denen mit Kompost, dann denen mit Holz und zuletzt den Kontrollflächen. Die Furagiertätigkeit der pilzzüchtenden Termiten führte zu einer starken Zunahme der Makroporosität des Oberbodens. Nach einem Monat induzierter Fraßaktivität stieg im Mittel die Anzahl der Furagierlöcher pro Quadratmeter von 142 in der degradierten Fläche auf 921 Löcher im alten Zaï Wald. Die bei der Nahrungssuche gegrabenen Gänge und Löcher führten zu einem signifikanten Anstieg der Wasserinfiltrationsrate, im Mittel um den Faktor 2–4. Nur wenige vergleichbare Zahlen konnten in der Literatur gefunden werden. Bei den Untersuchungen von Mando and Miedema (1997) im Norden von Burkina Faso wälzten die beiden Gattungen nach Mulchen mit einem Holz-Stroh-Gemisch Sheetings mit einem Trockengewicht von insgesamt 20 Tonnen je Hektar und Monat Trockenzeit um. Im Senegal wurden in Versuchsflächen mit starker Furagieraktivität rund 10 Tonnen Erde bewegt (Rouland et al. 2003).
Laboranalysen ergaben, dass sich Sheeting-Erde stark sowohl von der entsprechenden Kontroll-Erde unterschied als auch dem überdeckten Futtertyp und ebenso zwischen den beiden Gattungen. Dabei unterschied sich Sheeting-Erde von Odontotermes in mehr Parametern als Sheeting-Erde von Macrotermes, und Sheetings aus der Trockenzeit unterschieden sich in mehreren Parametern und in stärkerem Maße als Sheetings aus der Regenzeit. Der Gehalt an organischem Material, an Kohlenstoff und Stickstoff war in allen Trockenzeit-Sheetings deutlich erhöht, in der Regenzeit vor allem in Sheetings, die über Kompost gebaut wurden. Die Analyse der Korngrößenverteilung ließ darauf schließen, dass beide Gattungen Erde aus dem Oberboden und aus tieferen Horizonten in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen nutzten. Dies bestätigt Beobachtungen von Jouquet et al. (2006).
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorliegende Untersuchung zu einem besseren Verständnis der funktionellen Reaktionsmerkmale von Termiten und Ameisen auf sich ändernde Umweltparameter beiträgt, die aus dem zunehmenden Einfluss des Menschen resultieren. Das RAP-Protokoll erwies sich als eine einfach zu erlernende und sehr effektive Methode, um die taxonomische und funktionelle Vielfalt von Termiten und Ameisen in semi-ariden Savannen und Agrarökosystemen repräsentativ zu charakterisieren, zu vergleichen und zu überwachen. Das Experiment erbrachte schlüssige Beweise für die Bedeutung pilzzüchtender Termiten (insbesondere Odontotermes und Macrotermes-Arten) für die Sanierung vollständig degradierter und verkrusteter Böden, und für eine nachhaltige landwirtschaftliche Produktion in der Sub-Sahelzone in Westafrika.
KW - Termiten
KW - termites
KW - Ameisen
KW - Biodiversität
KW - menschlicher Einfluss
KW - ants
KW - diversity
KW - human impact
Y1 - 2014
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-107001
ER -
TY - THES
A1 - Andronic, Joseph
T1 - Volumenregulatorische Transportwege von anorganischen und organischen Osmolyten in Säugetierzellen
T1 - Volume ragulatory pathways of anorganic and organic osmolytes in mammalian cells
N2 - Die Aufrechterhaltung des Zellvolumens unter variablen osmotischen Bedingungen stellt für nahezu alle tierischen Zellen eine essenzielle Aufgabe dar. Um regulatorische Volumenanpassungen vorzunehmen besitzen sie daher effektive Mechanismen, mit deren Hilfe der zelluläre Gehalt an organischen und anorganischen Osmolyten erhöht (= regulatorische Volumenzunahme; RVI) oder gesenkt (= regulatorische Volumenabnahme; RVD) werden kann. Trotz langjähriger Forschung auf diesem Gebiet konnten die hieran beteiligten Transportwege für Osmolyte bisher nur unvollständig aufgeklärt werden.
Insbesondere bei T-Lymphozyten sind wichtige Zellfunktionen wie die Proliferation, Migration und die T-Zell-Aktivierung eng mit volumenregulatorischen Mechanismen verbunden. Bei all diesen Prozessen sind u. a. unterschiedliche Kaliumkanäle beteiligt, die insbesondere für die pharmakologische Manipulation von Immunsystemprozessen von wissenschaftlichem Interesse sind. Bisherige Modelle der hypotonen Volumenregulation von T-Lymphozyten berücksichtigen lediglich den spannungsabhängigen KV1.3 sowie den Ca2+-aktivierten IKCa1-Kanal, die zur Klasse der 6TM/P-K+-Kanäle gehören.
Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurde eine potentielle Rolle von kürzlich entdeckten Zwei-Poren Domänen Kaliumkanälen (K2P) am RVD von murinen und humanen primären CD4+-T-Lymphozyten untersucht. In einem kombinierten genetischen und pharmakologischen Ansatz mittels knockout-Tiermodellen und dem Einsatz kanalspezifischer Inhibitoren konnte mithilfe zellvolumetrischer Analysen gezeigt werden, dass die K2P-Vertreter TASK1, TASK2, TASK3 und TRESK maßgeblich am schwellungsaktivierten Efflux von K+ beteiligt sind. Beurteilt an den Ergebnissen dieser Untersuchung sind der spannungsabhängige TASK2- und der Ca2+-aktivierte TRESK-Kanal für die hypotone Volumenregulation in T-Zellen deutlich bedeutender als TASK1 und TASK3. Der Beitrag der Kanäle TASK2 und TRESK am RVD-Prozess war über dies vergleichbar mit dessen des bisher bekannten KV1.3-Kanals. In dieser Arbeit wurde damit erstmals eine Beteiligung der K2P-Kanäle am RVD muriner und humaner CD4+-Lymphozyten identifiziert. Aufgrund der engen Verbindung zwischen T-Zell-Funktion und der Volumenregulation können Zwei-Poren Domänen K+-Kanäle damit in den engeren Kreis potentieller immunmodulierende Angriffspunkte aufgefasst werden.
Im zweiten und umfangreicheren Teil dieser Arbeit wurden darüber hinaus die schwellungsaktivierten Transportwege für organische Osmolyte (small organic osmolytes; SOOs) untersucht. SOOs stellen chemisch inerte Verbindungen dar, zu denen vor allem Polyole (Sorbitol, myo-Inositol), Methylamine (Betain, α-Glycerophosphocholin) sowie Aminosäuren (α- bzw. β-Alanin und Prolin) und deren Derivate (Taurin) zählen. Da SOOs weder die zelluläre Struktur noch die Funktion von Makromolekülen beeinträchtigen, sind sie wichtige Instrumente der Volumenregulation, die sich in hohen Konzentrationen im Zytosol nahezu aller Zellen wiederfinden. Werden tierische Zellen mit hypotonen Bedingungen konfrontiert, dann ist bei nahezu allen Zellen die Freisetzung organischer Osmolyte zu beobachten, wodurch die zelluläre Osmolarität unabhängig von Elektrolyten angepasst werden kann. Trotz der wichtigen Funktion der SOOs in der Osmoregulation tierischer Zellen konnte die molekulare Identität beteiligter Effluxwege (Kanäle bzw. Transporter) bisher nicht aufgeklärt werden.
Ungeachtet der molekularen Identität der SOO-Effluxwege war es aus zahlreichen biotechnologischen Anwendungen zu Beginn dieser Arbeit bekannt, dass die schwellungsaktivierten Transportwege für organische Osmolyte eine größenselektive Permeabilität für eine Reihe monomerer Zucker und verwandter Verbindungen aufweisen. Um diese Größenselektivität näher zu charakterisieren, wurde im ersten Schritt die schwellungsaktivierte Membranpermeabilität für eine Reihe strukturell homogener Polyethylenglykole unterschiedlicher Polymerlänge (PEG200–1500; hydrodynamische Radien zwischen ~0,5-1,5 nm) unter iso- und hypotonen Bedingungen in Jurkat-Lymphozyten untersucht. Unter milden hypotonen Bedingungen (200 mOsm) war die Plasmamembran der untersuchten Lymphozyten für PEG300-1500 undurchlässig, was aus der Fähigkeit der Zellen zur hypotonen Volumenregulation geschlossen werden konnte. Darüber hinaus wurde RVD in stark hypotonen Lösungen (100 mOsm) mit PEG600-1500 beobachtet, während PEG300-400 unter vergleichbaren osmotischen Bedingungen die Volumenregulation der Zellen inhibierten. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass starkes hypotones Zellschwellen der Lymphozyten zur Permeabilisierung der Plasmamembran für PEG300-400, nicht jedoch für PEG600-1500, führt. Anhand der hydrodynamischen Radien Rh der verwendeten PEGs konnte ein cutoff-Radius von ~0,74 nm für schwellungsaktivierte Transportwege organischer Osmolyte bestimmt werden. Da diese schwellungsaktivierten Transportwege vielfältig für Zellbeladungstechniken verwendet werden, könnte dieses Ergebnis für zahlreiche biotechnologische und biomedizinische Anwendungen von Interesse sein.
Im zweiten Schritt wurde der Versuch unternommen, potentielle Transportwege für organische Osmolyte im RVD-Prozess molekular zu identifizieren. Da es grundlegend ungeklärt war, wie viele unterschiedliche Transporter bzw. Kanäle am Efflux der zahlreichen organischen Osmolyte beteiligt sind, erfolgte zunächst die vergleichende Analyse des schwellungsaktivierten Membrantransports strukturell verschiedener SOOs einschließlich der Aminosulfonsäure Taurin und des Polyols myo-Inositol. Hierbei wurde erstmals gezeigt, dass die schwellungsaktivierten Transportwege für Taurin und myo-Inositol deutlich unterschiedliche Aktivitätsprofile aufweisen. Während der Taurintransport bereits unter milden hypotonen Bedingungen, d.h. nach einer geringen Absenkung der Osmolalität von 300 auf ~230 mOsm, aktiviert wurde, erfolgte die Aktivierung der Membranpermeabilität für myo-Inositol bei einer viel niedrigeren Osmolalität von ~150 mOsm. Darüber hinaus wiesen die beiden Transportwege unter vergleichbarem hypotonen Stress von 100 mOsm deutlich unterschiedliche Aktivitätsdauern auf (Transport von Taurin ~95 min und myo-Inositol ~40 min). Somit deuteten diese Ergebnisse erstmals auf substrat-spezifische Transportwege für SOOs hin, die voneinander stark abweichende osmotische Aktivierungsprofile besitzen.
Als aussichtsreiche Kandidaten für diese Transportwege wurden zwei Mitglieder der Gruppe der Solute Carrier (SLC) untersucht, die klare Übereinstimmungen mit den gesuchten Transportern für SOOs aufweisen. Daher wurde im Weiteren eine RVD-Beteiligung dieser Transportergruppe mit einer Kombination aus molekularbiologischer und konventioneller bzw. hochaufgelöster mikroskopischen Techniken überprüft. Die semiqantitativen RT-PCR-Ergebnisse dieser Arbeit zeigen dabei, dass die Gentranskription der potentiellen SOO-Transporter SLC5A3 und SLC6A6 in den untersuchten Zelllinien Jurkat, HEK wie auch HepG2-Zellen durch hypotone Bedingungen deutlich verstärkt wird. Hierbei nimmt der zelluläre mRNA-Gehalt der Gene SLC5A3 zwischen 20-60% und SLC6A6 um 30-100% innerhalb von 10-20 min zu, was auf eine potentielle RVD-Beteiligung von SLC-Transportern hindeutet. Ausgehend von diesem Ergebnis wurde daraufhin die zelluläre Lokalisation des SLC5A3-Transporters unter isotonen und hypotonen Bedingungen mikroskopisch untersucht. Wie anhand der konfokalen lasermikroskopischen Untersuchung zu erkennen ist, findet unter hypotoner Stimulation eine zelluläre Umverteilung des mit EGFP fluoreszenzmarkierten Proteins SLC5A3 statt. Innerhalb von 10 min wird der Transporter dabei von intrazellulären Regionen in Richtung Plasmamembran verlagert. Darüber hinaus konnte mit Hilfe der hochauflösenden Mikroskopie-Technik dSTORM gezeigt werden, dass der Transporter SLC5A3 unter hypotoner Stimulation verstärkt mit der Plasmamembran assoziiert vorliegt. Diese verstärkte Membranassoziation des SLC5A3-Proteins deutet damit auf einen schwellungsinduzierten exozytotischen Einbau des Transporters hin.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen damit erstmals, dass SLC-Transporter wie SLC5A3, SLC6A6 und vermutlich andere Vertreter der SLC-Superfamilie potentiell am Mechanismus der hypotonen Volumenregulation beteiligt sind. Da SLC-Transporter als wichtige Transportsysteme für Therapeutika angesehen werden und die Mechanismen der Volumenregulation bereits in zahlreichen biotechnologischen Anwendungen implementiert sind, könnte der hier aufgedeckte Zusammenhang einen Erkenntnisgewinn für zahlreiche biomedizinische Forschungsgebiete darstellen.
N2 - Cell volume homeostasis is critically important for the functional and structural integrity of mammalian cells. To counteract osmotically induced volume perturbations, cells possess efficient mechanisms that control the intracellular osmolyte composition. The volume regulatory mechanisms operating under hyper- and hypotonic conditions are known, respectively, as regulatory volume increase (RVI) and decrease (RVD). During both, RVI and RVD, cells adjust the cellular content of inorganic ions (most notably Na+, K+ and Cl-) and organic solutes in order to gain or lose osmotically obligated water. These mechanisms counteract osmotic cell damage and enable the adaptation of cells to a wide range of extracellular osmolarities. Despite decades of research in this field, many aspects of the mechanisms underlying RVD and RVI remain poorly understood.
In case of T lymphocytes, various cellular functions, including proliferation, migration and T cell activation are closely associated with the cell volume regulatory machinery. Among other mechanisms, all these processes are tightly linked by a network of potassium channels. The identification of this network is of great biomedical interest as it provides a key to pharmacological manipulation of the immune system. Current models of hypotonic volume regulation (RVD) in T-lymphocytes consider primarily the voltage-gated KV1.3 and the calcium-activated IKCa1 channel.
The first part of this thesis explores the potential role of two-pore domain (K2P) potassium channels in RVD in murine and human primary CD4+-T lymphocytes. Using a combined genetic and pharmacological approach, time-resolved cell volume analysis revealed an important role of the K2P channels TASK1, TASK2, TASK3 and TRESK in swelling activated K+ efflux from hypotonically swollen T cells. Based on the analysis carried out here, the voltage-gated TASK2 as well as the calcium-activated TRESK channel were found as the most important K2P channels involved in the RVD of both naïve and stimulated T cells. The importance of TASK2 and TRESK in the RVD process was comparable to that of KV1.3. In summary, the data provide first evidence that hypotonic volume regulation of murine and human CD4+-T lymphocytes relies on K2P channels. With respect to the close relationship of T-cell function and volume regulatory mechanisms K2P channels may thus be considered as potential targets for immunomodulation.
In the second and major part of this thesis, the swelling-activated transport pathways for small organic osmolytes (SOOs) were investigated. Nearly all eukaryotic cells possess a considerable reservoir of SOOs, such as polyols (e.g. sorbitol, myo-inositol), methylamines (e.g. betaine, α-glycerophosphoryl choline) and small amino acids (e.g. α-/β- alanine, proline and the derivate taurine), which are synthesized within the cells or accumulated from the extracellular medium. Since SOOs do not interfere with the integrity of macromolecules and the membrane potential, cells tolerate great cytosolic fluctuations of these solutes without negative effects on cellular structure or function. Due to these properties, small organic osmolytes are important tools for cell volume regulatory mechanisms, by which the intracellular osmolarity can be adjusted independently of electrolytes. Although the importance of SOOs for hypotonic volume regulation has been known for long time, the molecular identity of participating membrane efflux pathways is far from being clear.
Regardless of the involved transporters, swelling-activated pathways have been reported to exhibit a size selective permeability for a wide range of sugars and related compounds. To gain a deeper insight into this issue, in a first step the impact of the molecular size on the permeation of low-molecular-weight polyethylene glycols (PEG200–1500) through the plasma membrane of Jurkat cells under iso- and hypotonic conditions was analyzed. Upon moderate swelling in slightly hypotonic solutions (200 mOsm), the lymphocyte membrane was found to remain impermeable to PEG300–1500, which allowed the cells to accomplish regulatory volume decrease. RVD also occurred in strongly hypotonic solutions (100 mOsm) of PEG600–1500, whereas 100 mOsm solutions of PEG300–400 inhibited RVD. These findings suggest that extensive hypotonic swelling rendered the cell membrane highly permeable to PEG300–400, but not to PEG600–1500. Using the values of hydrodynamic radii Rh for PEGs, the observed size-selectivity of membrane permeation yielded an estimate of ∼0.74 nm for the cut-off radius of the swelling-activated pathway for organic osmolytes. This result may be of interest for many biotechnological and biomedical applications, where swelling-activated SOO-pathways are widely used for cell-loading techniques.
As a second step, an attempt was made to elucidate the molecular identity of transporters for organic osmolytes potentially involved in RVD. Since it was not clear whether RVD-related efflux of SOOs is mediated by one common or several distinct transporter(s), at first, the plasma membrane permeability profiles for two structurally dissimilar SOOs, including the amino sulfonic acid taurine and the polyol myo-inositol were analyzed. The results of the time resolved volumetric measurements clearly showed that the membrane permeability to taurine was activated upon moderate cell swelling (by ~15%) in mildly hypotonic solutions (~230 mOsm). In sharp contrast, the membrane permeability to myo-inositol was activated after a much larger swelling (~50%) in strongly hypotonic media (<150 mOsm). Moreover, the swelling-activated permittivity to taurine during RVD in 100 mOsm medium persisted for about twice as long as that for myo-inositol (taurine ~95 min, myo-inositol ~40 min). These findings clearly showed that, taurine and myo-inositol utilized separate, apparently substrate-specific pathways, which were activated at different hypotonic thresholds.
Since many members of SLC-family proteins (Solute Carrier) are known for their substrate selectivity and also for their contribution to osmoregulatory mechanisms a participation of SLCs was investigated in the context of RVD. To this end, a combination of molecular biological (semiquantitative RT-PCR) and fluorescence microscopy techniques (confocal and super-resolution microscopy) was used. The semiquantitative RT-PCR data showed a transcriptional upregulation for the SLC proteins SLC5A3 (myo-inositol transporter; SMIT) and SLC6A6 (taurine transporter TauT) in hypotonically stressed Jurkat lymphocytes, HEK293, and HepG2 cells. In all three human cell lines strongly hypotonic solutions (100 mOsm) increased the mRNA level of the genes SLC5A3 and SLC6A6 between 20-60% and 30-100%, respectively, suggesting a potential participation of SLC transporters in RVD.
In addition, confocal microscopy images clearly showed the intracellular displacement of EGFP-tagged SLC5A3 expressed in HEK293 cells following strongly hypotonic stress (100 mOsm). Within 10 min the fluorescence of EGFP was shifted from intracellular regions towards the plasma membrane. Furthermore, super-resolution microscopy by means of dSTORM revealed a considerably increased membrane association of SLC5A3 in strongly hypotonic stressed (100 mOsm) HEK293 and Jurkat cells. This finding suggests that SLC5A3 is integrated into the plasma membrane by swelling-induced exocytosis. Taken together, the results of this investigation provided first evidence that transporters such as SLC5A3, SLC6A6 and probably other SLC-proteins participate in the mechanism of hypotonic volume regulation. Due to the relevance of SLC-proteins as potential drug delivery systems the possible role of these transporters might be of great interest for many biomedical research areas.
KW - Säugetiere
KW - Osmoregulation
KW - Zelle
KW - Regulatory Volume Decrease
KW - Transporter SLC5A3
KW - Transporter SLC6A6
KW - small organic osmolytes
KW - Zwei-Poren Domänen Kaliumkanäle
KW - two-pore domain potassium channels
KW - Zellvolumen
KW - Volumenregulation
Y1 - 2014
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-103255
ER -
TY - THES
A1 - Fackler, Marc
T1 - Biochemical characterization of GAS2L3, a target gene of the DREAM complex
T1 - Biochemische Charakterisierung von GAS2L3, ein Zielgen des DREAM Komplex
N2 - GAS2L3 was identified recently as a target gene of the DREAM complex (Reichert et al., 2010; Wolter et al., 2012). It was shown that GAS2L3 is expressed in a cell cycle specific manner and that depletion of the protein leads to defects in cytokinesis and genomic instability (Wolter et al., 2012).
Major aim of this thesis was, to further characterize the biochemical properties and physiological function of GAS2L3.
By in vitro co-sedimentation and bundling assays, GAS2L3 was identified as a cytoskeleton associated protein which bundles, binds and crosslinks F-actin and MTs. GST pulldown assays and co-immunoprecipitation experiments revealed that GAS2L3 interacts in vitro and in vivo with the chromosomal passenger complex (CPC), a very important regulator of mitosis and cytokinesis, and that the interaction is mediated by the GAR domain of GAS2L3 and the C-terminal part of Borealin and the N-terminal part of Survivin. Kinase assays showed that GAS2L3 is not a substrate of the CPC but is strongly phosphorylated by CDK1 in vitro. Depletion of GAS2L3 by shRNA influenced protein stability and activity of the CPC. However pharmacological studies showed that the decreased CPC activity is not responsible for the observed cytokinesis defects upon GAS2L3 depletion. Immunofluorescence experiments revealed that GAS2L3 is localized to the constriction zone by the CPC in a GAR dependent manner and that the GAR domain is important for proper protein function.
New interacting proteins of GAS2L3 were identified by stable isotope labelling by amino acids in cell culture (SILAC) in combination with tandem affinity purification and subsequent mass spectrometrical analysis. Co-immunoprecipitation experiments further confirmed the obtained mass spectrometrical data.
To address the physiological function of GAS2L3 in vivo, a conditional and a non-conditional knockout mouse strain was established. The non-conditional mouse strain showed a highly increased mortality rate before weaning age probably due to heart failure. The physiological function of GAS2L3 in vivo as well as the exact reason for the observed heart phenotype is not known at the moment.
N2 - GAS2L3 wurde vor kurzem als Zielgen des DREAM Komplex identifiziert (Reichert et al., 2010; Wolter et al., 2012). Es konnte gezeigt werden, dass die Expression von GAS2L3 Zellzyklus abhängig reguliert wird und dass Depletion des Proteins zu Fehlern in der Zytokinese und genomischer Instabilität führt (Wolter et al., 2012).
Hauptziel dieser Doktorarbeit war es, GAS2L3 hinsichtlich seiner biochemischen Eigenschaften und physiologischer Funktion näher zu charakterisieren.
Unter Verwendung verschiedener in vitro Experimente konnte gezeigt werden, dass GAS2L3 sowohl F-Aktin als auch Mikrotubuli binden, bündeln und quervernetzen kann. In vitro und in vivo Protein-Protein Interaktionsexperimente zeigten, dass GAS2L3 mit dem „chromosomal passenger complex“ (CPC), einem wichtigen Mitose- und Zytokineseregulator, interagiert und dass diese Interaktion durch die GAR Domäne von GAS2L3 und den C-Terminus von Borealin beziehungsweise den N-terminus von Survivin vermittelt wird. Phosphorylierungsexperimente zeigten deutlich, dass GAS2L3 kein Substrat des CPC ist, jedoch von CDK1 phosphoryliert wird. Zellbiologische Experimente belegten, dass Depletion von GAS2L3 mittels shRNA die Proteinstabilität und Aktivität des CPC beeinflusst. Experimente mit einem chemischen Aurora B Inhibitor dokumentierten, dass die verringerte CPC Aktivität nicht die Ursache der beobachteten Zytokinesefehler nach GAS2L3 Depletion ist. Immunfluoreszenzexperimente machten deutlich, dass GAS2L3 mit Hilfe des CPC an der Abschnürungszone lokalisiert wird und dass die Lokalisation abhängig von der GAR Domäne erfolgt.
Mit Hilfe von SILAC in Kombination mit Tandem-Affinitätsaufreinigung und anschließender massenspektrometrischer Auswertung wurden neue Proteininteraktoren von GAS2L3 identifiziert. Protein-Protein Interaktionsexperimente bestätigten die massenspektrometrisch ermittelten Daten.
Um die physiologische Funktion von GAS2L3 in vivo näher analysieren zu können, wurden verschiedene Knockout Mauslinien etabliert. Die nicht-konditionelle Mauslinie zeigte erhöhte Sterblichkeit vor dem Absetzalter wahrscheinlich verursacht durch Herzversagen. Die genaue physiologische Funktion von GAS2L3 und der Grund für den beobachteten Herzphänotyp sind momentan noch unbekannt.
KW - Zellzyklus
KW - Zellteilung
KW - Cytoskeleton Chromosomal Passenger Complex Interaction GAR Domain
KW - Regulation
KW - Molekulargenetik
KW - GAS2L3
KW - Chromosomal Passenger Complex
Y1 - 2014
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-103394
ER -
TY - THES
A1 - Hofstetter, Christine
T1 - Inhibition of H3K27me-Specific Demethylase Activity During Murine ES cell Differentiation Induces DNA Damage Response
T1 - Inhibierung der H3K27me-Spezifischen Demethylase Aktivität in Murin Differenzierenden ES Zellen Induziert die DNA Schadensantwort
N2 - Stem cells are defined by their capacity to self-renew and their potential to differentiate into multiple cell lineages. Pluripotent embryonic stem (ES) cells can renew indefinitely while keeping the potential to differentiate into any of the three germ layers (ectoderm, endoderm or mesoderm). For decades, ES cells are in the focus of research because of these unique features. When ES cells differentiate they form spheroid aggregates termed “embryoid bodies” (EBs). These EBs mimic post- implantation embryonic development and therefore facilitate the understanding of developmented mechanisms.
During ES cell differentiation, de-repression or repression of genes accompanies the changes in chromatin structure. In ES cells, several mechanisms are involved in the regulation of the chromatin architecture, including post-translational modifications of histones. Post-translational histone methylation marks became one of the best- investigated epigenetic modifications, and they are essential for maintaining pluripotency. Until the first histone demethylase KDM1A was discovered in 2004 histone modifications were considered to be irreversible. Since then, a great number of histone demethylases have been identified. Their activity is linked to gene regulation as well as to stem cell self-renewal and differentiation.
KDM6A and KDM6B are H3K27me3/2-specific histone demethylases, which are known to play a central role in the regulation of posterior development by regulating HOX gene expression. So far less is known about the molecular function of KDM6A or KDM6B in undifferentiated and differentiating ES cells. In order to completely abrogate KDM6A and KDM6B demethylase activity in undifferentiated and differentiating ES cells, a specific inhibitor (GSK-J4) was employed. Treatment with GSK-J4 had no effect on the viability or proliferation on ES cells. However, in the presence of GSK-J4 ES cell differentiation was completely abrogated with cells arrested in G1-phase and an increased rate of apoptosis. Global transcriptome analyses in early-differentiating ES cells revealed that only a limited set of genes were differentially regulated in response to GSK-J4 treatment with more genes up- regulated than down-regulated. Many of the up-regulated genes are linked to DNA damage response (DDR). In agreement with this, DNA damage was found in EBs incubated with GSK-J4. A co-localization of H3K27me3 or KDM6B with γH2AX foci, marking DNA breaks, could be excluded. However, differentiating Eed knockout (KO) ES cells, which are devoid of the H3K27me3 mark, showed an attenuated GSK-J4- induced DDR. Finally, hematopoietic differentiation in the presence of GSK-J4 resulted in a reduced colony-forming potential. This leads to the conclusion that differentiation in the presence of GSK-J4 is also restricted to hematopoietic differentiation.
In conclusion, my results show that the enzymatic activity of KDM6A and KDM6B is not essential for maintaining the pluripotent state of ES cells. In contrast, the enzymatic activity of both proteins is indispensable for ES cell and hematopoietic differentiation. Additionally KDM6A and KDM6B enzymatic inhibition in differentiating ES cells leads to increased DNA damage with an activated DDR. Therefore, KDM6A and KDM6B are associated with DNA damage and in DDR in differentiating ES cells.
N2 - Stammzellen sind definiert durch ihre Fähigkeit zur Selbsterneuerung und dem Potential in multiple Zellinien zu differenzieren. Pluripotente embryonale Stammzellen (ES Zellen) können sich fortlaufend erneuern und besitzen zudem das Potential, in alle drei Keimblätter (Ektoderm, Endoderm oder Mesoderm) zu differenzieren. Auf Grund dieser einzigartigen Eigenschaften sind ES Zellen seit Jahrzehnten im Focus der Wissenschaft. Wenn ES Zellen differenzieren, sind sie in der Lage, sphäroid-förmige Aggregate zu bilden, welche als embryoide Körperchen (EBs) bezeichnet werden. In EBs finden sich Zellen aller 3 Keimblätter und daher dienen sie als in vitro Modell für frühe embryonale Entwicklung.
Während der ES Zell Differenzierung verändert die De-repression oder Repression von Genen die Struktur des Chromatins. ES Zellen besitzen eine Vielzahl von Mechanismen, die mit der Regulation des Chromatins assoziiert sind, einschließlich post-translationale Modifikationen an Histonen. Post-translationale Histon- methylierung gehören zu den am häufigsten untersuchten epigenetischen Modifikationen und spielen z.B. ein wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der Pluripotenz. Bis zur Entdeckung der ersten Histon-Demethylase KDM1A im Jahre 2004 glaubte man, dass Modifikationen an Histonen irreversible sind. Bislang wurden jedoch eine Vielzahl an Histon-Demethylasen identifiziert, welche mit der Genregulation, sowie der Selbsterneuerung und Differenzierung von Stammzelle in Verbindung gebracht werden konnten.
KDM6A und KDM6B sind H3K27me3/2-spezifische Histon-Demethylasen, welche bei der posterioren Entwicklung durch Regulation der Hox Gene eine wichtige Rolle spielen. Bislang ist über die molekulare Funktion von KDM6A und KDM6B in nicht differenzierten und differenzierenden ES Zellen wenig bekannt. Um die KDM6A und KDM6B Demethylase Aktivität in nicht differenzierten und differenzierenden ES Zellen außer Kraft zu setzten kam ein spezifischer Inhibitor (GSK-J4) zum Einsatz. Die Behandlung mit GSK-J4 zeigte keine Auswirkungen auf die Viabilität oder Proliferation von nicht differenzierten ES Zellen. Jedoch war die Differenzierung von
ES Zellen in Gegenwart von GSK-J4 inhibiert und zeigte einen erhöhten G1-Phase Arrest sowie eine erhöhte Rate an apoptotischen Zellen. Eine globale Transkriptionsanalyse in frühen differenzierenden ES Zellen, in Gegenwart von GSK- J4 zeigte, dass lediglich eine relativ geringe Zahl von Genen differenziell reguliert war. Dabei waren mehr Gene hochreguliert als herunterreguliert. Viele der hochregulierten Gene konnten mit der DNA Schadensantwort in Verbindung gebracht werden. In Übereinstimmung damit konnte in Gegenwart von GSK-J4 in differenzierenden ES Zellen DNA Schaden nachgewiesen werden. Eine Kolokalisation von H3K27me3 oder KDM6B mit γH2AX markierten Foci, welche DNA Schaden markieren, konnte nicht nachgewiesen werden. Nichts desto trotz zeigten GSK-J4 behandelte, differenzierende Eed KO ES Zellen, welche keine H3K27me3 Modifikation besitzen, eine abgemilderte DNA Schadensantwort. In Anwesenheit von GSK-J4 konnte während der hämatopoetischen Differenzierung eine reduzierte Kolonie-Bildung beobachtet werden. Daraus lässt sich schließen, dass in Anwesenheit von GSK-J4 ebenfalls auch die hämatopoetische Differenzierung inhibiert wird.
Zusammenfassend zeigen meine Ergebnisse, dass die enzymatische Aktivität von KDM6A und KDM6B für die Aufrechterhaltung des pluripotenten Zustands nicht essenziell ist. Im Gegensatz dazu ist die enzymatische Aktivität von beiden Proteinen unabdingbar für die ES Zell sowie die hämatopoetische Differenzierung. Die enzymatische Inhibierung von KDM6A und KDM6B führt während der Differenzierung zu einem erhöhten DNA Schaden, wodurch die DNA Schadensantwort aktiviert wird. Somit sind KDM6A und KDM6B mit DNA Schaden und der DNA Schadensantwort assoziiert.
KW - Embryonale Stammzelle
KW - Epigenetic
KW - Maus
KW - Histone
KW - Demethylierung
KW - DNS-Schädigung
KW - Epigenetik
Y1 - 2014
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-107023
ER -
TY - THES
A1 - Wende, Beate
T1 - Diversity of saproxylic beetles and host tree specialisation in differently managed forests across Germany
T1 - Artenvielfalt und Wirtsbaumartenspezialiserung totholzbewohnender Käfer in verschiedenen Wäldern Deutschlands
N2 - Chapter I
The gradual turnover of dead organic material into mineral nutrients is a key ecological function, linking decomposition and primary production, the essential parts of the nutrient-energy cycle. However, disturbances in terms of species or resource losses might impair the equilibrium between production and decomposition. Humanity has converted large proportions of natural landscapes and intensified land-use activity for food production. Globally, only very few areas are totally unaffected by human activity today.
To ensure the maintenance of both essential ecosystem services, knowledge about the interplay of biodiversity and ecosystem functioning as well as effects of intensified management on both is crucial. The vast majority of terrestrial biomass production as well as decomposition take place in forest ecosystems. Though forestry has a long sustainable history in Europe, its intensification during the last century has caused severe impacts on forest features and, consequently, on the associated biota, especially deadwood dependent organisms. Among these, saproxylic beetles are the most diverse group in terms of species numbers and functional diversity, but also most endangered due to habitat loss. These features classify them as ideal research organisms to study effects of intensified forestry on ecosystem services. The BELONGDEAD project located in Germany aimed to investigate deadwood decay and functional consequences of diversity changes in the associated fauna on the decomposition process from the initialisation of deadwood decay to complete degradation.
As part of the BeLongDead project, this dissertation focussed on saproxylic beetle species, thereby evaluating (1) regionally effects of tree species identity of fresh deadwood and (2) forest management of varying intensities on the diversity, abundance and community composition of saproxylic beetles (chapter II); (3) the specialisation degree of different trophic guilds of saproxylic beetles, and thus the stability and robustness of their interaction networks against disturbances (chapter III); (4) the impact of environmental features of local to regional spatial scales on species richness of saproxylic beetles differing in their habitat niche in terms of deadwood decay stages (chapter IV).
Chapter II
The vast majority of European forest ecosystems have been anthropogenically affected, leaving less than 1% of the about 1 milliard hectare as natural forests. A long history of forestry and especially the technological progress during the last century have caused massive habitat fragmentation as well as substantial loss of essential resources in European forest ecosystems. Due to this, the substrate-dependent group of saproxylic beetles has experienced severe species losses. Thus, investigations concerning saproxylic diversity and deadwood volume were badly needed. However, the importance of different deadwood in terms of tree species identity for the colonization by saproxylic beetles under different local and regional management regimes is poorly understood. Therefore, we studied possible regional differences in colonization patterns of saproxylic beetle species in a total of 688 fresh deadwood logs of 13 tree species in 9 sites of managed conifer and beech forests, and unmanaged beech forests, respectively. We found that tree species identity was an important driver in determining saproxylic species composition and abundance within fresh deadwood. However, saproxylic species showed different colonization patterns of deadwood items of the same tree species among the study regions. Regionally consistent, conifer forests were most diverse. We attribute the latter result to the historically adaption of saproxylic beetle species to semi-open forests, which conditions are actually best reflected by conifer forests. To preserve a diverse local species pool of early successional saproxylic beetles, we suggest an equal high degree of deadwood diversity in a tree species context in due consideration of regional differences.
Chapter III
The extinction risk of a particular species corresponds with its species-specific requirements on resources and habitat conditions, in other words with the width of the species` ecological niche. Species with a narrow ecological niche are defined as specialists. Members of this group experience higher extinction risk by resource limitation than generalists, which are able to utilize a variety of resources. For the classification of species as specialists or generalists, thus evaluating possible extinction risks, ecologists use the concept of interaction networks. This method has often been applied for mutualistic or antagonistic plant-animal interactions, but information for networks of detritivores is scarce. Therefore, saproxylic beetle species sampled as described in chapter II were categorised according to their larval diet; additionally their interaction networks (N=108) with 13 dead host tree species were analysed. Specialisation degree was highest for wood-digesting beetles and decreased with increasing trophic level. Also the network indices evaluating robustness and generality indicated a higher susceptibility to species extinctions for xylophagous than for mycetophagous and predatory beetles. The specialisation of xylophagous species on specific tree species might be an adaption to tree species specific ingredients stored for defence against pathogens and pests. However, we conclude that the high specialisation degree of xylophages and thus their higher extinction risk by resource loss harbours certain dangers for ecosystem function and stability as species diversity is positively linked to both.
Chapter IV
Populations depend on individual emigration and immigration events to ensure genetic exchange. For successful migration it is of utmost importance that spatially separated populations are obtainable by specimen. Migratory success depends on the one hand on the species dispersal abilities and on the other on the availability of suitable habitats in the surrounding landscape in which the distinct host populations exist. However, consequences of intensive forest management correspond not only to severe reduction of local deadwood amount, but, among others, also a change in tree species composition and high levels of fragmentation in the surrounding forest area. Saproxylic beetle species differ in their dispersal behaviour according to the temporal availability of their preferred habitat. Generally, early successional saproxylic beetles are able to disperse over large distances, whereas beetles inhabiting advanced decayed wood often remain close to their larval habitat. Due to this, environmental factors might affect saproxylic beetle guilds differently. We classified the saproxylic beetles sampled as described in chapter II according to their calculated habitat niche as early, intermediate or late successional saproxylic beetles. For the different guilds the effects of 14 environmental factors on different spatial scales (stand factors at 0.1 km radius, landscape composition at 2 km radius, and regionally differing abiotic factors in 400 km to 700 km distance) were investigated. Consistently for all guilds, species richness decreased with fragmentation at local and landscape scale, and increased in warmer climate. However, we found contradictory results between the guilds to some extent. We relate this to guild specific habitat requirements of the saproxylic beetles. Therefore, for the development of appropriate conservation practices guild-specific requirements saproxylic beetles have to be considered not only locally but on larger spatial scales.
Chapter V
In conclusion, this dissertation identified main drivers of early successional saproxylic beetle species richness on various spatial scales. Our results emphasize the importance to develop management schemes meeting species-specific and guild-specific habitat requirements of the saproxylic beetle fauna at relevant spatial and temporal scales. Therefore, short-term actions suggested for sustainable forest management should be the focus on a diverse tree species composition consisting of indigenous tree species with respect to regional differences. Moreover, senescent trees, fallen and standing deadwood should remain in the forests, and some tree individuals should be allowed to grow old. Long-term actions should involve the reduction of forest fragmentation and the connection of spatial widely separated forest fragments. Furthermore, to fully understand the effects of forest management long-term research should be conducted to compare habitat requirements of intermediate and late successional beetles with the results presented in this dissertation.
N2 - Kapitel I
Die Mineralisierung von toter organischer Materie nimmt eine Schlüsselfunktion innerhalb eines Ökosystems ein, da sie die beiden essentiellen Komponenten des Energie-Nährstoff-Zyklus - Zersetzung und Primärproduktion - miteinander verbindet. Anthropogen bedingte Störungen wie z.B. Arten-, oder Ressourcenverluste können jedoch das Gleichgewicht zwischen den beiden wichtigen Ökosystemdienstleistungen Produktion und Abbau aus der Balance bringen.
Um die Nahrungsversorgung der Menschheit zu gewährleisten, wurde bereits ein großer Teil der Natur in Agrarflächen umgewandelt und die Produktion durch intensive Bewirtschaftungsformen gesteigert. Weltweit gibt es nur noch wenige Gebiete ohne menschliche Beeinflussung. Um dauerhaft essentielle Ökosystemdienstleistungen zu gewährleisten, sind Kenntnisse über die Auswirkungen von intensiver Bewirtschaftung auf das Zusammenspiel zwischen Artenvielfalt und Ökosystemfunktionen unabdingbar.
Der größte Teil der terrestrischen Biomasseproduktion wird von Wäldern geleistet. Obwohl die Waldbewirtschaftung in Europa lange Zeit nachhaltig war, wirkte sich deren Intensivierung während des letzten Jahrhunderts massiv auf die Waldstruktur und die damit assoziierte Fauna aus. Besonders betroffen sind die obligatorisch an Totholz gebundenen Organismen. Innerhalb der Totholzfauna sind xylobionte Käfer eine artenreiche und funktional hoch diverse Gruppe, doch aufgrund von Lebensraumverlusten sind viele Arten stark bedroht. All diese Eigenschaften klassifizieren Totholzkäfer zu idealen Forschungsobjekten, um die Auswirkungen von intensiver Waldbewirtschaftung auf Ökosystemfunktionen zu untersuchen.
Das BELONGDEAD-Projekt hat als Ziel, die funktionalen Auswirkungen von Veränderungen in der Artengemeinschaft auf die Abbauraten von Totholz zu analysieren. Der Untersuchungszeitraum des in Deutschland beheimateten Projekts umfasst die Initialisierung des Zersetzungsprozesses bis zum vollständigen Abbau von experimentell ausgelegten Totholzstämmen unterschiedlicher Baumarten. Als Teil des BELONGDEAD-Projekts lag der Fokus der vorliegenden Dissertation auf der Totholzkäferfauna. Wir untersuchten (1) regionale Effekte der Baumartenzugehörigkeit von frischem Totholz und (2) die Auswirkungen von Waldbewirtschaftung unterschiedlicher Intensität auf die Artenvielfalt, Abundanz und Struktur der Artengemeinschaften von totholzbewohnenden Käfern (Kapitel II); (3) den Spezialisierungsgrad verschiedener trophischer Gilden von Totholzkäfern, sowie die Stabilität und Robustheit ihrer jeweiligen Netzwerke gegen Störungen (Kapitel III); (4) den Einfluss von Umweltfaktoren auf die Artenvielfalt xylobionter Käfergilden auf mehreren räumlichen Skalen.
Kapitel II
Der Großteil der europäischen Wälder ist anthropogen beeinflusst. In Europa bilden Naturwälder weniger als 1% der gesamten Waldfläche von ca. 1 Mrd. Hektar. Traditionelle Waldbewirtschaftung und vor allem der technologische Fortschritt des letzten Jahrhunderts fragmentierten die Waldfläche in hohem Maß, und verursachten beträchtliche Verluste an lebensnotwendigen Ressourcen. Besonders innerhalb der obligatorisch an Totholz gebundenen Gruppe der xylobionten Käfer verzeichnete man einen rasanten Artenrückgang. Daher gab es einen großen Bedarf an Studien, die Untersuchungen zur Mindestmenge an lokal vorhandenem Totholz zur Sicherung der xylobionten Artenvielfalt durchführten. Wenig beachtet wurde bisher jedoch die Bedeutung der Baumartenzugehörigkeit von Totholz für die Besiedlung durch xylobionter Käfer in verschiedenen Waldbewirtschaftungssystemen auf lokaler und regionaler Ebene. Wir untersuchten daher mögliche Unterschiede zwischen 3 Regionen im Besiedlungsmuster xylobionter Käfer bei insgesamt 651 experimentell ausgelegten Baumstämmen in einem frühen Sukzessionsstadium von 13 Baumarten auf jeweils 9 Untersuchungsflächen in bewirtschafteten Buchen- und Nadelwäldern, sowie in unbewirtschafteten Buchenwäldern. Bei den ausgelegten Totholzstämmen war die Baumartenzugehörigkeit ausschlaggebend für die Struktur der Artengemeinschaften und Abundanzen xylobionter Käfer. Aufgrund der unterschiedlichen regionalen Artenpools divergierten die Besiedlungsmuster xylobionter Käferarten von Totholz der gleichen Baumart in den verschiedenen Regionen stark voneinander. In allen Regionen zeigten die Totholzkäfer in Nadelwäldern die höchste Artenvielfalt. Dieses Ergebnis lässt sich auf die - historisch bedingte - Anpassung der Totholzkäferfauna an eine halboffene Waldstruktur zurückführen, die derzeit am besten durch Nadelwälder widergespiegelt wird. Um eine diverse lokale Artengemeinschaft xylobionter Käfer zu gewährleisten ist eine große
Variabilität vom baumartspezifischen Totholz unabdingbar, wobei regionale Unterschiede in Betracht gezogen werden müssen.
Kapitel III
Das Aussterberisiko einer Art ist abhängig von den artspezifischen Ansprüchen an ihre Umwelt und den dort vorkommenden Ressourcen –auch definiert als die ökologische Nische der betrachteten Art. Arten mit geringer Nischenbreite sind per definitionem Spezialisten. Mitglieder dieser Gruppe stehen durch Verarmung ihres Ressourcenangebots unter einem höheren Aussterberisiko als Generalisten, die eine größere Variabilität in ihrem Ressourcenspektrum aufweisen. Interaktionsnetzwerke dienen in der Ökologie als wichtiges Werkzeug um das Aussterberisiko spezifischer Arten zu bewerten und eine Einteilung hinsichtlich Spezialist oder Generalist vorzunehmen. Bei mutualistischen oder antagonistischen Tier-Pflanzen-Interaktionen ist diese Methode etabliert, doch für die Gruppe der Zersetzer ist das Netzwerk-Konzept bisher nur sporadisch angewandt worden. Daher teilten wir die xylobionten Käferarten, die im Rahmen des in Kapitel II beschriebenen Experiments gesammelt wurden, anhand ihres larvalen Ernährungstyps in drei trophische Gilden (Xylophage, Mycetophage und Räuber) ein; anschließend wurden ihre Interaktionsnetzwerke (N= 108) mit den 13 Wirtsbaumarten analysiert. Rein xylophage Arten wiesen den höchsten Spezialisierungsgrad auf, der mit zunehmendem trophischem Grad geringer wurde. Die Netzwerkparameter Robustheit und Generalität ließen ebenfalls auf eine höhere Anfälligkeit für Artenverluste bei xylophagen als bei mycetophagen oder räuberischen Arten schließen. Die Spezialisierung xylophager Arten auf spezifische Baumarten ist möglicherweise eine Adaption an artenspezifische sekundäre Inhaltsstoffe, die als Schutz vor Schädlingen und Krankheitserregern in Holz und Rinde gespeichert werden. Der hohe Spezialisierungsgrad xylophager Käfer bedingt ein höheres Aussterberisiko bei Ressourcenverlust. Dies würde die Stabilität des Ökosystems und dessen Ökosystemfunktionen nachhaltig schwächen da eine hohe Artenvielfalt Garant für ein funktionierendes Ökosystem ist.
Kapitel IV
Individuelle Immigrations- und Emigrationsereignisse sind für die Sicherstellung des genetischen Austauschs zwischen Populationen essentiell. Daher ist von größter Wichtigkeit, dass die räumliche Distanz zwischen Populationen von den zu- oder abwandernden Individuen überwunden werden kann. Der Migrationserfolg ist dabei zum einen von der artspezifischen Ausbreitungsfähigkeit, und zum anderen von der Verfügbarkeit an geeigneten Habitaten in der Umgebung der Populationen abhängig. Die Folgen intensiver Waldbewirtschaftung sind jedoch nicht nur ein drastische Verminderung des lokalen Totholzvolumens, sondern unter anderem auch die Veränderung der Baumartengesellschaften, sowie hochgradige Fragmentierung der Waldflächen und der umgebenden Landschaft. Xylobionte Käferarten unterscheiden sich in ihrem Ausbreitungsverhalten hinsichtlich der zeitlichen Verfügbarkeit ihres bevorzugten Habitats. Im Allgemeinen können Besiedler früher Sukzessionsstadien weite Strecken überwinden, wohingegen Bewohner von Alttotholzstrukturen meist nahe ihrem Ursprungshabitat verbleiben. Dies legt die Vermutung nahe, dass Umweltparameter verschieden auf unterschiedliche Habitatgilden einwirken. Um diese Vermutung zu überprüfen, wurde für die gesammelten xylobionten Käferarten ihre jeweilige Habitatnische berechnet. Wir klassifizierten die Arten als Besiedler von entweder frühen, mittleren oder alten Totholzstrukturen. Für jede Gilde wurde der Einfluss von 14 Umweltparametern auf verschiedenen räumlichen Skalen - Standortfaktoren der Untersuchungsfläche (Radius: 100 m), Landschaftsparameter im Umkreis von 2 km der Untersuchungsfläche, sowie regionenspezifische abiotische Faktoren (Distanz zwischen den Regionen: 400 – 700 km) - untersucht. Bei starker lokaler und landschaftlicher Fragmentierung nahmen die Artenzahlen in den xylobionten Gilden ab, während sich höhere Jahresdurchschnittstemperatur positiv auf die Artenvielfalt auswirkte. Jedoch gab es hatten nicht alle Umweltfaktoren den gleichen Effekt auf die Gilden. Wir führen dies auf die unterschiedlichen Habitatansprüche der xylobionten Gilden zurück. Um adäquate Schutzmaßnahmen für Totholzkäfer zu entwickeln, müssen die spezifischen Habitatansprüche der verschiedenen xylobionten Gilden, nicht nur auf lokaler, sondern auch auf größeren räumlichen Ebenen in die Planungen miteinbezogen werden.
Kapitel V
In der vorliegenden Dissertation konnte ich wichtige Triebfedern der Artenvielfalt xylobionter Käfer identifizieren. Unsere Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit der Entwicklung von nachhaltigen Waldbewirtschaftungskonzepten, die den art- und gildenspezifischen Anforderungen xylobionter Käfer an den Lebensraum auf den relevanten räumlichen und zeitlichen Skalen gerecht werden.
Kurzfristige Maßnahmepläne für eine nachhaltige Forstwirtschaft sollte die Förderung von Mischwäldern mit einer vielfältigen Baumartengemeinschaft mit standortgemäßen einheimischen Hölzern unter Berücksichtigung regionaler Besonderheiten beinhalten. Alte Bäume, sowie liegendes und stehendes Totholz sollten im Wald verbleiben und einzelne Bäume aus der Nutzung genommen werden um die Strukturen altgewachsener Bäume langfristig zu gewährleisten. Langfristige Ziele sind die Verringerung der Waldfragmentierung und das Anlegen von Biotopverbundsystemen, um weit auseinanderliegende Waldflächen wieder miteinander zu verbinden. Um die Auswirkungen kommerzieller Forstwirtschaft im vollen Umfang zu erfassen, sind Langzeitstudien notwendig die die Habitatansprüche xylobionter Käfer aus mittleren und alten Totholzsukzessionsstadien mit den Ergebnissen der vorliegenden Dissertation vergleichen.
KW - Saproxylophage
KW - Käfer
KW - Ökosystem
KW - Saproxylic beetles
KW - temperate forests
KW - Deutschland
KW - Wald
KW - saproxylic Coleoptera
KW - Forest management
KW - Diversity
Y1 - 2014
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-107049
ER -
TY - THES
A1 - Schwarze, Simone
T1 - Untersuchung von Faltungs- und Funktionsdynamik isolierter Proteindomänen mittels Fluoreszenzlöschung
T1 - Investigation of folding and function dynamics of isolated Protein Domains using fluorescence quenching
N2 - Proteine bestehen aus einer spezifischen Sequenz verschiedener Aminosäuren, die ihre charakteristische Funktion bestimmt. Die große Variabilität an Aminosäuresequenzen ermöglichte die Evolution einer nahezu unbegrenzten Anzahl an Proteinen. Meistens nehmen diese Schlüsselpositionen ein, von robusten Baustoffen bis hin zu molekularen Maschinen. Daher kann eine Fehlfunktion gravierende Auswirkungen auf das Leben haben, z.B. Krankheiten wie Alzheimer oder Epilepsi. Um die Funktionen und Fehlfunktionen zu verstehen, ist eine umfassende Kenntnis der Proteinfaltung, der Protein-Protein Assoziation, sowie den Dynamiken innerhalb von Proteinen erforderlich. Diese Vorgänge wurden in dieser Arbeit an drei isolierten Proteindomänen durch die Anwendung der Fluoreszenzlöschmechanismen der H-Dimerbildung und des photoinduzierten Elektronentransfers untersucht.
Der entfaltete Zustand der Bindungsdomäne BBL, das Teil des 2-oxo-acid Dehydrogenasekomplexes ist, wurde unter physiologischen Bedingungen mit Zirkulardichroismus (CD) und einer Kombination aus photoinduziertem Elektronentransfer und Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie analysiert. Beide Methoden zeigten übereinstimmend anhand von 20 in BBL einzeln eingefügten konservativen Punktmutationen, dass Seitenketteninteraktionen keine Auswirkungen auf die Sekundärstruktur des denaturierten Zustandes, den Ausgangspunkt der Faltung, haben. Mit Hilfe der Dekonvolation der CD-Spektren wurde zudem gezeigt, dass die Reststruktur im denaturierten Zustand der helikalen Proteindomäne von β-Strängen und β-Kehren dominiert wird, die eine entscheidende Funktion bei der Faltung in den nativen Zustand haben könnten.
Die N-terminale Domäne (NTD), der für die Materialforschung hochinteressanten Spinnen-seidenfaser, ist für die Polymerisation des Spinnenseidenfadens auf den pH-Wechsel von pH 7 auf pH 6 hin verantwortlich. Dieser für die Proteinfunktion wichtige Prozess wurde durch die Einbringung eines extrinsischen Fluoreszenzschalters, basierend auf der H-Dimerbildung, mit der Stopped-Flow-Technik untersucht. Es wurde gezeigt, dass die NTDs
104
mit einer Rate von 3 x 10^8 M-1 s-1 assoziieren und somit nahezu das Geschwindigkeitslimit der Protein-Protein Assoziation erreicht wird. Zwei geladenen Seitenketten, der D39 und D40, kommt eine entscheidende Funktion in dem Prozess zu, da eine Mutation dieser die Assoziation verhindert. Des Weiteren wurde gezeigt, dass sich die NTD auf eine Erhöhung der Ionenstärke entgegengesetzt zu anderen Proteinen verhält: die Dissoziation wird beschleunigt, die Assoziation nicht beeinflusst. Gleiches Verhalten wurde auf den einzelnen Austausch der übrigen protonierbaren Aminosäureseitenketten hin beobachtet, ausgenommen die Mutation der E119, welche die Dissoziation verlangsamt. Daher scheint der makromolekulare Dipol, der auf Grund der Ladungsverteilung in der NTD entsteht, die Assoziation maßgeblich zu beeinflussen.
Glutamatrezeptoren sind an der schnellen synaptischen Signalweiterleitung im Nervensys-tem von Vertebraten beteiligt. Die Konformationen der Ligandenbindungsdomäne (LBD) haben dabei entscheidende Auswirkungen auf die Funktion des Gesamtrezeptors. Diese wurden mit einer Kombination aus photoinduziertem Elektronentransfer und Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie untersucht. Mit dieser Methode wurde ein dynamisches Bild der gebundenen sowie ungebundenen Form der AMPA-spezifischen Glutamatrezeptor 2-LBD gezeigt. Es wurde zudem gezeigt, dass sich die Dynamiken in Abhängigkeit der Bindung von den Agonisten Glutamat und AMPA, dem partiellen Agonisten Kainate oder Cyclothiazid (CTZ), welches eine Dimerisierung der LBDs bewirkt, unterschiedlich verändern. Dies könnte eine Auswirkung auf die Funktion der Rezeptoren haben.
Die Anwendung der Fluoreszenzlöschmechanismen der H-Dimerbildung und des photoinduzierten Elektronentransfers in dieser Arbeit hat gezeigt, dass diese die Möglichkeit bieten, unterschiedlichste Fragestellungen zu beantworten und so Einblicke in dynamische Funktionsweisen von Proteinen eröffnen. Kombiniert mit etablierten Fluoreszenzmethoden ist es so möglich quantitativ Kinetiken auf unterschiedlichen Zeitskalen zu untersuchen.
N2 - Proteins are composed of a specific sequence of variable amino acids that specify their specific function. The vast variability of possible amino acid sequences allowed for the evolution of a nearly infinite number of different proteins. Mostly these will have key positions, reaching from strong building material to molecular machines. Therefore a malfunction will have an immense effect on life, i.e. diseases like Alzheimer disease or epilepsy. In order to understand the function and malfunction an intense understanding of the protein folding, the protein-protein association, as well as the protein dynamics is essential. These processes have been investigated in this thesis with three isolated protein domains by the application of the fluorescence quenching mechanisms of the H-dimer-formation and by the photoinduced electron transfer.
The unfolded state of the binding domain BBL, which is part of the 2-oxo-acid-dehydrogenase-complex, was analysed under physiological conditions by circular dichroism (CD), and a combination of photoinduced electron transfer and fluorescence correlation spectroscopy. Both methods showed accordingly, using 20 singly implanted conservative point mutations in BBL, that side-chain interactions have no effect on the secondary struc-ture of the denatured condition, the initial state of the folding. Using deconvolution on the CD spectra it was shown in addition, that the remaining structure of the helical protein domain in the denatured state is dominated by β-strands and β-turns. These may have a decisive function during the folding in the native state.
The N-terminal domain of the spider silk fibre, which is of high interest for the material research, is responsible for the polymerisation of the spider silk fibre during the pH-change from pH 7 to pH 6. This important process for the protein function was investigated with the Stopped-Flow technique by the application of an extrinsic fluorescence switch, based on the H-dimer formation. It was shown, that NTDs associate with a rate of 3 x 10^8 M-1 s-1, and so nearly reach the speed limit of the protein-protein association. In this process two charged side chains, the D39 and D40, have a decisive function, as a mutation of these will
106
avoid the association. Furthermore it was shown, that the NTD will react in opposition to other proteins on the increase of the ionic strength: the dissociation will be speeded up, and the association is not influenced. The identical behaviour was observed with the single ex-change of the other protonable amino acid side chains, except for the mutation of E119, which retards dissociation. Therefore the macromolecular dipol, that is formed by the charge distribution of the NTD, is obviously influencing the association.
Glutamate receptors participate in the fast synaptic signal transfer in vertebrates. Here dif-ferent conformations of the ligand binding domain (LBD) have decisive effects on the function of the entire receptor. These have been investigated with a combination of photoin-duced electron transfer and fluorescence correlation spectroscopy. Using this method a dynamic behaviour of the bound and unbound form of the AMPA specific glutamate receptor 2 LBD was shown. Furthermore it was shown, that the dynamics will change differently in dependence of the binding of the agonist glutamate and AMPA, the partial agonist kainate or Cyclothiazide (CTZ), which effects a dimerization of the LBDs. This may have an effect on the function of the receptors.
The use of the fluorescence quenching mechanisms of the H-dimer formation and the pho-toinduced electron transfer in this thesis has shown, that these offer the opportunity to an-swer a large range of questions and open a view to the dynamic functionality of proteins. Combined with established fluorescence methods it is possible to quantitatively investigate kinetic rates at different time scales.
KW - Protein-Protein-Wechselwirkung
KW - Fluoreszenzlöschung
KW - Domäne
KW - Proteindynamiken
KW - H-Dimerbildung
KW - Photoinduzierter Elektronentransfer
KW - Spinnenseide
KW - Glutamatrezeptor
KW - BBL
KW - protein dynamics
KW - fluorescence quenching
KW - Proteindomänen
Y1 - 2014
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-107080
ER -
TY - THES
A1 - Schulze, Katja
T1 - Automatisierte Klassifizierung und Viabilitätsanalyse von Phytoplankton
T1 - Automated classification and viability analysis for phytoplankton
N2 - Zentrales Ziel dieser Arbeit war es, Methoden der Mikroskopie, Bildverarbeitung und Bilderkennung für die Charakterisierungen verschiedener Phyotplankter zu nutzen, um deren Analyse zu verbessern und zu vereinfachen.
Der erste Schwerpunkt der Arbeit lag auf der Analyse von Phytoplanktongemeinschaften, die im Rahmen der Überprüfung der Süßwasserqualität als Marker dienen. Die konventionelle Analyse ist dabei sehr aufwendig, da diese noch immer vollständig von Hand durchgeführt wird und hierfür speziell ausgebildetes Personal eingesetzt werden muss. Ziel war es, ein System zur automatischen Erkennung aufzubauen, um die Analyse vereinfachen zu können. Mit Hilfe von automatischer Mikroskopie war es möglich Plankter unterschiedlicher Ausdehnung durch die Integration mehrerer Schärfeebenen besser in einem Bild aufzunehmen. Weiterhin wurden verschiedene Fluoreszenzeigenschaften in die Analyse integriert. Mit einem für ImageJ erstellten Plugin können Organismen vom Hintergrund der Aufnahmen abgetrennt und eine Vielzahl von Merkmalen berechnet werden. Über das Training von neuralen Netzen wird die Unterscheidung von verschieden Gruppen von Planktontaxa möglich. Zudem können weitere Taxa einfach in die Analyse integriert und die Erkennung erweitert werden. Die erste Analyse von Mischproben, bestehend aus 10 verschiedenen Taxa, zeigte dabei eine durchschnittliche Erkennungsrate von 94.7% und eine durchschnittliche Falsch-Positiv Rate von 5.5%. Im Vergleich mit bestehenden Systemen konnte die Erkennungsrate verbessert und die Falsch Positiv Rate deutlich gesenkt werde. Bei einer Erweiterung des Datensatzes auf 22 Taxa wurde darauf geachtet, Arten zu verwenden, die verschiedene Stadien in ihrem Wachstum durchlaufen oder höhere Ähnlichkeiten zu den bereits vorhandenen Arten aufweisen, um evtl. Schwachstellen des Systemes erkennen zu können. Hier ergab sich eine gute Erkennungsrate (86.8%), bei der der Ausschluss von nicht-planktonischen Partikeln (11.9%) weiterhin verbessert war. Der Vergleich mit weiteren Klassifikationsverfahren zeigte, dass neuronale Netze anderen Verfahren bei dieser Problemstellung überlegen sind. Ähnlich gute Klassifikationsraten konnten durch Support Vektor Maschinen erzielt werden. Allerdings waren diese bei der Unterscheidung von unbekannten Partikeln dem neuralen Netz deutlich unterlegen.
Der zweite Abschnitt stellt die Entwicklung einer einfachen Methode zur Viabilitätsanalyse von Cyanobakterien, bei der keine weitere Behandlung der Proben notwendig ist, dar. Dabei wird die rote Chlorophyll - Autofluoreszenz als Marker für lebende Zellen und eine grüne unspezifische Fluoreszenz als Marker für tote Zellen genutzt. Der Assay wurde mit dem Modellorganismus Synechocystis sp. PCC 6803 etabliert und validiert. Die Auswahl eines geeigeneten Filtersets ermöglicht es beide Signale gleichzeitig anzuregen und zu beobachten und somit direkt zwischen lebendenden und toten Zellen zu unterscheiden. Die Ergebnisse zur Etablierung des Assays konnten durch Ausplattieren, Chlorophyllbestimmung und Bestimmung des Absorbtionsspektrums bestätigt werden. Durch den Einsatz von automatisierter Mikroskopie und einem neu erstellten ImageJ Plugin wurde eine sehr genaue und schnelle Analyse der Proben möglich. Der Einsatz beim Monitoring einer mutagenisierten Kultur zur Erhöhung der Temperaturtoleranz ermöglichte genaue und zeitnahe Einblicke in den Zustand der Kultur. Weitere Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Kombination mit Absorptionsspektren es ermöglichen können bessere Einblicke in die Vitalität der Kultur zu erhalten.
N2 - Central goal of this work was to improve and simplify the characterization of different phytoplankter by the use of automated microscopy, image processing and image analysis.
The first part of the work dealt with the analysis of pytoplankton communities, which are used as a marker for the determination of fresh water quality. The current routine analysis, is very time consuming and expensive, as it is carried out manually by trained personnel. Thus the goal of this work was to develop a system for automating the analysis. With the use of automated microscopy different focal planes could be integrated into one image, which made it possible to image plankter of different focus levels simultaneously. Additionally it allowed the integration of different fluorescence characteristics into the analysis. An image processing routine, developed in ImageJ, allows the segmentation of organisms from the image background and the calculation of a large range of features. Neural networks are then used for the classification of previously defined groups of plankton taxa. The program allows easy integration of additional taxa and expansion of the recognition targets. The analysis of samples containing 10 different taxa showed an average recognition rate of 94.7% and an average error rate of 5.5%. The obtained recognition rate was better than those of existing systems and the exclusion of non-plankton particles could be greatly improved. After extending the data set to 22 different classes of (more demanding) taxa a still good recognition (86.9 %) and still improved error rate (11.9 %) were obtained. This extended set was specifically selected in order to target potential weaknesses of the system. It contained mainly taxa that showed strong similarities to each other or taxa that go through various different morphological stages during their growth. The obtained recognition rates were comparable or better than those of existing systems and the exclusion of non-plankton particles could be greatly improved. A comparison of different classification methods showed, that neural networks are superior to all other investigated methods when used for this specific task. While similar recognition rates could be achieved with the use of support vector machines they were vastly inferior for the differentiation of unknown particles.
The second part focused on the development of a simple live - dead assay for unicellular cyanobacteria without the need of sample preparation. The assay uses red chlorophyll fluorescence, corresponding to viable cells, and an unspecific green autofluorescence, that can only be observed in non viable cells. The assay was established and validated for the model organism Synechocystis sp. PCC 6803. With the selection of a suitable filter-set both signals could be excited and observed simultaneously, allowing a direct classification of viable and non-viable cells. The results were confirmed by plating/colony count, absorption spectra and chlorophyll measurements. The use of an automated fluorescence microscope and an ImageJ based image analysis plugin allows a very precise and fast analysis. The monitoring of a random mutagenized culture undergoing selection for improved temperature tolerance allowed an accurate and prompt insight into the condition of the culture. Further results indicate that a combination of the new assay with absorption spectra or chlorophyll concentration measurements allows the estimation of the vitality of cells.
KW - Bilderkennnung
KW - Bioinformatik
KW - Phytoplankton
KW - Bilderkennung
KW - Phytoplankton
KW - Viabilität
KW - Mikroskopie
KW - Bioinformatik
Y1 - 2014
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-107174
ER -
TY - JOUR
A1 - Meuche, Ivonne
A1 - Brusa, Oscar
A1 - Linsenmair, K. Eduard
A1 - Keller, Alexander
A1 - Pröhl, Heike
T1 - Only distance matters - non-choosy females in a poison frog population
JF - Frontiers in Zoology
N2 - Background: Females have often been shown to exhibit preferences for certain male traits. However, little is known about behavioural rules females use when searching for mates in their natural habitat. We investigated mate sampling tactics and related costs in the territorial strawberry poison frog (Oophaga pumilio) possessing a lek-like mating system, where both sequential and simultaneous sampling might occur. We continuously monitored the sampling pattern and behaviour of females during the complete period between two successive matings.
Results: We found no evidence that females compared males by visiting them. Instead females mated with the closest calling male irrespective of his acoustic and physical traits, and territory size. Playback experiments in the natural home ranges of receptive females revealed that tested females preferred the nearest speaker and did not discriminate between low and high call rates or dominant frequencies.
Conclusions: Our results suggest that females of O. pumilio prefer the closest calling male in the studied population. We hypothesize that the sampling tactic in this population is affected by 1) a strongly female biased sex ratio and 2) a low variance in traits of available males due to strong male-male competition, preventing low quality males from defending a territory and mating.
KW - operational sex ratio
KW - sequential mate choice
KW - gray tree frogs
KW - treefrogs hyla-gratiosa
KW - male mating success
KW - Bocas-del-Toro
KW - dendrobates pumilio
KW - oophaga pumilio
KW - pied flycatchers
KW - sampling behavior
Y1 - 2013
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-122617
SN - 1742-9994
VL - 10
IS - 29
ER -
TY - JOUR
A1 - Chen, Yi-chun
A1 - Gerber, Bertram
T1 - Generalization and discrimination tasks yield concordant measures of perceived distance between odours and their binary mixtures in larval Drosophila
JF - The Journal of Experimental Biology
N2 - Similarity between odours is notoriously difficult to measure. Widely used behavioural approaches in insect olfaction research are cross-adaptation, masking, as well as associative tasks based on olfactory learning and the subsequent testing for how specific the established memory is. A concern with such memory-based approaches is that the learning process required to establish an odour memory may alter the way the odour is processed, such that measures of perception taken at the test are distorted. The present study was therefore designed to see whether behavioural judgements of perceptual distance are different for two different memory-based tasks, namely generalization and discrimination. We used odour-reward learning in larval Drosophila as a study case. In order to challenge the larvae's olfactory system, we chose to work with binary mixtures and their elements (1-octanol, n-amyl acetate, 3-octanol, benzaldehyde and hexyl acetate). We determined the perceptual distance between each mixture and its elements, first in a generalization task, and then in a discrimination task. It turns out that scores of perceptual distance are correlated between both tasks. A re-analysis of published studies looking at element-to-element perceptual distances in larval reward learning and in adult punishment learning confirms this result. We therefore suggest that across a given set of olfactory stimuli, associative training does not grossly alter the pattern of perceptual distances.
KW - discrimination
KW - drosophila melanogaster
KW - generalization
KW - memory
KW - olfaction
KW - perception
Y1 - 2014
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-121625
VL - 217
IS - 12
ER -
TY - THES
A1 - Scholz, Nicole
T1 - Genetic analyses of sensory and motoneuron physiology in Drosophila melanogaster
T1 - Genetische Analyse sensorischer und motoneuronaler Physiologie in Drosophila melanogaster
N2 - During my PhD I studied two principal biological aspects employing Drosophila melanogaster. Therefore, this study is divided into Part I and II.
Part I: Bruchpilot and Complexin interact to regulate synaptic vesicle tethering to the
active zone cytomatrix
At the presynaptic active zone (AZ) synaptic vesicles (SVs) are often physically linked to an electron-dense cytomatrix – a process referred to as “SV tethering”. This process serves to concentrate SVs in close proximity to their release sites before contacting the SNARE complex for subsequent fusion (Hallermann and Silver, 2013). In Drosophila, the AZ protein Bruchpilot (BRP) is part of the proteinous cytomatrix at which SVs accumulate (Kittel et al., 2006b; Wagh et al., 2006; Fouquet et al., 2009). Intriguingly, truncation of only 1% of the C-terminal region of BRP results in a severe defect in SV tethering to this AZ scaffold (hence named brpnude; Hallermann et al., 2010b).
Consistent with these findings, cell-specific overexpression of a C-terminal BRP fragment, named mBRPC-tip (corresponds to 1% absent in brpnude; m = mobile) phenocopied the brpnude mutant in behavioral and functional experiments. These data indicate that mBRPC-tip suffices to saturate putative SV binding sites, which induced a functional tethering deficit at motoneuronal AZs. However, the molecular identity of the BRP complement to tether SVs to the presynaptic AZ scaffold remains unknown. Moreover, within larval motoneurons membrane-attached C-terminal portions of BRP were sufficient to tether SVs to sites outside of the AZ. Based on this finding a genetic screen was designed to identify BRP interactors in vivo. This screen identified Complexin (CPX), which is known to inhibit spontaneous SV fusion and to enhance stimulus evoked SV release (Huntwork and Littleton, 2007; Cho et al., 2010; Martin et al., 2011). However, so far CPX has not been associated with a function upstream of priming/docking and release of SVs. This work provides morphological and functional evidence, which suggests that CPX promotes recruitment of SVs to the AZ and thereby curtails synaptic short-term depression. Together, the presented findings indicate a functional interaction between BRP and CPX at Drosophila AZs.
Part II: The Adhesion-GPCR Latrophilin/CIRL shapes mechanosensation
The calcium independent receptor of α-latrotoxin (CIRL), also named Latrophilin, represents a prototypic Adhesion class G-protein coupled-receptor (aGPCR). Initially, Latrophilin was identified based on its capacity to bind the α-component of latrotoxin (α-LTX; Davletov et al., 1996; Krasnoperov et al., 1996), which triggers massive exocytotic activity from neurons of the peripheral nervous system (Scheer et al., 1984; Umbach et al., 1998; Orlova et al., 2000). As a result Latrophilin is considered to play a role in synaptic transmission. Later on, Latrophilins have been associated with other biological processes including tissue polarity (Langenhan et al., 2009), fertility (Prömel et al., 2012) and synaptogenesis (Silva et al., 2011). However, thus far its subcellular localization and the identity of endogenous ligands, two aspects crucial for the comprehension of Latrophilin’s in vivo function, remain enigmatic.
Drosophila contains only one latrophilin homolog, named dCirl, whose function has not been investigated thus far.
This study demonstrates abundant dCirl expression throughout the nervous system of Drosophila larvae. dCirlKO animals are viable and display no defects in development and neuronal differentiation. However, dCirl appears to influence the dimension of the postsynaptic sub-synaptic reticulum (SSR), which was accompanied by an increase in the postsynaptic Discs-large abundance (DLG). In contrast, morphological and functional properties of presynaptic motoneurons were not compromised by the removal of dCirl. Instead, dCirl is required for the perception of mechanical challenges (acoustic-, tactile- and proprioceptive stimuli) through specialized mechanosensory devices, chordotonal organs (Eberl, 1999). The data indicate that dCirl modulates the sensitivity of chordotonal neurons towards mechanical stimulation and thereby adjusts their input-output relation. Genetic interaction analyses suggest that adaption of the molecular mechanotransduction machinery by dCirl may underlie this process. Together, these results uncover an unexpected function of Latrophilin/dCIRL in mechanosensation and imply general modulatory roles of aGPCR in mechanoception.
N2 - In dieser These wurden zwei grundlegende biologische Aspekte mittels Drosophila melanogaster untersucht, weshalb diese in zwei Teile gegliedert ist.
TeiL I: Die Interaktion von Bruchpilot und Complexin vermittelt die Anbindung von synaptischen Vesikeln an die Zytomatrix der aktiven Zone
Oft findet man an aktiven Zonen (AZ) von Präsynapsen elektronendichte Matrices, welche meist in physischem Kontakt mit synaptischen Vesikeln (SV) stehen. Dieser als „SV Tethering“ bezeichnete Prozess dient der Anreicherung SV in der unmittelbaren Nähe ihrer Freisetzungszonen, noch bevor diese mit dem SNARE Komplex interagieren, um mit der präsynapti-schen Plasmamembran zu fusionieren (Hallermann und Silver, 2013). In der Taufliege Drosophila melanogaster bildet das AZ Protein Bruchpilot (BRP) Protrusionen, um welche SV akkumulieren (Kittel et al., 2006b; Wagh et al., 2006; Fouquet et al., 2009). Interessan-terweise resultiert bereits eine minimale Verkürzung von BRP (1% der Gesamtlänge) am C-terminalen Ende in einem schwerwiegenden Anbindedefekt von SV, der mit einem Funkti-onsverlust dieser Synapsen einhergeht (brpnude; Hallermann et al., 2010b).
Entsprechend diesem Vorbefund resultierte die gewebespezifische Überexpression eines C-terminalen BRP Fragments - mBRPC-tip (entspricht dem fehlenden Fragment der brpnude Mu-tante; m = mobil) - sowohl in Verhaltens- als auch funktionellen Analysen in einer Phänoko-pie der brpnude Mutante. Dies deutet daraufhin, dass mBRPC-tip vermeintliche vesikuläre Interaktionspartner blockiert und so die Anreicherung von SV an motoneuronalen AZ verhindert, was ähnlich wie in brpnude Mutanten zu einem funktionellen Tethering-Defekt führt. Die molekulare Identität eines BRP Partners zur Anreicherung von SV an der Zytomatrix der AZ wurde bisher nicht beschrieben.
Weiterhin zeigt diese Arbeit, dass membrangebundene C-terminale BRP Anteile genügen, um SV an Positionen außerhalb von AZ zu binden. Basierend auf diesem Befund wurde ein gene-tischer in vivo Screen zur Identifikation von BRP Interaktoren entwickelt. Dieser Screen identifizierte Complexin (CPX), ein Protein, dessen hemmende beziehungsweise fördernde Wirkung auf die spontane und reizinduzierte Vesikelfusion bekannt ist (Huntwork und Littleton, 2007; Cho et al., 2010; Martin et al., 2011). CPX wurde bisher nicht mit einer Funktion ober-halb von Vesikelpriming und -fusion in Verbindung gebracht. Diese Studie dokumentiert strukturelle und funktionelle Hinweise, die darauf hindeuten, dass CPX mit BRP interagiert, um Vesikelakkumulation an AZ zu fördern und dadurch synaptischer Kurzzeit-Depression entgegen zu wirken.
Teil II: Adhäsions-GPCR Latrophilin/CIRL moduliert die Wahrnehmung mechanischer Reize
Der Kalzium-unabhängige Rezeptor für α-Latrotoxin (CIRL), oder Latrophilin, ist ein prototypischer Rezeptor der Adhäsions G-Protein gekoppelten Klasse (aGPCR). Identifiziert wurde Latrophilin ursprünglich aufgrund seiner Fähigkeit die α-Komponente von Latrotoxin (α-LTX) zu binden (Davletov et al., 1996; Krasnoperov et al., 1996), welches seine Wirkung am peripheren Nervensystem entfaltet und dort übermäßige Transmitterausschüttung an neuronalen Endigungen induziert (Scheer et al., 1984; Umbach et al., 1998; Orlova et al., 2000). Basierend auf diesem Effekt wurde Latrophilin eine Rolle bei der synaptischen Transmission zugesprochen. Später wurden Latrophiline mit weiteren biologischen Prozessen in Zusammenhang gebracht, darunter Gewebepolarität (Langenhan et al., 2009), Fertilität (Prömel et al., 2012) und Synaptogenese (Silva et al., 2011). Allerdings blieb sowohl die subzelluläre Lokalisation als auch die Identität endogener Liganden, zwei Schlüsselaspekte im Verständnis der in vivo Funktion von Latrophilinen bisher rätselhaft.
Drosophila besitzt lediglich ein latrophilin Homolog, dCirl, dessen Funktion bisher nicht untersucht wurde.
Diese Arbeit zeigt, dass dCirl in weiten Teilen des larvalen Nervensystems von Drosophila exprimiert ist. dCirl knock-out Mutanten sind lebensfähig und weisen keine Störungen in der Entwicklung und neuronalen Differenzierung auf. Allerdings schien dCirl Einfluss auf die Ausdehnung des postsynaptischen subsynaptischen Retikulums (SSR) zu nehmen, was mit einer erhöhten Menge an Discs-large (DLG) assoziiert war. Die morphologischen und funktionellen Eigenschaften präsynaptischer Motoneurone der Fliegenlarve hingegen, waren durch den Verlust von dCirl funktionell weitestgehend unbeeinträchtigt. Vielmehr ist dCirl notwendig für die Wahrnehmung mechanischer Reize (akustische-, taktile und propriozeptive) durch spezialisierte Vorrichtungen - Chordotonalorgane (Eberl, 1999). Die Befunde deuten daraufhin, dass dCirl die Sensitivität der Chordotonalneurone gegenüber mechanischen Reizen moduliert und dadurch das Input-Output Verhältnis einstellt. Adaptation der molekularen Mechanotransduktionsmaschinerie durch dCirl könnte die molekulare Grundlage für diesen Prozess darstellen, eine Hypothese die durch genetische Interaktionsanalysen gestützt wird. Schlussfolglich enthüllen die experimentellen Befunde dieser These eine unerwartete Funktion von Latrophilin/dCirl bei der Mechanoperzeption und implizieren eine generelle modula-torische Rolle für aGPCR bei der Wahrnehmung mechanischer Reize.
KW - Drosophila
KW - Synapse
KW - GPCR
KW - synaptic vesicle tethering
KW - active zone
KW - Complexin
KW - Bruchpilot
KW - Adhesion-GPCR
KW - Latrophilin
KW - mechanosensing
Y1 - 2017
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-123249
ER -
TY - THES
A1 - Grosz, Magdalena Urszula
T1 - Identification of phagosomal escape relevant factors in Staphylococcus aureus infection
T1 - Untersuchung von ausbruchsrelevanten Faktoren bei einer Staphylococcus aureus Infektion
N2 - Staphylococcus aureus is a facultative Gram-positive human pathogen which can cause different severe infections. Staphylococci are phagocytosed by professional and non-professional phagocytes; they are strongly cytotoxic against eukaryotic cells and have been proposed to play a role in immune evasion by spreading within migrating phagocytes. This study investigated the post invasive events upon S. aureus infection. Strains which are able to escape the phagosome were identified and the responsible toxins were determined. Thereby innovative insights into host pathogen interaction were obtained.
A novel class of small amphipathic peptides with strong surfactant-like properties, the phenol soluble modulins, particularly PSMα as well as the leukocidin LukAB, are involved in phagosomal escape of the clinical S. aureus strains LAC, MW2 and 6850 in non-professional and professional phagocytes. Whereas, PSMβ, δ-toxin, α-toxin, β-toxin or phosphatidyl inositol-dependent phospholipase C did not affect phagosomal escape. By blocking the bacterial DNA-dependent RNA polymerase with rifampicin phagosomal escape is determined to start approximately 2.5 hours post infection. Phagosomal escape further was required for intracellular replication of S. aureus. Strains which are not able to escape cannot replicate in the acidic vacuole, whereas, the host cytoplasm offers a rich milieu for bacterial replication. Additionally, phagosomal escape, with intracellular bacterial replication induces the subsequent host cell death. This could be confirmed by an infection assay including S. aureus knockout mutants in psmα or lukAB which were significantly less cytotoxic, compared with those infected with escape-positive wild type strains.
Further, this study showed that phagosomal escape is not only mediated by bacterial toxins. Since, the phagocyte-specific cognate receptors for both escape relevant toxins, FPR2 (PSMα receptor) and CD11b (LukAB receptor) are produced in epithelial and endothelial cells only after infection with S. aureus in a calcium dependent fashion. The knockdown of both receptors using siRNA prevents S. aureus to escape the phagosome. Furthermore, blocking intracellular calcium release with the inositol trisphosphate receptor (IP3R) inhibitor 2-APB prohibits upregulation of fpr2 and cd11b and subsequently phagosomal escape of S. aureus.
To conclude, the current study clarifies that phagosomal escape and host cell death are interplay of both, bacterial toxins and host cell factors.
Staphylococcus aureus ist ein fakultativ Gram-positives Humanpathogen, dass verschiedene schwerwiegende Infektionen verursachen kann. Staphylokokken werden von professionellen und nicht-professionellen Phagozyten (Fresszellen) zu gleich aufgenommen. Desweitern sind sie stark zytotoxisch für eukaryotische Zellen. Außerdem wird vermutet, dass sie sich mittels migrierender Phagozyten dem angeborenen Immunsystem entziehen können. In dieser Studie werden die post-invasiven Ereignisse während einer Staphylokokken Infektion untersucht. Im Detail wurden Stämme identifiziert die aus den Phagosomen entkommen können und die dafür verantwortlichen Toxine. Im Zuge dessen wurden neue Erkenntnisse der Interaktion zwischen Bakterien und Wirtszellen gewonnen.
Eine neue Klasse von kleinen amphiphatischen Peptiden mit starken grenzflächenaktiven Eigenschaften (Surfactant), die sogenannten Phenol soluble modulins (PSMs) im Besonderen PSMα sowie das Leukozidin LukAB, sind am phagosomalen Ausbruch der klinisch relevanten S. aureus Stämmen LAC, MW2 und 6850 in nicht professionellen und professionellen Phagozyten involviert. Hingegen, sind PSMβ, δ-toxin, α-toxin, β-toxin oder Phosphatidylinositol abhängige Phospholipase C nicht am phagosomalen Ausbruch beteiligt. Durch die Hemmung der bakteriellen DNA-abhängigen RNA Polymerase mit Rifampicin wurde der Zeitpunkt für den Ausbruch auf etwa 2,5 Stunden nach der Infektion eingegrenzt. Der phagosomale Ausbruch ist weiterhin für die intrazelluläre Replikation von S. aureus notwendig. Während Stämme, die nicht ausbrechen können in der angesäuerten Vakuole nicht replizieren können, bietet das Zytoplasma ein reichhaltiges Milieu für die Vermehrung. Zudem wird der Pathogen induzierte Zelltod erst nach dem phagosomalen Ausbruch und mit anschließender Vermehrung ermöglicht. Nachgewiesen wurde dies mittels psmα und lukAB defizienten Mutanten welche signifikant weniger zytotoxisch waren als der Wildtyp Stamm. Diese Studie zeigt darüber hinaus, dass der phagosomale Ausbruch nicht nur durch bakterielle Toxine vermittelt wird. Sondern, dass die Phagozyten-spezifischen Rezeptoren für beide relevanten Toxine, FPR2 (PSMα Rezeptor) und CD11b (LukAB Rezeptor), in Epithel- und Endothelzellen nach Infektion mit S. aureus calciumabhängig produziert werden und für den Ausbruch notwendig sind. Der knockdown beider Rezeptoren mittels siRNA verhindert den Ausbruch. Wird der intrazelluläre Calciumstrom mittels des Inositoltrisphosphat Rezeptor (IP3R) Inhibitor 2-APB blockiert können die Gene fpr2 und cd11b nicht hochreguliert werden und der Ausbruch wird ebenfalls verhindert.
Folglich zeigt diese Studie, dass der phagosomale Ausbruch und Pathogen induzierte Zelltod sowohl durch bakterielle Toxine als auch Wirtsfaktoren vermittelt wird.
N2 - Staphylococcus aureus ist ein fakultativ Gram-positives Humanpathogen, dass verschiedene schwerwiegende Infektionen verursachen kann. Staphylokokken werden von professionellen und nicht-professionellen Phagozyten (Fresszellen) zu gleich aufgenommen. Desweitern sind sie stark zytotoxisch für eukaryotische Zellen. Außerdem wird vermutet, dass sie sich mittels migrierender Phagozyten dem angeborenen Immunsystem entziehen können. In dieser Studie werden die post-invasiven Ereignisse während einer Staphylokokken Infektion untersucht. Im Detail wurden Stämme identifiziert die aus den Phagosomen entkommen können und die dafür verantwortlichen Toxine. Im Zuge dessen wurden neue Erkenntnisse der Interaktion zwischen Bakterien und Wirtszellen gewonnen.
Eine neue Klasse von kleinen amphiphatischen Peptiden mit starken grenzflächenaktiven Eigenschaften (Surfactant), die sogenannten Phenol soluble modulins (PSMs) im Besonderen PSMα sowie das Leukozidin LukAB, sind am phagosomalen Ausbruch der klinisch relevanten S. aureus Stämmen LAC, MW2 und 6850 in nicht professionellen und professionellen Phagozyten involviert. Hingegen, sind PSMβ, δ-toxin, α-toxin, β-toxin oder Phosphatidylinositol abhängige Phospholipase C nicht am phagosomalen Ausbruch beteiligt. Durch die Hemmung der bakteriellen DNA-abhängigen RNA Polymerase mit Rifampicin wurde der Zeitpunkt für den Ausbruch auf etwa 2,5 Stunden nach der Infektion eingegrenzt. Der phagosomale Ausbruch ist weiterhin für die intrazelluläre Replikation von S. aureus notwendig. Während Stämme, die nicht ausbrechen können in der angesäuerten Vakuole nicht replizieren können, bietet das Zytoplasma ein reichhaltiges Milieu für die Vermehrung. Zudem wird der Pathogen induzierte Zelltod erst nach dem phagosomalen Ausbruch und mit anschließender Vermehrung ermöglicht. Nachgewiesen wurde dies mittels psmα und lukAB defizienten Mutanten welche signifikant weniger zytotoxisch waren als der Wildtyp Stamm. Diese Studie zeigt darüber hinaus, dass der phagosomale Ausbruch nicht nur durch bakterielle Toxine vermittelt wird. Sondern, dass die Phagozyten-spezifischen Rezeptoren für beide relevanten Toxine, FPR2 (PSMα Rezeptor) und CD11b (LukAB Rezeptor), in Epithel- und Endothelzellen nach Infektion mit S. aureus calciumabhängig produziert werden und für den Ausbruch notwendig sind. Der knockdown beider Rezeptoren mittels siRNA verhindert den Ausbruch. Wird der intrazelluläre Calciumstrom mittels des Inositoltrisphosphat Rezeptor (IP3R) Inhibitor 2-APB blockiert können die Gene fpr2 und cd11b nicht hochreguliert werden und der Ausbruch wird ebenfalls verhindert.
Folglich zeigt diese Studie, dass der phagosomale Ausbruch und Pathogen induzierte Zelltod sowohl durch bakterielle Toxine als auch Wirtsfaktoren vermittelt wird.
KW - Phagosom
KW - MRSA
KW - Bakterielle Infektion
KW - Zelltod
KW - Phagosomal escape
KW - Intracellular replication
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-121981
ER -
TY - JOUR
A1 - Menzel, Florian
A1 - Blüthgen, Nico
A1 - Tolasch, Till
A1 - Conrad, Jürgen
A1 - Beifuss, Uwe
A1 - Beuerle, Till
A1 - Schmitt, Thomas
T1 - Crematoenones - a novel substance class exhibited by ants functions as appeasement signal
JF - Frontiers in Zoology
N2 - Background: Parasitic, commensalistic, and mutualistic guests in social insect colonies often circumvent their hosts' nestmate recognition system to be accepted. These tolerance strategies include chemical mimicry and chemical insignificance. While tolerance strategies have been studied intensively in social parasites, little is known about these mechanisms in non-parasitic interactions. Here, we describe a strategy used in a parabiotic association, i.e. two mutualistic ant species that regularly share a common nest although they have overlapping food niches. One of them, Crematogaster modiglianii, produces an array of cuticular compounds which represent a substance class undescribed in nature so far. They occur in high abundances, which suggests an important function in the ant's association with its partner Camponotus rufifemur.
Results: We elucidated the structure of one of the main compounds from cuticular extracts using gas chromatography, mass spectrometry, chemical derivatizations and nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR). The compound consists of two fused six-membered rings with two alkyl groups, one of which carries a keto functionality. To our knowledge, this is the first report on the identification of this substance class in nature. We suggest naming the compound crematoenone. In behavioural assays, crematoenones reduced interspecific aggression. Camponotus showed less aggression to allospecific cuticular hydrocarbons when combined with crematoenones. Thus, they function as appeasement substances. However, although the crematoenone composition was highly colony-specific, interspecific recognition was mediated by cuticular hydrocarbons, and not by crematoenones.
Conclusions: Crematenones enable Crematogaster to evade Camponotus aggression, and thus reduce potential costs from competition with Camponotus. Hence, they seem to be a key factor in the parabiosis, and help Crematogaster to gain a net benefit from the association and thus maintain a mutualistic association over evolutionary time. To our knowledge, putative appeasement substances have been reported only once so far, and never between non-parasitic species. Since most organisms associated with social insects need to overcome their nestmate recognition system, we hypothesize that appeasement substances might play an important role in the evolution and maintenance of other mutualistic associations as well, by allowing organisms to reduce costs from antagonistic behaviour of other species.
KW - cuticular hydrocarbons
KW - appeasement substance
KW - bees
KW - ecology
KW - parasitism
KW - alkyloctahydronaphthalene
KW - usurpation
KW - venom
KW - pheromone
KW - crematogaster
KW - parabiotic ants
KW - Dufours gland
KW - polyergus rufescens
KW - formicidae
KW - interspecific aggression
KW - nestmate recognition cues
KW - parabiotic association
Y1 - 2013
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-122595
SN - 1742-9994
VL - 10
IS - 32
ER -
TY - JOUR
A1 - Fraunholz, Martin
A1 - Sinha, Bhanu
T1 - Intracellular staphylococcus aureus: Live-in and let die
JF - Frontiers in Cellular and Infection Microbiology
N2 - Staphylococcus aureus uses a plethora of virulence factors to accommodate a diversity of niches in its human host. Aside from the classical manifestations of S. aureus-induced diseases, the pathogen also invades and survives within mammalian host cells. The survival strategies of the pathogen are as diverse as strains or host cell types used. S. aureus is able to replicate in the phagosome or freely in the cytoplasm of its host cells. It escapes the phagosome of professional and non-professional phagocytes, subverts autophagy, induces cell death mechanisms such as apoptosis and pyronecrosis, and even can induce anti-apoptotic programs in phagocytes. The focus of this review is to present a guide to recent research outlining the variety of intracellular fates of S. aureus.
KW - staphylococcus aureus
KW - bacterial persistence
KW - host cell death
KW - autophagy
KW - phagocytosis
KW - phagosomalescape
Y1 - 2012
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-123374
VL - 2
IS - 43
ER -
TY - JOUR
A1 - Dietz, Mariana S.
A1 - Hasse, Daniel
A1 - Ferraris, Davide M.
A1 - Göhler, Antonia
A1 - Niemann, Hartmut H.
A1 - Heilemann, Mike
T1 - Single-molecule photobleaching reveals increased MET receptor dimerization upon ligand binding in intact cells
JF - BMC Biophysics
N2 - Background: The human receptor tyrosine kinase MET and its ligand hepatocyte growth factor/scatter factor are essential during embryonic development and play an important role during cancer metastasis and tissue regeneration. In addition, it was found that MET is also relevant for infectious diseases and is the target of different bacteria, amongst them Listeria monocytogenes that induces bacterial uptake through the surface protein internalin B. Binding of ligand to the MET receptor is proposed to lead to receptor dimerization. However, it is also discussed whether preformed MET dimers exist on the cell membrane.
Results: To address these issues we used single-molecule fluorescence microscopy techniques. Our photobleaching experiments show that MET exists in dimers on the membrane of cells in the absence of ligand and that the proportion of MET dimers increases significantly upon ligand binding.
Conclusions: Our results indicate that partially preformed MET dimers may play a role in ligand binding or MET signaling. The addition of the bacterial ligand internalin B leads to an increase of MET dimers which is in agreement with the model of ligand-induced dimerization of receptor tyrosine kinases.
KW - single-molecule photobleaching
KW - fluorescence correlation spectroscopy
KW - fluorescence
KW - EGF receptor
KW - rat hepatocytes
KW - structural insights
KW - Scatter factor
KW - SEMA domain
KW - hepatocyte-growth-factor
KW - invasion protein-INLB
KW - listeria-monocytogenes
KW - tyrosine kinase
KW - living cells
KW - dimerization
KW - MET receptor
KW - Signal transduction
Y1 - 2013
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-121835
SN - 2046-1682
VL - 6
IS - 6
ER -
TY - JOUR
A1 - Rybalka, Nataliya
A1 - Wolf, Matthias
A1 - Andersen, Robert
A1 - Friedl, Thomas
T1 - Congruence of chloroplast- and nuclear-encoded DNA sequence variations used to assess species boundaries in the soil microalga Heterococcus (Stramenopiles, Xanthophyceae)
JF - BMC Evolutionary Biology
N2 - Background: Heterococcus is a microalgal genus of Xanthophyceae (Stramenopiles) that is common and widespread in soils, especially from cold regions. Species are characterized by extensively branched filaments produced when grown on agarized culture medium. Despite the large number of species described exclusively using light microscopic morphology, the assessment of species diversity is hampered by extensive morphological plasticity.
Results: Two independent types of molecular data, the chloroplast-encoded psbA/rbcL spacer complemented by rbcL gene and the internal transcribed spacer 2 of the nuclear rDNA cistron (ITS2), congruently recovered a robust phylogenetic structure. With ITS2 considerable sequence and secondary structure divergence existed among the eight species, but a combined sequence and secondary structure phylogenetic analysis confined to helix II of ITS2 corroborated relationships as inferred from the rbcL gene phylogeny. Intra-genomic divergence of ITS2 sequences was revealed in many strains. The 'monophyletic species concept', appropriate for microalgae without known sexual reproduction, revealed eight different species. Species boundaries established using the molecular-based monophyletic species concept were more conservative than the traditional morphological species concept. Within a species, almost identical chloroplast marker sequences (genotypes) were repeatedly recovered from strains of different origins. At least two species had widespread geographical distributions; however, within a given species, genotypes recovered from Antarctic strains were distinct from those in temperate habitats. Furthermore, the sequence diversity may correspond to adaptation to different types of habitats or climates.
Conclusions: We established a method and a reference data base for the unambiguous identification of species of the common soil microalgal genus Heterococcus which uses DNA sequence variation in markers from plastid and nuclear genomes. The molecular data were more reliable and more conservative than morphological data.
KW - xanthophyceae
KW - psbA/rbcL spacer
KW - ITS2
KW - tool
KW - RBCL
KW - alignment
KW - evolution
KW - chlorophyta
KW - RNA secondary structure
KW - terrestrial habitats
KW - phylogenetic trees
KW - mixed models
KW - green algae
KW - heterococcus
KW - systematics
KW - molecular phylogeny
KW - species concept
Y1 - 2013
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-121848
SN - 1471-2148
VL - 13
IS - 39
ER -
TY - THES
A1 - Larsen, Mirjam
T1 - Zur genetischen Heterogenität der Muskeldystrophien: alternative genetische Ursachen der Myotonen Dystrophie und FSHD
T1 - The genetic heterogeneity of the muscular dystrophies: alternative genetic causes of myotonic dystrophy and FSHD
N2 - Die klinische Symptomatik verschiedener erblicher Muskelerkrankungen verläuft oft erstaunlich ähnlich mit Muskelschwäche und -schwund als den hervorstechenden Alltagsproblemen. Dem gegenüber sind die genetischen Grundlagen sehr vielfältig mit > 250 bisher identifizierten Genen (musclegenetable.org). Auch innerhalb eines definierten Krankheitsbildes werden verschiedene genetische Ursachen nebeneinander gefunden, was durch die Verknüpfung in einem gemeinsamen Pathomechanismus begründet sein kann. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit verschiedenen Aspekten dieser genetischen Heterogenität am Beispiel der beiden häufigen Muskelerkrankungen Myotone Dystrophie (DM) und Facioscapulohumerale Muskeldystrophie (FSHD), bei denen alternative genetische Ursachen, sowie anknüpfende Fragestellungen untersucht wurden.
Das erste Projekt dieser Arbeit beschäftigt sich mit Fragestellungen, welche die DM betreffen. Die DM Typ 1 und Typ 2 (DM1 und DM2) bilden zusammen die häufigste Muskelerkrankung im Erwachsenenalter. Sie ist durch die gemeinsamen Symptome Myotonie, Muskelschwäche und Katarakt sowie die Beteiligung weiterer Organsysteme gekennzeichnet, was sie zu einer multisystemischen Erkrankung macht. Die genetische Ursache liegt für beide Formen in einer Repeatexpansion eines Mikrosatelliten in der untranslatierten Region zweier Gene (DMPK in DM1, CNBP in DM2). Dem gemeinsamen Pathomechanismus liegt eine toxische Funktionsgewinn-Mutation des expandierten RNA-Transkripts zugrunde.
Die beiden bekannten Formen der DM sind phänotypisch häufig nicht unterscheidbar, weshalb in vielen Fällen beide Erkrankungen molekulargenetisch untersucht werden müssen. Dabei ist die Diagnostik der DM durch die Notwendigkeit des Nachweises von sehr großen Repeatexpansionen recht aufwändig und die Bestimmung der Repeatlänge im Fall der DM2 nur eingeschränkt möglich. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Test zum Nachweis der Repeatexpansionen auf der Basis der Methode des Molecular Combing entwickelt, welche den gleichzeitigen Nachweis der beiden Loci von DM1 und DM2 erlaubt und zusätzlich eine direkte Messung der Repeatlänge ermöglicht. Das Molecular Combing ist eine fluoreszenz-mikroskopische Einzelmolekül-Analysemethode, durch die es erstmals möglich wurde, die vermutete somatische Instabilität bei DM2 darzustellen.
Das zweite DM-Teilprojekt beschäftigt sich mit der Identifikation möglicher alternativer genetischer Ursachen für die Erkrankung. Dies wurde anhand einer Kohorte von 138 DM1- und DM2-negativen Indexpatienten mit dem typischen DM-Phänotyp untersucht. Ausgehend von dem gemeinsamen Pathomechanismus wurden die primären Krankheitsgene DMPK und CNBP, sowie CELF1 und MBNL1, welche wichtige Rollen auf sekundärer Ebene des Pathomechanismus spielen, mittels Next Generation Sequencing untersucht. Dabei wurde eine auffällige Variante in DMPK gefunden, keine Varianten in CNBP oder CELF1 und drei Varianten in MBNL1, was auf MBNL1 als Kandidatengen einer alternativen Ursache für DM hinweist. MBNL1 ist ein gewebespezifischer Spleißregulator, welcher einen Wechsel von einem fetalen zu einem adulten Spleißmuster im Muskel steuert. Die Pathogenität einer der Varianten wurde in einem RNA-Spleißassay mit MBNL1-Targetgenen untersucht. Dabei konnten keine spezifischen Spleiß-Effekte festgestellt werden, aber eine Verminderung des Expressionsniveaus im Sinne einer Haploinsuffizienz. Die 3D-Modellierung dieser Variante deutet auf Änderungen der Oberflächenladungen in MBNL1 hin. Der Nachweis der Pathogenität der Varianten und somit die Ursächlichkeit von MBNL1-Mutationen für DM konnte hiermit nicht abschließend geklärt werden. Die gefundenen Ergebnisse regen jedoch hoffentlich zu nachfolgenden Studien an.
Das zweite Projekt dieser Arbeit beschäftigt sich mit Fragestellungen um die FSHD. Diese bildet die dritthäufigste Muskelerkrankung, charakterisiert durch eine oft asymmetrische Schwäche der Muskulatur von Gesicht, Schultergürtel und Oberarmen. Genetisch ist die FSHD Typ 1 (FSHD1) mit einer Kontraktion des Makrosatelliten D4Z4 verknüpft, was eine Relaxation der Chromatinstruktur der Region mit sich bringt und damit die ektopische Expression des apoptotisch wirkenden Proteins DUX4 ermöglicht. Die pathogene Ausprägung dieser Funktionsgewinn-Mutation findet dabei nur in Verbindung mit einem FSHD-permissiven Haplotyp statt.
Auf der Grundlage des gleichen Pathomechanismus wurde eine zweite Form der FSHD (FSHD2) vorgestellt, bei der die Chromatinrelaxation unabhängig von der Länge von D4Z4 durch einen Defekt in dem an der DNA-Methylierung beteiligten Gen SMCHD1 assoziiert sein soll. Die Vererbung von FSHD2 verläuft digenisch mit Mutationen in SMCHD1 und dem FSHD-permissiven Haplotyp auf zwei unabhängigen Loci. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Kohorte von 55 FSHD1-negativen Patienten mit dem typischen FSHD-Phänotyp untersucht. Dabei wurden der Haplotyp, die Methylierung von D4Z4 sowie das SMCHD1-Gen analysiert. Es konnten neun Patienten mit einem Defekt in SMCHD1 identifiziert werden. In einer zweiten Kohorte von 45 FSHD1-positiven Patienten wurde untersucht, ob SMCHD1-Mutationen auch in Kombination mit einer Kontraktion von D4Z4 vorkommen. Dieser Fall von FSHD1+2 konnte für drei Patienten gezeigt werden, welche außerdem einen auffällig schweren Phänotyp zeigten. SMCHD1 kann also als Modifier-Gen für die Schwere der Erkrankung bei FSHD1 angesehen werden. Damit wurden insgesamt zwölf SMCHD1-Mutationsträger identifiziert, davon sind zehn der Varianten noch nicht beschrieben worden. Für alle erkrankten Mutationsträger konnte eine Methylierung von D4Z4 ≤ 20 % ermittelt werden, was als diagnostisches Kriterium verwendet werden kann. Mit einem Anteil von 16,3 % Mutationsträger in der FSHD1-negetiven Kohorte bildet FSHD2 einen bedeutenden Anteil an dem Krankheitsbild der FSHD, weshalb die entwickelten Analysen in die Routinediagnostik eingegliedert wurden.
Das zweite Teilprojekt der FSHD beschäftigt sich mit der Funktion des SMCHD1-Gens bei der X-Inaktivierung (XI). Es ist bekannt, dass SMCHD1 bei weiblichen Mäusen an der Aufrechterhaltung der XI mitwirkt. Die Untersuchung der XI bei FSHD2-Frauen ergab eine extreme Verschiebung der erwarteten XI von 50:50 auf 0:100 oder 100:0 bei sechs von 13 Patientinnen. Die übrigen sieben zeigten eine XI im Normalbereich von > 20:80 oder < 80:20. Der Befund der einseitigen Verschiebung könnte auf einen negativen Selektionsdruck gegenüber Zellen mit unvollständiger XI hindeuten. Es wäre interessant zu untersuchen, ob sich der gleiche Effekt auch in einer größeren Kohorte wiederfindet und ob er sich mit der Art der Mutation korrelieren lässt.
N2 - The clinical presentation of many inherited muscular disorders is often remarkably similar with muscle weakness and wasting as the most prominent everyday problems. By contrast, the genetic basis is highly heterogeneous with so far > 250 identified genes (musclegenetable.org). Even within a defined disease group different genetic causes are found side by side which can be explained by linking into a common pathomechanism. The present thesis deals with different aspects of this genetic heterogeneity using the two common muscular disorders myotonic dystrophy (DM) and facioscapulohumeral muscular dystrophy (FSHD) as examples. It addresses questions on alternative genetic causes and related issues.
The first project of this work is focused on issues related to DM. DM type 1 and DM type 2 (DM1 and DM2) together represent the most frequent muscular disorder in adulthood. Clinically, the disease is characterized by the common symptoms myotonia, muscular weakness and cataract as well as multi organ involvement, making it a multisystemic disorder. The genetic cause of both forms is the expansion of a microsatellite repeat in the untranslated regions of two different genes (DMPK in DM1, CNBP in DM2). The common pathogenic mechanism is based on a toxic gain of function mutation of the expanded RNA transcript.
The two known forms of DM are phenotypically often not distinguishable which is why in many cases molecular genetic testing for both forms must be performed. In addition, the diagnosis of DM is quite challenging due to the need of detecting very large repeat expansions. Furthermore, an exact determination of repeat length in DM2 has so far not been possible. In this study, a test based on the method Molecular Combing was developed for detection of the repeat expansions, which allows for the simultaneous detection of the two loci of DM1 and DM2 in a single assay and in addition for a direct measurement of the repeat length. The Molecular Combing is a fluorescence microscopic single-molecule method which enables for the first time the visualization of the suspected somatic instability in DM2.
The second DM-project deals with the identification of possible alternative genetic causes of the disease. This was investigated by a cohort of 138 DM1- and DM2-negative index patients displaying the typical DM-phenotype. Based on the common pathogenic mechanism, the primary disease genes DMPK and CNBP, as well as CELF1 and MBNL1 which play important roles on a secondary level of the pathomechanism were examined by Next Generation Sequencing. One candidate variant was found in DMPK, no variants in CNBP or CELF1 and three variants in MBNL1, suggesting that MBNL1 is an alternative candidate gene for DM. MBNL1 is a tissue-specific splicing regulator which controls the change from a fetal to an adult splicing pattern in muscle. Pathogenicity of one of the variants was tested in an RNA splicing assay with MBNL1 target genes. No alternative splicing patterns were observed but a reduction in expression levels suggests a haploinsufficiency mechanism. 3D-modelling of this variant suggests a change in surface charge of MBLN1. However, the proof of the pathogenicity of the three variants and thus the causality of MBNL1 mutations as a cause for DM still remains to be confirmed. Hopefully, our observations may foster further studies into this direction.
The second project of this thesis deals with the genetic causes of FSHD. This is the third most common muscular disorder, characterized by often asymmetric weakness of the muscles of the face, shoulder girdle and upper arms. Genetically, FSHD type 1 (FSHD1) is associated with a contraction of the macrosatellite repeat D4Z4 which induces a relaxation of the chromatin structure of the region and thus allows ectopic expression of the apoptotic DUX4 protein. Pathogenicity of this gain-of-function mutation is exclusively associated with a permissive FSHD haplotype.
Based on the same pathomechanism, a second form of FSHD (FSHD2) has been described in which chromatin relaxation is caused by a defect in the SMCHD1 gen that is involved in DNA methylation - independent of the D4Z4 repeat length. The inheritance of FSHD2 is therefore digenic with mutations in SMCHD1 and a FSHD permissive haplotype, located on two different chromosomes. In this study, a cohort of 55 FSHD1-negative patients displaying the typical FSHD phenotype was studied. The haplotype, methylation of D4Z4 and the SMCHD1 gene were analyzed. A number of nine patients with mutations in SMCHD1 could be identified. In a second cohort 45 FSHD1-positive patients were examined, addressing the question, whether SMCHD1 mutations also occur in combination with a contraction of D4Z4. The condition of FSHD1 + 2 was found in three patients who also showed a strikingly severe phenotype. SMCHD1 therefore can be regarded as a modifier gene for disease severity in FSHD1. In total, twelve SMCHD1 mutation carriers were identified in this study with ten novel variants. For all affected mutation carriers methylation of D4Z4 was found to be ≤ 20 % which can be used as a diagnostic criterion. With a proportion of 16.3 % mutation carriers in the FSHD1-negative cohort FSHD2 represents a significant part of the clinical spectrum of FSHD. Based on these findings, a modified algorithm for routine diagnostics of FSHD is presented.
The second FSHD-project deals with the function of the SMCHD1 gene in X-inactivation (XI). It is known that in female mice SMCHD1 is involved in the maintenance of XI. The investigation of XI in FSHD2-women showed an extreme shift of the expected XI of 50:50 to 0:100 or 100:0 in six of 13 patients. The remaining seven patients showed XI in the normal range of > 20:80 or < 80:20. The finding of this one-sided shift could indicate a negative selection pressure against cells with incomplete XI. It would be interesting to investigate whether this effect can be confirmed in a larger cohort and whether it can eventually be correlated with the type of mutation.
KW - Humangenetik
KW - Myotonische Dystrophie
KW - Landouzy-Déjerine-Atrophie
KW - Gen
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-123431
ER -
TY - THES
A1 - Tsoneva, Desislava
T1 - Humanized mouse model: a system to study the interactions of human immune system with vaccinia virus-infected human tumors in mice
T1 - Humanisiertes Mausmodell: ein System, um die Wechselwirkungen des menschlichen Immunsystems mit Vaccinia-Virus-infizierten humanen Tumoren in Mäusen zu untersuchen
N2 - Ein vielversprechender neuer Ansatz zur Behandlung von Krebs beim Menschen ist die Verwendung von onkolytischen Viren, die einen Tumor-spezifischen Tropismus aufweisen. Einer der Top-Kandidaten in diesem Bereich ist das onkolytische Vaccinia Virus (VACV), das bereits vielversprechende Ergebnisse in Tierversuchen und in klinischen Studien gezeigt hat. Aber die von den in vivo in tierischen Modellen erhaltenen Resultate könnten ungenaue Informationen wegen der anatomischen und physiologischen Unterschiede zwischen den Spezies liefern. Andererseits sind Studien in Menschen aufgrund ethischer Erwägungen und potenzieller Toxizität nur limitiert möglich. Die zahlreichen Einschränkungen und Risiken, die mit den Humanstudien verbunden sind, könnten mit der Verwendung eines humanisierten Mausmodells vermieden werden.
Die LIVP-1.1.1, GLV-2b372, GLV-1h68, GLV-1h375, GLV-1h376 and GLV-1h377 VACV Stämmen wurden von der Genelux Corporation zur Verfügung gestellt. GLV-2b372 wurde durch Einfügen der TurboFP635 Expressionskassette in den J2R Genlocus des parentalen LIVP-1.1.1-Stammes konstruiert. GLV-1h375, -1h376 and -1h377 kodiert das Gen für den menschlichen CTLA4-blockierenden Einzelketten-Antikörper (CTLA4 scAb). Befunde aus Replikations- and Zytotoxizitätsstudien zeigten, dass alle sechs Viren Tumorzellen infizieren, sich in ihnen replizieren und sie in Zellkultur schließlich ebenso dosis- und zeitabhängig effizient abtöten konnten. CTLA4 scAb und β-Glucuronidase (GusA) Expression sowie Virus Titer in GLV-1h376-infizierten A549-Zellen wurde anhand von ELISA-, β-Glucuronidase- and Standard Plaque-Assays bestimmt. Hierbei zeigte sich eine ausgezeichnete Korrelation mit Korrelationskoeffizienten R2>0.9806. Der durch das GLV-1h376 kodierte CTLA4 scAb wurde erfolgreich aus Überständen von infizierten CV-1-Zellen gereinigt. CTLA4 scAb hat eine hohe in-vitro-Affinität zu seinem menschlichen CTLA4-Zielmolekül sowie abwesende Kreuzreaktivität gegenüber murine CTLA4 gezeigt. CTLA4 scAb Funktionalität wurde in Jurkat-Zellen bestätigt. LIVP-1.1.1, GLV-2b372, GLV-1h68 und GLV-1h376 wurden auch in nicht-tumorösen und/oder tumortragenden humanisierten Mäusen getestet.
Zunächst wurde gezeigt, dass die Injektion von menschlichen CD34+ Stammzellen in die Leber von vorkonditionierten neugeborenen NSG Mäusen zu einer erfolgreichen systemische Rekonstitution mit menschlichen Immunzellen geführt hat. CD19+-B-Zellen, CD4+- und CD8+-CD3+-T-Zellen, NKp46+CD56- und NKp46+CD56+-NK-Zellen sowie CD33+-myeloischen Zellen wurden detektiert. Die Mehrheit der nachgewisenen humanen hämatopoetischen Zellen im Mäuseblut in den ersten Wochen nach der Humanisierung waren CD19+-B-Zellen, und nur ein kleiner Teil waren CD3+-T-Zellen. Mit der Zeit wurde eine signifikante Veränderung in CD19+/CD3+-Verhältnis beobachtet, die parallel zur Abnahme der B-Zellen und einem Anstieg der T-Zellen kam. Die Implantation von A549-Zellen unter die Haut dieser Mäuse führte zu einem progressiven Tumorwachstum. Bildgebende Verfahren zur Detektion von Virus-vermittelter TurboFP635- und GFP-Expression, Standard Plaque Assays sowie immunohistochemische Analysen bestätigten die erfolgreiche Invasion der Viren in die subkutanen Tumoren. Die humane CD45+-Zellpopulation in Tumoren wurde hauptsächlich durch NKp46+CD56bright-NK-Zellen und einen hohen Anteil von aktivierten CD4+- und zytotoxische CD8+-T-Zellen dargestellt. Es wurden jedoch keine signifikanten Unterschiede zwischen den Kontroll- und LIVP-1.1.1-infizierten Tumoren beobachtet, was darauf hindeutete, dass die Rekrutierung von NK- und aktivierten T-Zellen, mehr Tumorgewebe-spezifisch als Virus-abhängig waren. Die GLV-1h376-vermittelten CTLA4 scAb-Expression in den infizierten Tumoren war ebenfalls nicht in der Lage, die Aktivierung von Tumor-infiltrierenden T-Zellen im Vergleich zur Kontrolle und GLV-1h68-behandelten Mäusen, signifikant zu erhöhen. ELISA-, β-Glucuronidase- and Standard Plaque-Assays zeigten eine eindeutige Korrelation mit den Korrelationskoeffizienten R2>0,9454 zwischen CTLA4 scAb- und GusA-Konzentrationen und Virus Titer in Tumorproben von GLV-1h376-behandelten Mäusen.
T-Zellen, die aus der Milz dieser Tumor-tragenden Mäuse isoliert wurden, waren funktionell und konnten erfolgreich mit Beads aktiviert werden. Mehr CD25+ und IFN-ɣ+ T-Zellen wurden in der GLV-1h376-Gruppe gefunden, wahrscheinlich aufgrund der CTLA4-Blockade durch die Virus-vermittelte CTLA4 scAb-Expression in den Mäusen. Außerdem wurde eine höhere Konzentration von IL-2 in dem Kulturüberstand von diesen Splenozyten im Vergleich zu Kontrollproben nachgewiesen. Im Gegensatz zu der Aktivierung mit Beads konnten T-Zellen von allen drei Maus-Gruppen nicht durch A549 Tumorzellen ex vivo aktiviert werden.
Unser Mausmodell hat den besonderen Vorteil, dass sich Tumoren unter der Haut der humanisierten Mäuse entwickeln, was eine genaue Überwachung des Tumorwachstums und Auswertung der onkolytischen Virotherapie ermöglicht.
N2 - A promising new approach for the treatment of human cancer is the use of oncolytic viruses, which exhibit tumor tropism. One of the top candidates in this area is the oncolytic vaccinia virus (VACV), which has already shown promising results in animal studies and in clinical trials. However, due to discrepancies in both innate and adaptive immunity between mice and men the evaluation of the vaccinia virus’ interactions with the host immune system in mice are not fully conclusive of what is actually happening in human cancer patients after systemic administration of vaccinia virus. Also, ethical and legal concerns as well as risk of potential toxicity limit research involving human patients. Therefore, a good in vivo model for testing interactions between vaccinia virus and human immune cells, avoiding the numerous limitations and risks associated with human studies, could be a humanized mouse model.
LIVP-1.1.1, GLV-2b372, GLV-1h68, GLV-1h375, GLV-1h376 and GLV-1h377 VACVs were provided by Genelux Corporation. GLV-2b372 was constructed by inserting TurboFP635 expression cassette into the J2R locus of the parental LIVP-1.1.1. GLV-1h375, -1h376 and -1h377 VACVs encode the human CTLA4-blocking single-chain antibody (CTLA4 scAb). Performed replication and cytotoxicity assays demonstrated that all six viruses were able to infect, replicate in and kill human tumor cells in virus-dose- and time-dependent fashion. CTLA4 scAb and β-glucuronidase (GusA) expression as well as viral titers in GLV-1h376-infected cells were analyzed by ELISA, β-glucuronidase assay and standard plaque assay, respectively, and compared. An excellent correlation with correlation coefficients R2>0.9806 were observed. GLV-1h376-encoded CTLA4 scAb was successfully purified from supernatants of infected CV-1 cells and demonstrated in vitro affinity to its human CTLA4 target and lack of cross-reactivity to mouse CTLA4. CTLA4 scAb functionality was confirmed in Jurkat cells. LIVP-1.1.1, GLV-2b372, GLV-1h68 and GLV-1h376 were next studied in non-tumorous and/or tumor-bearing humanized mice.
It was demonstrated that injection of human CD34+ stem cells into the liver of preconditioned newborn NSG mice let to a successful systemic reconstitution with human immune cells. CD19+ B cells, CD4 and CD8 single positive CD3+ T cell, NKp46+CD56- and NKp46+CD56+ NK cells as well as CD33+ myeloid cells developed. At early time points after engraftment, majority of the human hematopoietic cells detected in the mouse blood were CD19+ B cells and only a small portion were CD3+ T cells. With time a significant change in CD19+/CD3+ ratio was reported with a decrease of B cells and an increase of T cells. Implantation of A549 cells under the skin of those humanized NSG mice resulted in a progressive tumor growth, described for the first time in this thesis. Successful colonization of subcutaneous A549 tumors with VACVs was visualized and demonstrated by detection of virus-mediated TurboFP635 and GFP expression as well as by standard plaque assay and immunohistochemistry. The human CD45+ cell population in tumors was represented mainly by NKp46+CD56bright NK cells and a large portion of activated CD4+ and cytotoxic CD8+ T cells. However, no significant differences were observed between control and LIVP-1.1.1-infected tumors, suggesting that the recruitment of NK and activated T cells were more tumor tissue specific than virus-dependent. Unfortunately, virus-mediated CTLA4 scAb expression in the GLV-1h376-infected tumors was also not able to significantly increase activation of T cells compared to control and GLV-1h68-treated mice. Importantly, ELISA, β-glucuronidase and standard plaque assays showed an excellent correlation with correlation coefficients R2>0.9454 between CTLA4 scAb, GusA concentrations and viral titers in tumor samples from those GLV-1h376 treated mice.
T cells isolated from the spleens of such control or GLV-1h68- or -1h376-treated A549 tumor-bearing mice were functional and could successfully be activated with human T cells activation beads. However, although no significant difference was observed between the three mouse groups, a slightly higher percentage of the GLV-1h376-treated mice-derived T cells were expressing CD25 and producing IFN-ɣ after ex vivo activation, probably due to the CTLA4 blockade by the virus-encoded CTLA4 scAb in the GLV-1h376-treated mice. Also, slightly higher levels of IL-2 were detected in the culture supernatant of those splenocytes compared to control samples. In contrast, T cells from all three mouse groups were not able be activated by A549 tumor cells ex vivo.
Our model has the specific advantage that tumors develop under the skin of the humanized mice, which allows accurate monitoring of the tumor growth and evaluation of the oncolytic virotherapy. Therefore it is important to choose the right approaches for its further improvement.
KW - Vaccinia virus
KW - cancer
KW - vaccinia virus
KW - humanized mice
Y1 - 2017
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-118983
ER -
TY - THES
A1 - Gnamlin, Prisca
T1 - Use of Tumor Vasculature for Successful Treatment of Carcinomas by Oncolytic Vaccinia Virus
T1 - Die Tumorvasulatur in der erfolgreichen Therapie von Carcinomen durch onkolytische Vaccinia Viren
N2 - Tumor-induced angiogenesis is of major interest for oncology research. Vascular endothelial growth factor (VEGF) is the most potent angiogenic factor characterized so far. VEGF blockade was shown to be sufficient for angiogenesis inhibition and subsequent tumor regression in several preclinical tumor models. Bevacizumab was the first treatment targeting specifically tumor-induced angiogenesis through VEGF blockade to be approved by the Food and Drugs Administration (FDA) for cancer treatment. However, after very promising results in preclinical evaluations, VEGF blockade did not show the expected success in patients. Some tumors became resistant to VEGF blockade. Several factors have been accounted responsible, the over-expression of other angiogenic factors, the noxious influence of VEFG blockade on normal tissues, the selection of hypoxia resistant neoplastic cells, the recruitment of hematopoietic progenitor cells and finally the transient nature of angiogenesis inhibition by VEGF blockade. The development of blocking agents against other angiogenic factors like placental growth factor (PlGF) and Angiopoietin-2 (Ang-2) allows the development of an anti-angiogenesis strategy adapted to the profile of the tumor.
Oncolytic virotherapy uses the natural propensity of viruses to colonize tumors to treat cancer. The recombinant vaccinia virus GLV-1h68 was shown to infect, colonize and lyse several tumor types. Its descendant GLV-1h108, expressing an anti-VEGF antibody, was proved in previous studies to inhibit efficiently tumor induced angiogenesis. Additional VACVs expressing single chain antibodies (scAb) antibodies against PlGF and Ang-2 alone or in combination with anti VEGF scAb were designed.
In this study, VACV-mediated anti-angiogenesis treatments have been evaluated in several preclinical tumor models. The efficiency of PlGF blockade, alone or in combination with VEGF, mediated by VACV has been established and confirmed. PlGF inhibition alone or with VEGF reduced tumor burden 5- and 2-folds more efficiently than the control virus, respectively.
Ang-2 blockade efficiency for cancer treatment gave controversial results when tested in different laboratories. Here we demonstrated that unlike VEGF, the success of Ang-2 blockade is not only correlated to the strength of the blockade. A particular balance between Ang-2, VEGF and Ang-1 needs to be induced by the treatment to see a regression of the tumor and an improved survival. We saw that Ang-2 inhibition delayed tumor growth up to 3-folds compared to the control virus. These same viruses induced statistically significant tumor growth delays. This study unveiled the need to establish an angiogenic profile of the tumor to be treated as well as the necessity to better understand the synergic effects of VEGF and Ang-2. In addition angiogenesis inhibition by VACV-mediated PlGF and Ang-2 blockade was able to reduce the number of metastases and migrating tumor cells (even more efficiently than VEGF blockade).
VACV colonization of tumor cells, in vitro, was limited by VEGF, when the use of the anti-VEGF VACV GLV-1h108 drastically improved the colonization efficiency up to 2-fold, 72 hours post-infection. These in vitro data were confirmed by in vivo analysis of tumors. Fourteen days post-treatment, the anti-VEGF virus GLV-1h108 was colonizing 78.8% of the tumors when GLV-1h68 colonization rate was 49.6%. These data confirmed the synergistic effect of VEGF blockade and VACV replication for tumor regression.
Three of the tumor cell lines used to assess VACV-mediated angiogenesis inhibition were found, in certain conditions, to mimic either endothelial cell or pericyte functions, and participate directly to the vascular structure. The expression by these tumor cells of e-selectin, p-selectin, ICAM-1 and VCAM-1, normally expressed on activated endothelial cells, corroborates our findings. These proteins play an important role in immune cell recruitment, and there amount vary in presence of VEGF, PlGF and Ang-2, confirming the involvement of angiogenic factors in the immuno-modulatory abilities of tumors.
In this study VACV-mediated angiogenesis blockade proved its potential as a therapeutic agent able to treat different tumor types and prevent resistance observed during bevacizumab treatment by acting on different factors. First, the expression of several antibodies by VACV would prevent another angiogenic factor to take over VEGF and stimulate angiogenesis. Then, the ability of VACV to infect tumor cells would prevent them to form blood vessel-like structures to sustain tumor growth, and the localized delivery of the antibody would decrease the risk of adverse effects. Next, the blockade of angiogenic factors would improve VACV replication and decrease the immune-modulatory effect of tumors. Finally the fact that angiogenesis blockade lasts until total regression of the tumor would prevent the recovery of the tumor-associated vasculature and the relapse of patients.
N2 - Ein Hauptinteresse der onkologischen Forschung liegt auf dem Verständnis der Tumor-induzierten Angiogenese. Es wurde bereits festgestellt, dass die meisten Tumortypen eine abnorme Expression angiogener Faktoren zeigen. Der vascular endothelial growth factor (VEGF) wurde als der effektivste angiogene Faktor beschrieben. Es wurde gezeigt, dass die Hemmung des VEGF zur Inhibition der Angiogenese führt, das wiederum zu Tumorregression in vorklinischen Tumormodellen führte. Bevacizumab ist das erste FDA zugelassene Krebs-Therapeutikum, welches spezifisch auf die Tumor-induzierte Angiogenese durch VEGF-Inhibition abzielt. Der erwartete Erfolg durch VEGF-Hemmung konnte im Patienten allerdings nicht erzielt werden. Die Entwicklung von neuen Angiogenese hemmenden Stoffen wie gegen den placental growth factor (PIGF) oder Angiopoietin-2 (Ang-2), ermöglichen eine an das Tumor-Profil angepasste anti-angiogene Strategie.
Die onkolytische Virustherapie die natürliche Eigenschaft der Viren Tumore zu kolonisieren. Das Vaccinia-Virus (VACV) gehört zur Familie der Poxviridae und wurde bereits lange Zeit als Vakzin zur Immunisierung gegen Pocken eingesetzt. Es konnte
gezeigt werden, dass das rekombinante VACV GLV-1h68 effizient verschiedene Tumortypen infiziert, kolonisiert und lysiert. Das VACV GLV-1h108, welches auf der Basis des GLV-1h68 generiert wurde, kodiert einen anti-VEGF Antikörper. Dieses Virus ist in der Lage ist die Tumor-induzierte Angiogenese effizient zu inhibieren. Zusätzlich zu diesem VACV wurden weitere Konstrukte kloniert, welche für Antikörper gegen PIGF und Ang-2 kodieren. Zusätzlich wurden Virusstämme konstruiert, die gleichzeitig zwei Angiogenesefaktoren anzielen.
Es wurde verschiedene VACV-vermittelte anti-Angiogenese Therapien in vorklinischen Tumormodellen wie Lungenadenokarzinome, KolonKarzinom, Melanom und Lungenadenokarzinome evaluiert. Die Effizienz der VACV-vermittelten Hemmung von PIGF und Ang-2, singulär oder in Kombination mit VEGF, wurde mit Tumor-Xenotransplantaten ermittelt. Die Inhibition von PlGF alleine oder in Kombination mit VEGF reduzierten die Tumorbelastung bis zu fünf, beziehungsweise zwei mal effizienter als GLV-1h68.
Weiterhin wurde gezeigt, dass anders als VEGF, der Erfolg der Ang-2 Hemmung nicht nur mit der Stärke der Hemmung korreliert. Um Tumorregression sowie eine verbesserte Überlebensrate zu verursachen muss eine Balance zwischen Ang-2, VEGF und Ang-1 induziert werden. GLV-1h68 behandelte Tumore waren drei mal gröβer als Tumore, die mit den anti-Ang2 exprimierenden Viren behandelt wurden. Dieselben Virusstämme verursachten eine erhebliche Verspätung des Wachstums der Tumoren. Ausserdem hat diese Arbeit die Notwendigkeit enthüllt, ein angiogenes Profil des zu behandelnden Tumors zu etablieren sowie den Bedarf die synergistischen Effekte von VEGF und Ang-2 besser zu verstehen. Durch die Inhibition der Angiogenese durch VACV-verursachte PIGF und Ang-2 Hemmung wurde die Anzahl der Metastasen und der migrierenden Tumorzellen reduziert. Es wurde gezeigt, dass VEGF die VACV-Kolonisierung von Tumorzellen limitiert, da der Einsatz eines anti-VEGF VACV zu einer Verbesserung der Kolonisierung führt. In vivo Analysen bestätigten diese in vitro Daten. Nach vierzehn Tagen kolonisierte das anti-VEGF Virus 78,85% der Tumoren während die Kolonizationsquote des Kontrollviruses 49,64 % war. Dies resultierte in Tumorregression.
Drei der getesteten Tumorzelllinien, in welchen die VACV-vermittelte Angiogenese-Inhibition untersucht wurde, waren in der Lage als Teil der Vaskulatur zu fungieren. Die Expression von Adhäsionsproteinen in diesen Tumorzellen untermauert die Ergebnisse. Weiterhin konnte ein unterschiedliches Expressionsmuster in Anwesenheit von VEGF, PIGF und Ang-2 festgestellt werden, wodurch die Beteiligung angiogener Faktoren bei den immunmodulatorischen Eigenschaften von Tumoren gezeigt werden konnte.
In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass eine VACV-vermittelte anti-angiogene Behandlung für verschiedene Tumorvarianten erfolgsversprechend ist. Die Möglichkeit verschiedene Antikörper gegen unterschiedliche angiogene Faktoren zu exprimieren würde verhindern, dass diese die Angiogenese stimulierende Wirkung des VEGF übernehmen. Die Eigenschaft von VACV Tumorzellen zu infizieren verhindert, dass diese Blutgefäß-ähnliche Strukturen bilden, welche das Tumorwachstum gewährleisten würde. Weiterhin würde die lokal begrenzte Antikörper-Freisetzung das Risiko von Nebenwirkungen senken. Die Inhibition angiogener Faktoren würde die VACV Replikationsrate steigern und den immunmodulatorischen Effekt der Tumore abschwächen. Letztlich würde die Hemmung der Angiogenese bis zur völligen Regression des Tumors aufrechterhalten, die Neubildung Tumor-assoziierter Vaskulatur verhindern und somit den Rückfall des Patienten.
KW - Vaccinia-Virus
KW - cancer
KW - vaccinia virus
KW - virotherapy
KW - tumor vascularization
KW - oncolytic virotherapy
KW - Onkolyse
KW - Angiogenese
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-119019
ER -
TY - THES
A1 - Fischer, Robin
T1 - Generating useful tools for future studies in the center of the circadian clock – defined knockout mutants for PERIOD and TIMELESS
T1 - Generierung nützlicher Instrumente für zukünftige Studien im Zentrum der Inneren Uhr - definierte knockout Mutanten für PERIOD und TIMELESS
N2 - To unravel the role of single genes underlying certain biological processes, scientists often use amorphic or hypomorphic alleles. In the past, such mutants were often created by chance. Enormous approaches with many animals and massive screening effort for striking phenotypes were necessary to find a needle in the haystack. Therefore at the beginning chemical mutagens or radiation were used to induce mutations in the genome. Later P-element insertions and inaccurate jump-outs enabled the advantage of potential larger deletions or inversions. The mutations were characterized and subsequently kept in smaller populations in the laboratories. Thus additional mutations with unknown background effects could accumulate.
The precision of the knockout through homologous recombination and the additional advantage of being able to generate many useful rescue constructs that can be easily reintegrated into the target locus made us trying an ends-out targeting procedure of the two core clock genes period and timeless in Drosophila melanogaster. Instead of the endogenous region, a small fragment of approximately 100 base pairs remains including an attP-site that can be used as integration site for in vitro created rescue constructs. After a successful ends-out targeting procedure, the locus will be restored with e.g. flies expressing the endogenous gene under the native promoter at the original locus coupled to a fluorescence tag or expressing luciferase.
We also linked this project to other research interests of our work group, like the epigenetic related ADAR-editing project of the Timeless protein, a promising newly discovered feature of time point specific timeless mRNA modification after transcription with yet unexplored consequences. The editing position within the Timeless protein is likewise interesting and not only noticed for the first time. This will render new insights into the otherwise not-satisfying investigation and quest for functional important sequences of the Timeless protein, which anyway shows less homology to other yet characterized proteins.
Last but not least, we bothered with the question of the role of Shaggy on the circadian clock. The impact of an overexpression or downregulation of Shaggy on the pace of the clock is obvious and often described. The influence of Shaggy on Period and Timeless was also shown, but for the latter it is still controversially discussed. Some are talking of a Cryptochrome stabilization effect and rhythmic animals in constant light due to Shaggy overexpression, others show a decrease of Cryptochrome levels under these conditions. Also the constant light rhythmicity of the flies, as it was published, could not be repeated so far. We were able to expose the conditions behind the Cryptochrome stabilization and discuss possibilities for the phenomenon of rhythmicity under constant light due to Shaggy overexpression.
N2 - Um die Rolle einzelner Gene hinter biologischen Prozessen zu entschlüsseln, bedienen sich Wissenschaftler häufig amorpher oder hypomorpher Allele. Diese wurden in der Vergangenheit oft auf Zufall basierend generiert. Gewaltige Ansätze mit zahllosen Tieren unter enormem Selektionsaufwand bei der Suche nach markanten Phänotypen waren notwendig um sprichwörtlich die Nadel im Heuhaufen zu finden. Zunächst wurden chemische Mutagene oder Strahlung verwendet um Mutationen im Genom zu induzieren. Später kamen P-element Insertionen und induziertes unpräzises Herausspringen der Transposons dazu. Das hatte den Vorteil, dass so unter Umstände größere Deletionen oder Inversionen entstanden. Die Mutationen wurden charakterisiert und die Tiere anschließend in kleinen Populationen gehalten. Dadurch konnten sich zusätzliche Mutationen mit möglichen Hintergrundeffekten unbemerkt ansammeln. Ebenso blieben weitere durchaus mögliche Mutationen aufgrund der Mutagene und dem deutlicheren Phänotyp der primären Mutation oftmals unbemerkt.
Die Präzision eines Knockouts durch homologe Rekombination und der Vorteil, zusätzlich im Stande zu sein, jedes entworfene Rettungskonstrukt auf einfache Weise wieder einsetzen zu können, überzeugte uns, eine Ends-out Targeting Prozedur mit den zwei Uhr Basisgenen period und timeless in Drosophila melanogaster durchzuführen. Dabei soll ein geplanter Knockout zu einer kompletten Deletion des gesamten Bereichs durch homologe Rekombination führen. Anstelle der endogenen Region verbleibt lediglich ein kleines Fragment von ungefähr 100 Basenpaaren inklusive einer attP-Stelle, die als Insertionsstelle für in vitro hergestellte Konstrukte genutzt werden kann. Angestrebte Ziele sind beispielsweise Fliegen, die das endogene Gen unter der Kontrolle des ursprünglichen Promoters am originalen Lokus gebunden an einen Fluoreszenzmarker oder aber gekoppelt an Luziferase exprimieren.
Wir koppelten dieses Projekt zusätzlich mit anderen Forschungsinteressen unserer Arbeitsgruppe, wie zum Beispiel dem epigenetischen ADAR-Editierungsprojekt des Timeless Proteins, einer vielversprechenden Neuentdeckung zeitpunktspezifischer und posttranskriptionaler Modifizierung der timeless mRNA, mit bisher noch unbekannten Folgen. Die Position der Editierung innerhalb des Timeless Proteins ist ebenfalls sehr interessant und nicht zum ersten Mal im Fokus von Wissenschaftlern. Dies wird neue Einblicke in die sonst bislang nicht zufriedenstellende Suche nach funktionell wichtigen Strukturen von Timeless bringen, welche aufgrund der geringen Homologie zu anderen bisher charakterisierten Proteinen bislang nur unzureichend bestimmt werden konnten.
Zuletzt beschäftigten wir uns mit der Frage nach der Rolle von Shaggy bezüglich der inneren Uhr. Der Einfluss einer Überexpression oder Herabregulierung von Shaggy auf die Taktung der Uhr ist eindeutig und wurde schon oft beschrieben. Der Einfluss von Shaggy auf Period und Timeless wurde ebenfalls bereits gezeigt, wird jedoch im Falle des letzteren Proteins noch sehr kontrovers diskutiert. Während einige von einem Cryptochrom stabilisierenden Effekt und rhythmischen Tieren in konstanter Beleuchtung aufgrund von Shaggy Überexpression sprechen, zeigen andere einen Abfall des Cryptochromlevels unter eben genau diesen Umständen. Es war uns möglich die Umstände hinter der Cryptochromstabilisierung aufzudecken. Darüber hinaus zeigen wir mögliche Gründe für das Phänomen des Rhythmus im Dauerlicht von Shaggy Überexpressionstieren auf.
KW - Biologische Uhr
KW - Circadian clock
KW - Period
KW - Timeless
KW - Genetic engineering
KW - Shaggy
KW - Taufliege
KW - Knockout
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-119141
ER -
TY - THES
A1 - Kuger, Sebastian
T1 - Radiosensibilisierung humaner Tumorzelllinien unterschiedlicher Entitäten durch den dualen PI3K/mTOR-Inhibitor NVP-BEZ235 alleine oder in Kombination mit dem MEK-Inhibitor AZD6244: Einfluss des Behandlungsschemas und der Hypoxie
T1 - Radiosensitization of human cancer cell lines of different tumor entities with the dual PI3K/mTOR inhibitor NVP-BEZ235 solely or in combination with the MEK inhibitor AZD6244: Effects of the treatement schedule and of hypoxia
N2 - Eine wichtige Standardtherapie in der modernen Behandlung von Krebserkrankungen ist die Strahlentherapie, in welcher Tumorzellen mittels ionisierender Strahlung geschädigt und abgetötet werden. Dabei soll die Schädigung des umgebenden Normalgewebes möglichst gering gehalten und trotzdem eine maximale Schädigung des Tumorgewebes erreicht werden. Deshalb sind neue Strategien zur Steigerung der Radiosensitivität des Tumorgewebes sehr wichtig, die es erlauben, bei gleicher Dosis eine verstärkte Strahlenantwort im Tumorgewebe zu erreichen. Hier kommen zunehmend sog. Radiosensibilisatoren zum Einsatz, die unter anderem onkogene Signalwege in den Tumorzellen inhibieren. Der PI3K/Akt/mTOR Signalweg stellt hierbei einen wichtigen Ansatzpunkt dar, da er in vielen Tumorentitäten dereguliert vorliegt und diese Signalkaskade bekanntermaßen einen Einfluss auf die zelluläre Strahlensensitivität hat. Obwohl es für diesen Signalweg schon eine Reihe von Inhibitoren gibt, für die bereits neben einer anti-proliferativen Wirkung auch ein radiosensibilisierender Effekt nachgewiesen wurde (z.B. Wortmannin und Rapamycin), machten eine geringe Spezifität, starke Nebenwirkungen und negative Rückkopplungsmechanismen im Signalweg, die die Wirkung des Inhibitors kompensieren, die Entwicklung neuer Inhibitoren notwendig. Das Imidazoquinolinderivat NVP-BEZ235 inhibiert den PI3K/Akt/mTOR Signalweg an mehreren Stellen gleichzeitig, indem es kompetitiv zu ATP das katalytische Zentrum von PI3K und mTOR blockiert. Für diesen kleinmolekularen, dualen Inhibitor gibt es bereits erste vielversprechende Forschungsergebnisse hinsichtlich einer radiosensibilisierenden Wirkung, allerdings sind die zugrunde liegenden molekularbiologischen Mechanismen noch nicht vollständig geklärt. Deshalb war das Ziel der vorliegenden Dissertation, in drei Teilprojekten mehrere Aspekte der NVP-BEZ235-induzierten Radiosensibilisierung aufzuklären: a) Einfluss des Behandlungsschemas für NVP-BEZ235 in vier Glioblastomzelllinien mit unterschiedlichem PTEN und TP53 Mutationsstatus, b) Einfluss der Sauerstoffversorgung (Hypoxie, Normoxie, reoxygeniert nach Bestrahlung) auf die strahlensensibilisierende Wirkung von NVP-BEZ235 in zwei Mammakarzinomzelllinien, c) gleichzeitige Inhibierung des MAPK Signalwegs durch AZD6244 und der PI3K/Akt/mTOR Signalkaskade durch NVP-BEZ235 in zwei Zelllinien mit unter-schiedlichem Mutationsstatus aus verschiedenen Tumorentitäten, um synergistische Effekte zu untersuchen. Um diese Fragestellungen zu beantworten, wurde im Rahmen - 142 -
der Dissertation eine Auswahl an humanen Tumorzelllinien mit unterschiedlich deregulierten Signalwegen bearbeitet. Dabei wurde die Expression von Schlüsselproteinen der MAPK/Erk und der PI3K/Akt/mTOR Signalwege analysiert und mit zellbiologischen Daten verschiedener phänotypischer Endpunkte nach Inhibitor Behandlung und Bestrahlung integriert (Proliferationsrate, klonogenes Überleben, Zellzyklusaberrationen, DNS-Schäden und -Reparatur, Zelltod und Autophagie).
Im Teilprojekt zum Behandlungsschema der NVP-BEZ235 Inhibierung und Bestrahlung konnte in vier Glioblastomzelllinien mit Behandlungsschema I (NVP-BEZ235 Behandlung 24 Stunden vor Bestrahlung) kein radiosensibilisierender Effekt hinsichtlich klonogenem Überleben nachgewiesen werden, wohingegen Behandlungsschema II (NVP-BEZ235 Behandlung 1 h vor und im Anschluss an die Bestrahlung) unabhängig vom Mutationsstatus in allen vier Zelllinien eine starke Radiosensibilisierung bewirkte. Auf molekularer Ebene war zwischen beiden Behandlungsschemata für das antiapoptotische Protein Akt ein großer Unterschied zu beobachten, welches bei Behandlung nach Schema I zum Zeitpunkt der Bestrahlung überaktiviert, nach Behandlung mit Schema II hingegen inhibiert war. Weiterhin resultierte Behandlungsschema I in einem erhöhten Anteil der Zellen in der radioresistenteren G1-Phase des Zellzyklus zum Zeit-punkt der Bestrahlung. Behandlungsschema II führte hingegen nach Bestrahlung zu einer verminderten Expression des Reparaturproteins Rad51 und damit zu verminderter DNS-Schadensreparatur und schließlich zu einem stabilen Arrest in der G2/M-Phase des Zellzyklus sowie zu verstärkter Apoptose (erhöhte Spaltung von PARP, erhöhter Anteil hypodiploider Zellen). Somit zeigen diese Ergebnisse, dass unabhängig vom PTEN und TP53 Mutationsstatus eine Radiosensibilisierung nur durch das Behandlungsschema II erreicht werden konnte. Ferner deuten die Ergebnisse der Proteinexpression darauf hin, dass durch NVP-BEZ235 ein negativer Rückkopplungsmechanismus ausgelöst wird, wodurch die PI3K/Akt/mTOR Signalkaskade 24h nach Zugabe des Inhibitors aktiviert und synergistische Effekte mit ionisierender Bestrahlung aufgehoben wurden.
Im Teilprojekt zur Abhängigkeit der NVP-BEZ235 Inhibition vom Sauerstoffgehalt wurden in den beiden Brustkrebszelllinien MCF-7 (ER-positiv) und TN MDA-MB-231 (TP53 mutiert) normoxische, hypoxische und nach Bestrahlung reoxygenierte Kulturbedingungen im Hinblick auf die Koloniebildungsfähigkeit nach NVP-BEZ235 Behandlung und Bestrahlung untersucht. Die beobachtete Radiosensibilisierung war unter allen getesteten Bedingungen auf gleichem Niveau. In beiden Zelllinien bewirkte NVP-BEZ235 eine Inhibition des antiapoptotischen HIF-1α Proteins, eine stabile Inaktivierung des PI3K/Akt/mTOR Signalweges und eine Aktivierung der Autophagie. Nach Bestrahlung waren zudem erhöhte residuale DNS-Schäden und ein stabiler Arrest in der G2/M-Phase des Zellzyklus unter allen Oxygenierungsbedingungen in beiden Zelllinien zu beobachten. Eine Apoptose Induktion (Spaltung von PARP, hypodiploide Zellen) trat nur in der TP53 wildtypischen MCF-7 Zelllinie nach NVP-BEZ235 Behandlung auf. Somit konnte in beiden Zelllinien in allen pathophysiologisch relevanten Oxygenierungszuständen eine sauerstoffunabhängige Radiosensibilisierung durch NVP-BEZ235 gezeigt werden.
Der bisher nicht erforschte Aspekt zur synergistischen Wirkung des MEK Inhibitors AZD6244 und des dualen PI3K/Akt/mTOR Inhibitors NVP-BEZ235 nach Bestrahlung wurde an der Glioblastomzelllinie SNB19 und der Lungenkarzinomzelllinie A549 anhand der Koloniebildungsfähigkeit der behandelten Zellen untersucht. Eine Behandlung mit dem MEK Inhibitor bewirkte lediglich eine moderate Radiosensibilisierung, wohin-gegen der duale PI3K/Akt/mTOR Inhibitor beide Zelllinien in stärkerem Maße sensibilisierte. Eine Kombination beider Inhibitoren resultierte bei keiner Zelllinie in einer Verstärkung der durch NVP-BEZ235 induzierten Radiosensibilisierung. Eine mögliche Erklärung für die fehlende Synergie im Bezug auf die Radiosensibilisierung können die gegensätzlichen Effekte der beiden Inhibitoren auf den Zellzyklus sein. Auf Proteinebene führte eine simultane Behandlung mit beiden Substanzen zur Inhibition beider Signalwege. Darüber hinaus war in SNB19 Zellen eine verstärkte Dephosphorylierung von Rb und ein erhöhter Anteil an G1-Phase Zellen bei kombinierter Gabe der Inhibitoren zu beobachten.
Im Rahmen dieser Arbeit konnte somit die radiosensibilisierende Wirkung von NVP-BEZ235 in Abhängigkeit vom Behandlungsschema gezeigt werden. Ferner wurde nachgewiesen, dass die Radiosensibilisierung unabhängig von der Sauerstoffversorgung sowie von den PTEN und TP53 Mutationsstatus der Tumorzellen ist. Die kombinierte Inhibition der MAPK und PI3K/Akt/mTOR Signalwege resultierte zwar in einem verstärkten zytostatischen, aber nicht in einem verstärkten radiosensibilisierenden Effekt. Da allerdings eine große Anzahl verschiedener Inhibitoren der MAPK/Erk und der PI3K/Akt/mTOR Signalkaskade verfügbar sind, sollte die kombinatorische Inhibition dieser Signalwege systematisch weiter verfolgt werden. Die vorliegende Arbeit liefert auch weitere grundlegende Erkenntnisse zu den molekularen Mechanismen der Radiosensibilisierung durch NVP-BEZ235, die auch auf Verknüpfungen und Wechselwirkungen mit anderen als den bisher bekannten Proteinen hindeuten, die für jeden Inhibitor aufgeklärt werden müssen, um eine effektive radiosensibilisierende Wirkung vorher-sagen zu können.
N2 - One important treatment option in modern cancer treatment is the radiotherapy, in which tumor cells are killed using the effects of ionizing radiation. A major clinical challenge is the minimization of toxicity to normal tissue with an optimized efficacy in tumor tissue at the same time. In order to meet this requirement, novel strategies are neces-sary to increase the radiosensitivity of tumor tissue aiming at an enhanced radiation response in tumor cells at unchanged doses. For this purpose radiosensitizers are increasingly used, which often also inhibit oncogenic pathways in tumor cells. The PI3K/Akt/mTOR signaling cascade represents a key target since it is deregulated in many tumor types and since it is known that this pathway influences the cellular radiosensitivity. Even though a number of inhibitors with proven antiproliferative and radiosensitizing properties are already available for the PI3K/Akt/mTOR pathway (e.g. Wortmannin and Rapamycin), some substantial drawbacks such as low specificity, strong side effects and negative feedback loops within the pathway causing failure of pathway inhibition, necessitate the development of novel inhibitors. NVP-BEZ235 is an imidazoquinoline derivate, which acts as a dual inhibitor of the PI3K/Akt/mTOR path-way by inhibiting the catalytic domain of PI3K and mTOR in an ATP competitive man-ner. There are already promising results published about a radiosensitizing effect of this small molecule inhibitor, however, the underlying molecular mechanisms are still not sufficiently clarified. For this reason, the aim of this doctoral thesis was to clarify several aspects of NVP-BEZ235-induced radiosensitization: a) impact of the treatment scheme of NVP-BEZ235 on four glioblastoma cell lines with different PTEN and TP53 mutational status, b) impact of oxygen supply (hypoxia, normoxia, reoxygenation after irradiation) on the radiosensitizing effect of NVP-BEZ235 in two breast cancer cell lines, c) simultaneous inhibition of the MAPK/Erk pathway with AZD6244 and the PI3K/Akt/mTOR pathway with NVP-BEZ235 in two cell lines differing in their muta-tional background and their origin in order to investigate synergistic effects on radiosensitization. In order to meet these aims, a selection of human tumor cell lines with differentially deregulated pathways was used in this thesis. The expression of key proteins of the PI3K/mTOR and MAPK/Erk pathways were analyzed and integrated with pheno-typic data (proliferation rate, clonogenic survival, cell cycle alterations, DNA damage and repair, cell death, autophagy) after inhibitor treatment and irradiation of cells. For this purpose, proliferation and colony forming assays as well as flow cytometry and Western blot analyses have been performed.
The subproject investigating the treatment schemes of NVP-BEZ235 inhibition in com-bination with irradiation demonstrated in four glioblastoma cell lines that treatment scheme I (NVP-BEZ235 treatment 24 h before irradiation) could not generate a radio-sensitizing effect considering clonogenic survival. However, treatment scheme II (NVP-BEZ235 treatment 1 h before and after irradiation) resulted in a strong radiosensitization in each cell line independently of the mutation status. At protein level, a remarkable difference between the two treatment schemes was observed for the expression of the anti-apoptotic protein Akt, which was overexpressed at the time of irradiation under scheme I, whilst it was inhibited under treatment of scheme II. Scheme I also resulted in an elevated proportion of cells in the more resistent G1-phase of the cell cycle at the time of irradiation. On the other hand, scheme II caused a reduced expression of the repair protein Rad51 and a diminished DNA repair after irradiation. Also, a stable arrest in the G2/M-phase of the cell cycle and increased apoptosis (increased cleavage of PARP and elevated proportions of hypodiploid cells) were noticed under scheme II conditions. Thus, these findings demonstrate a radiosensitization only under conditions of treatment scheme II and that this radiosensitization was independent of PTEN and TP53 mutations. Moreover, the data on protein expression indicate a negative feedback loop that was induced by NVP BEZ235 resulting in an activation of the PI3K/Akt/mTOR pathway 24 h after inhibitor treatment and leading to abrogation of the synergistic effects with irradiation.
The impact of the oxygen supply on NVP BEZ235 inhibition was studied within the second subproject, using the breast cancer cell lines MCF-7 (ER-positive) and TN MDA-MB-231 (TP53 mutated) under normoxia, hypoxia and reoxygenation after irra-diation with respect to colony formation after NVP-BEZ235 treatment and irradiation. A radiosensitization was observed for each condition at the same level. NVP BEZ235 caused in each cell line an inhibition of the anti-apoptotic HIF-1α protein, a stable inactivation of the PI3K/Akt/mTOR pathway and an activation of autophagy. An increase of residual DNA damage and a stable arrest in the G2/M phase of the cell cycle were also noticed for all oxygen conditions after irradiation in both cell lines. An induction of apoptosis (cleavage of PARP, hypodiploid cells) was only seen after NVP BEZ235 treatment in the wildtype TP53 MCF-7 cell line. Thus, a radiosensitization independent of the oxygen supply became apparent for all oxygen conditions tested.
The aspect of the synergistic effect after irradiation of the MEK inhibitor AZD6244 and of the dual PI3K/mTOR inhibitor NVP-BEZ235 was examined for the first time within the third subproject. For this purpose, the colony formation ability was analyzed for the glioblastoma cell line SNB19 and for the lung carcinoma cell line A549. The MEK in-hibitor AZD6244 only caused a moderate radiosensitization whereas the dual PI3K/Akt/mTOR inhibitor NVP-BEZ235 resulted in a stronger radiosensitization com-pared to AZD6244. A combinatorial treatment with both inhibitors did not show a gain of the radiosensitizing effect of NVP-BEZ235 in any cell line. One possible explanation for the missing synergy in terms of radiosensitization could be the adverse effects on the cell cycle observed after combined inhibition. At the protein level the simultaneous treatment with both inhibitors caused an inhibition of both pathways. An increased dephosphorylation of Rb and an elevated proportion of G1 phase cells were observed in SNB19 cells after combinatorial treatment.
Within the scope of this doctoral thesis a radiosensitizing effect of NVP-BEZ235 was clearly demonstrated depending on the treatment scheme. It was shown that the radiosensitization was independent of the oxygen supply and the PTEN and TP53 mutational status of the tumor cells. The simultaneous inhibition of the MAPK/Erk and PI3K/Akt/mTOR pathways caused an increased cytostatic effect on tumor cells, but did not result in an elevated radiosensitization. However, a large number of different inhibi-tors of the MAPK/Erk and the PI3K/Akt/mTOR signaling cascades are available so far and therefore the specific examination of a combinatorial inhibition of these pathways should be continued. This doctoral thesis also provides basic research findings of the molecular mechanisms of radiosensitization induced by NVP-BEZ235 pointing to links and interactions with so far unknown proteins. These protein and network interactions should be clarified for each inhibitor in order to predict a specific effect on radiosensiti-zation.
KW - Strahlensensibilisator
KW - NVP-BEZ235
KW - Strahlentherapie
KW - Tumorzelle
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-126715
ER -
TY - JOUR
A1 - Rakosy, Demetra
A1 - Streinzer, Martin
A1 - Paulus, Hannes F.
A1 - Spaethe, Johannes
T1 - Floral visual signal increases reproductive success in a sexually deceptive orchid
JF - Arthropod-Plant Interactions
N2 - Sexually deceptive orchids mimic signals emitted by female insects in order to attract mate-searching males. Specific attraction of the targeted pollinator is achieved by sex pheromone mimicry, which constitutes the major attraction channel. In close vicinity of the flower, visual signals may enhance attraction, as was shown recently in the sexually deceptive orchid Ophrys heldreichii. Here, we conducted an in situ manipulation experiment in two populations of O. heldreichii on Crete to investigate whether the presence/absence of the conspicuous pink perianth affects reproductive success in two natural orchid populations. We estimated reproductive success of three treatment groups (with intact, removed and artificial perianth) throughout the flowering period as pollinaria removal (male reproductive success) and massulae deposition (female reproductive success). Reproductive success was significantly increased by the presence of a strong visual signal—the conspicuous perianth—in one study population, however, not in the second, most likely due to the low pollinator abundance in the latter population. This study provides further evidence that the coloured perianth in O. heldreichii is adaptive and thus adds to the olfactory signal to maximise pollinator attraction and reproductive success.
KW - sexual deception
KW - eucera berlandi
KW - male bees
KW - ophrys heldreichii
KW - pollination
Y1 - 2012
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-127209
VL - 6
IS - 4
ER -
TY - THES
A1 - Bruttel, Valentin Stefan
T1 - Soluble HLA-G binds to dendritic cells which likely suppresses anti-tumour immune responses in regional lymph nodes in ovarian carcinoma
T1 - Lösliches HLA-G wird von dendritischen Zellen gebunden, was beim Ovarialkarzinom zur Hemmung von Immunraktionen in regionalen Lymphknoten führen kann
N2 - Zusammenfassung
Einleitung
HLA-G, ein nicht-klassisches HLA bzw. MHC Klasse Ib Molekül, kann sowohl als membrangebundenes als auch als lösliches Molekül verschiedenste Immunzellpopulationen effektiv inhibieren. Unter physiologischen Bedingungen wird HLA-G vor allem in der Plazenta exprimiert, wo es dazu beiträgt den semiallogenen Embryo vor einer Abstoßung durch das mütterliche Immunsystem zu beschützen. Außerdem wird HLA-G in einer Vielzahl von Tumoren wie zum Beispiel in Ovarialkarzinomen überexprimiert. Ziel dieser Arbeit war es besonders die Rolle von löslichem HLA-G im Ovarialkarzinom und die Expression von HLA-G in verschiedenen Subtypen des Ovarialkarzinoms genauer zu untersuchen.
Ergebnisse
Anhand eines Tissue Microarrays wurde bestätigt dass HLA-G unter physiologischen Bedingungen nur in sehr wenigen Geweben wie Plazenta oder Testes exprimiert wird. Außerdem wurden erstmals auch im Nebennierenmark hohe Expressionslevel detektiert. Im Gegensatz zur physiologischen Expression wurde HLA-G in serösen, muzinösen, endometrioiden und Klarzellkarzinomen und somit in Tumoren aller untersuchten Subtypen des Ovarialkarzinoms detektiert. Am häufigsten war HLA-G in hochgradigen serösen Karzinomen überexprimiert. Hier konnte gezeigt werden dass auf Genexpressionslevel in Ovarialkarzinomen die Expression des immunsuppressiven HLA-G mit der Expression von klassischen MHC Molekülen wie HLA-A, -B oder -C hochsignifikant korreliert. Außerdem konnte in Aszitesproben von Patientinnen mit Ovarialkarzinomen hohe Konzentrationen von löslichem HLA-G nachgewiesen werden. Auch auf metastasierten Tumorzellen in regionalen Lymphknoten war HLA-G nachweisbar. Überraschenderweise wurde aber besonders viel HLA-G auf Dendritischen Zellen in Lymphknoten detektiert. Da in Monozyten und Dendritischen Zellen von gesunden Spendern durch IL-4 oder IL-10 im Gegensatz zu Literatur keine Expression von HLA-G induzierbar war, untersuchten wir ob Dendritische Zellen lösliches HLA-G binden. Es konnte gezeigt werden, dass besonders Dendritische Zellen die in Gegenwart von IL-4, IL-10 und GM-CSF aus Monozyten generiert wurden (DC-10) effektiv lösliches HLA-G über ILT Rezeptoren binden. In Abhängigkeit von ihrer Beladung mit HLA-G hemmen auch fixierte DC-10 Zellen noch die Proliferation von zytotoxischen CD8+ T Zellen. Zudem wurden regulatorische T Zellen induziert.
Schlussfolgerungen
Besonders in den am häufigsten diagnostizierten hochgradigen serösen Ovarialkarzinomen ist HLA-G in den meisten Fällen überexprimiert. Durch die Expression immunsuppressiver MHC Klasse Ib Moleküle wie HLA-G können wahrscheinlich auch Tumore wachsen, die noch klassische MHC Moleküle exprimieren und aufgrund ihrer Mutationslast eigentlich vom Immunsystem erkannt und eliminiert werden müssten. Lösliches HLA-G könnte zudem lokal Immunantworten gegen Tumorantigene unterdrücken indem es an Dendritische Zellen in regionalen Lymphknoten bindet. Diese Zellen präsentieren nomalerweise zytotoxischen T Zellen Tumorantigene und spielen daher eine entscheidende Rolle in der Entstehung von protektiven Immunantworten. Mit löslichem HLA-G beladene Dendritische Zellen hemmen jedoch die Proliferation von CD8+ T Zellen und induzieren regulatorische T Zellen. Dadurch könnten Ovarialkarzinome “aus der Ferne” auch in metastasenfreien Lymphknoten die Entstehung von gegen den Tumor gerichteten Immunantworten unterdrücken. Dieser erstmals beschriebene Mechanismus könnte auch in anderen malignen Erkrankungen eine Rolle spielen, da lösliches HLA-G in einer Vielzahl von Tumorindikationen nachgewiesen wurde.
N2 - Abstract
Background
HLA-G is a non-classical MHC class I molecule which exerts strong immunosuppressive effects on various immune cells. Several membrane-bound and soluble isoforms are known. Physiologically, HLA-G is predominantly expressed in the placenta, where it contributes to protecting the semi-allogeneic embryo from rejection by the maternal immune system. However, HLA-G is also often upregulated during tumourigenesis, such as in ovarian cancer. The aim of this thesis is to investigate how soluble HLA-G may contribute to local immunosuppression in ovarian carcinomas, and to characterize HLA-G expression in different ovarian carcinoma subtypes and metastases.
Results
As reported by others, physiological HLA-G expression is restricted to few tissues, such as placenta and testes. Here, HLA-G was also detected in the medulla of the adrenal gland. In contrast, HLA-G expression was frequently detected in tumours of all assessed subtypes of ovarian carcinomas (serous, mucinous, endometrioid and clear cell). Highest expression levels were detected in high-grade serous carcinomas. In primary tumours, expression of HLA-G correlated with expression of classical MHC class I molecules HLA-A, -B and -C. Surprisingly, high levels of HLA-G were also detected on dendritic cells in local lymph nodes. As no expression of HLA-G was inducible in monocytes or dendritic cells from healthy donors in response to IL-10 or IL-4, we speculated that tumour-derived soluble HLA-G might be transferred to dendritic cells via the lymphatic system. Accordingly, high levels of tumour-derived soluble HLA-G were detected in ovarian cancer ascites samples. In vitro, dendritic cells expanded in the presence of IL-4, IL-10 and GM-CSF (DC-10) were particularly prone to binding high amounts of soluble HLA-G via ILT receptors. Furthermore, HLA-G loaded DC-10 cells inhibited the proliferation of CD8 effector cells and induced regulatory T cells, even when the DC-10 cells had been fixed with paraformaldehyde.
Conclusion
The immunosuppressive molecule HLA-G is overexpressed in high-grade serous ovarian carcinomas, which account for the majority of ovarian cancers. In particular tumours with a high mutational burden and intact expression of classical, immunogenic MHC class Ia molecules may use HLA-G to escape from immunosurveillance. Additionally, tumour-derived soluble HLA-G may inhibit adaptive immune responses by binding to dendritic cells in local lymph nodes. Dendritic cells usually play a decisive role in the initiation of adaptive anti-tumour immune responses by presenting tumour antigens to cytotoxic T cells. In contrast, dendritic cells loaded with soluble HLA-G inhibit the proliferation of effector T cells and promote the induction of regulatory T cells. Thus, soluble HLA-G that is transferred to dendritic cells via lymphatic vessels may enable ovarian carcinomas to remotely suppress anti-tumour immune responses in local lymph nodes. This novel immune-escape mechanism may also exist in other solid tumours that express HLA-G.
KW - HLA-G
KW - HLA-G
KW - Dendritische Zelle
KW - Eierstocktumor
KW - ovarian cancer
KW - ovarian carcinoma
KW - transfer
KW - dendritic cells
KW - immune escape
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-127252
ER -
TY - JOUR
A1 - Jahn, Daniel
A1 - Schramm, Sabine
A1 - Schnölzer, Martina
A1 - Heilmann, Clemens J.
A1 - de Koster, Chris G.
A1 - Schütz, Wolfgang
A1 - Benavente, Ricardo
A1 - Alsheimer, Manfred
T1 - A truncated lamin A in the Lmna\(^{−/−}\) mouse line: Implications for the understanding of laminopathies
JF - Nucleus
N2 - During recent years a number of severe clinical syndromes, collectively termed laminopathies, turned out to be caused by various, distinct mutations in the human LMNA gene. Arising from this, remarkable progress has been made to unravel the molecular pathophysiology underlying these disorders. A great benefit in this context was the generation of an A-type lamin deficient mouse line (Lmna\(^{−/−}\)) by Sullivan and others,1 which has become one of the most frequently used models in the field and provided profound insights to many different aspects of A-type lamin function. Here, we report the unexpected finding that these mice express a truncated Lmna gene product on both transcriptional and protein level. Combining different approaches including mass spectrometry, we precisely define this product as a C-terminally truncated lamin A mutant that lacks domains important for protein interactions and post-translational processing. Based on our findings we discuss implications for the interpretation of previous studies using Lmna\(^{−/−}\) mice and the concept of human laminopathies.
KW - nuclear organization
KW - A-type lamins
KW - LMNA mutations
KW - laminopathies
KW - nuclear envelope
KW - nuclear lamina
Y1 - 2012
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-127281
VL - 3
IS - 5
ER -
TY - JOUR
A1 - Cornelius, Christine
A1 - Leingärtner, Annette
A1 - Hoiss, Bernhard
A1 - Krauss, Jochen
A1 - Steffan-Dewenter, Ingolf
A1 - Menzel, Annette
T1 - Phenological response of grassland species to manipulative snowmelt and drought along an altitudinal gradient
JF - Journal of Experimental Botany
N2 - Plant communities in the European Alps are assumed to be highly affected by climate change, as the temperature rise in this region is above the global average. It is predicted that higher temperatures will lead to advanced snowmelt dates and that the number of extreme weather events will increase. The aims of this study were to determine the impacts of extreme climatic events on flower phenology and to assess whether those impacts differed between lower and higher altitudes. In 2010, an experiment simulating advanced and delayed snowmelt as well as a drought event was conducted along an altitudinal transect approximately every 250 m (600–2000 m above sea level) in the Berchtesgaden National Park, Germany. The study showed that flower phenology was strongly affected by altitude; however, there were few effects of the manipulative treatments on flowering. The effects of advanced snowmelt were significantly greater at higher than at lower sites, but no significant difference was found between both altitudinal bands for the other treatments. The response of flower phenology to temperature declined through the season and the length of flowering duration was not significantly influenced by treatments. The stronger effect of advanced snowmelt at higher altitudes may be a response to differences in treatment intensity across the gradient. Consequently, shifts in the date of snowmelt due to global warming may affect species more at higher than at lower altitudes, as changes may be more pronounced at higher altitudes. These data indicate a rather low risk of drought events on flowering phenology in the Bavarian Alps.
KW - flowering
KW - advanced
KW - snowmelt
KW - Alps
KW - BBCH
KW - climate change
KW - delayed snowmelt
Y1 - 2013
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-126888
VL - 64
IS - 1
ER -
TY - JOUR
A1 - Tomei, Sara
A1 - Adams, Sharon
A1 - Uccellini, Lorenzo
A1 - Bedognetti, Davide
A1 - De Giorgi, Valeria
A1 - Erdenebileg, Narnygerel
A1 - Libera Ascierto, Maria
A1 - Reinboth, Jennifer
A1 - Liu, Qiuzhen
A1 - Bevilacqua, Generoso
A1 - Wang, Ena
A1 - Mazzanti, Chiara
A1 - Marincola, Francesco M.
T1 - Association between HRAS rs12628 and rs112587690 polymorphisms with the risk of melanoma in the North American population
JF - Medical Oncology
N2 - HRAS belongs to the RAS genes superfamily. RAS genes are important players in several human tumors and the single-nucleotide polymorphism rs12628 has been shown to contribute to the risk of bladder, colon, gastrointestinal, oral, and thyroid carcinoma. We hypothesized that this SNP may affect the risk of cutaneous melanoma as well. HRAS gene contains a polymorphic region (rs112587690), a repeated hexanucleotide -GGGCCT- located in intron 1. Three alleles of this region, P1, P2, and P3, have been identified that contain two, three, and four repeats of the hexanucleotide, respectively. We investigated the clinical impact of these polymorphisms in a case–control study. A total of 141 melanoma patients and 118 healthy donors from the North America Caucasian population were screened for rs12628 and rs112587690 polymorphisms. Genotypes were assessed by capillary sequencing or fragment analysis, respectively, and rs12628 CC and rs112587690 P1P1 genotypes significantly associated with increased melanoma risk (OR = 3.83, p = 0.003; OR = 11.3, p = 0.033, respectively), while rs112587690 P1P3 frequency resulted significantly higher in the control group (OR = 0.5, p = 0.017). These results suggest that rs12628 C homozygosis may be considered a potential risk factor for melanoma development in the North American population possibly through the linkage to rs112587690.
KW - HRAS
KW - polymorphism
KW - melanoma
KW - rs12628
KW - rs112587690
Y1 - 2012
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-126834
VL - 29
IS - 5
ER -
TY - JOUR
A1 - Holzschuh, Andrea
A1 - Dormann, Carsten F.
A1 - Tscharntke, Teja
A1 - Steffan-Dewenter, Ingolf
T1 - Mass-flowering crops enhance wild bee abundance
JF - Oecologia
N2 - Although agricultural habitats can provide enormous amounts of food resources for pollinator species, links between agricultural and (semi-)natural habitats through dispersal and foraging movements have hardly been studied. In 67 study sites, we assessed the interactions between mass-flowering oilseed rape fields and semi-natural grasslands at different spatial scales, and their effects on the number of brood cells of a solitary cavity-nesting bee. The probability that the bee Osmia bicornis colonized trap nests in oilseed rape fields increased from 12 to 59 % when grassland was nearby, compared to fields isolated from grassland. In grasslands, the number of brood cells of O. bicornis in trap nests was 55 % higher when adjacent to oilseed rape compared to isolated grasslands. The percentage of oilseed rape pollen in the larval food was higher in oilseed rape fields and grasslands adjacent to oilseed rape than in isolated grasslands. In both oilseed rape fields and grasslands, the number of brood cells was positively correlated with the percentage of oilseed rape pollen in the larval food. We show that mass-flowering agricultural habitats—even when they are intensively managed—can strongly enhance the abundance of a solitary bee species nesting in nearby semi-natural habitats. Our results suggest that positive effects of agricultural habitats have been underestimated and might be very common (at least) for generalist species in landscapes consisting of a mixture of agricultural and semi-natural habitats. These effects might also have—so far overlooked—implications for interspecific competition and mutualistic interactions in semi-natural habitats.
KW - spillover
KW - trap nests
KW - pollen
KW - oilseed rape
KW - canola
Y1 - 2013
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-126852
VL - 172
IS - 2
ER -
TY - JOUR
A1 - Azzami, Klara
A1 - Ritter, Wolfgang
A1 - Tautz, Jürgen
A1 - Beier, Hildburg
T1 - Infection of honey bees with acute bee paralysis virus does not trigger humoral or cellular immune responses
JF - Archives of Virology
N2 - We have studied the responses of honey bees at different life stages (Apis mellifera) to controlled infection with acute bee paralysis virus and have identified the haemolymph of infected larvae and adult worker bees as the compartment where massive propagation of ABPV occurs. Insects respond with a broad spectrum of induced innate immune reactions to bacterial infections, whereas defence mechanisms based on RNA interference play a major role in antiviral immunity. In this study, we have determined that honey bee larvae and adult workers do not produce a humoral immune reaction upon artificial infection with ABPV, in contrast to control individuals challenged with Escherichia coli. ABPV-infected bees produced neither elevated levels of specific antimicrobial peptides (AMPs), such as hymenoptaecin and defensin, nor any general antimicrobial activity, as revealed by inhibition-zone assays. Additionally, adult bees did not generate melanised nodules upon ABPV infection, an important cellular immune function activated by bacteria and viruses in some insects. Challenge of bees with both ABPV and E. coli showed that innate humoral and cellular immune reactions are induced in mixed infections, albeit at a reduced level.
KW - chemosensory protein
KW - bee larva
KW - adult bee
KW - honey bee
KW - larva
KW - work bee
KW - infected bee
KW - immune response
KW - young work bee
KW - capsid protein
KW - abdominal
KW - tergite
KW - haemolymph
KW - sample
KW - Imd pathway
KW - worker bee larva
KW - antimicrobial
KW - peptide
Y1 - 2012
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-126863
VL - 157
IS - 4
ER -
TY - JOUR
A1 - Andronic, Joseph
A1 - Shirakashi, Ryo
A1 - Pickel, Simone U.
A1 - Westerling, Katherine M.
A1 - Klein, Teresa
A1 - Holm, Thorge
A1 - Sauer, Markus
A1 - Sukhorukov, Vladimir L.
T1 - Hypotonic Activation of the Myo-Inositol Transporter SLC5A3 in HEK293 Cells Probed by Cell Volumetry, Confocal and Super-Resolution Microscopy
JF - PLoS One
N2 - Swelling-activated pathways for myo-inositol, one of the most abundant organic osmolytes in mammalian cells, have not yet been identified. The present study explores the SLC5A3 protein as a possible transporter of myo-inositol in hyponically swollen HEK293 cells. To address this issue, we examined the relationship between the hypotonicity-induced changes in plasma membrane permeability to myo-inositol Pino [m/s] and expression/localization of SLC5A3. Pino values were determined by cell volumetry over a wide tonicity range (100–275 mOsm) in myo-inositol-substituted solutions. While being negligible under mild hypotonicity (200–275 mOsm), Pino grew rapidly at osmolalities below 200 mOsm to reach a maximum of ∼3 nm/s at 100–125 mOsm, as indicated by fast cell swelling due to myo-inositol influx. The increase in Pino resulted most likely from the hypotonicity-mediated incorporation of cytosolic SLC5A3 into the plasma membrane, as revealed by confocal fluorescence microscopy of cells expressing EGFP-tagged SLC5A3 and super-resolution imaging of immunostained SLC5A3 by direct stochastic optical reconstruction microscopy (dSTORM). dSTORM in hypotonic cells revealed a surface density of membrane-associated SLC5A3 proteins of 200–2000 localizations/μm2. Assuming SLC5A3 to be the major path for myo-inositol, a turnover rate of 80–800 myo-inositol molecules per second for a single transporter protein was estimated from combined volumetric and dSTORM data. Hypotonic stress also caused a significant upregulation of SLC5A3 gene expression as detected by semiquantitative RT-PCR and Western blot analysis. In summary, our data provide first evidence for swelling-mediated activation of SLC5A3 thus suggesting a functional role of this transporter in hypotonic volume regulation of mammalian cells.
KW - electrolytes
KW - isotonic
KW - membrane proteins
KW - cell membranes
KW - hypotonic
KW - hypotonic solutions
KW - tonicity
KW - permeability
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-126408
VL - 10
IS - 3
ER -
TY - JOUR
A1 - Weiß, Clemens Leonard
A1 - Schultz, Jörg
T1 - Identification of divergent WH2 motifs by HMM-HMM alignments
JF - BMC Research Notes
N2 - Background
The actin cytoskeleton is a hallmark of eukaryotic cells. Its regulation as well as its interaction with other proteins is carefully orchestrated by actin interaction domains. One of the key players is the WH2 motif, which enables binding to actin monomers and filaments and is involved in the regulation of actin nucleation. Contrasting conserved domains, the identification of this motif in protein sequences is challenging, as it is short and poorly conserved.
Findings
To identify divergent members, we combined Hidden-Markov-Model (HMM) to HMM alignments with orthology predictions. Thereby, we identified nearly 500 proteins containing so far not annotated WH2 motifs. This included shootin-1, an actin binding protein involved in neuron polarization. Among others, WH2 motifs of ‘proximal to raf’ (ptr)-orthologs, which are described in the literature, but not annotated in genome databases, were identified.
Conclusion
In summary, we increased the number of WH2 motif containing proteins substantially. This identification of candidate regions for actin interaction could steer their experimental characterization. Furthermore, the approach outlined here can easily be adapted to the identification of divergent members of further domain families.
KW - WH2 domain
KW - spire
KW - shootin-1
KW - actin nucleation
KW - HHblits
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-126413
VL - 8
IS - 18
ER -
TY - JOUR
A1 - Lakovic, Milica
A1 - Poethke, Hans-Joachim
A1 - Hovestadt, Thomas
T1 - Dispersal timing: Emigration of insects living in patchy environments
JF - PLoS One
N2 - Dispersal is a life-history trait affecting dynamics and persistence of populations; it evolves under various known selective pressures. Theoretical studies on dispersal typically assume 'natal dispersal', where individuals emigrate right after birth. But emigration may also occur during a later moment within a reproductive season ('breeding dispersal'). For example, some female butterflies first deposit eggs in their natal patch before migrating to other site(s) to continue egg-laying there. How breeding compared to natal dispersal influences the evolution of dispersal has not been explored. To close this gap we used an individual-based simulation approach to analyze (i) the evolution of timing of breeding dispersal in annual organisms, (ii) its influence on dispersal (compared to natal dispersal). Furthermore, we tested (iii) its performance in direct evolutionary contest with individuals following a natal dispersal strategy. Our results show that evolution should typically result in lower dispersal under breeding dispersal, especially when costs of dispersal are low and population size is small. By distributing offspring evenly across two patches, breeding dispersal allows reducing direct sibling competition in the next generation whereas natal dispersal can only reduce trans-generational kin competition by producing highly dispersive offspring in each generation. The added benefit of breeding dispersal is most prominent in patches with small population sizes. Finally, the evolutionary contests show that a breeding dispersal strategy would universally out-compete natal dispersal.
KW - animal migration
KW - statistical disperison
KW - organismal evolution
KW - animal sexual behavior
KW - habitats
KW - insects
KW - carrying capacity
KW - moths and butterflies
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-126466
VL - 10
IS - 7
ER -
TY - THES
A1 - Kirscher, Lorenz
T1 - Melanogene rekombinante Vaccinia-Viren als diagnostisches und therapeutisches Agenz zur Tumorbehandlung
T1 - Melanogenic recombinant Vaccina Viruses as diagnostic and therapeutic agent for tumor treatment
N2 - Die gängigen therapeutischen Behandlungsmethoden für die verschiedensten Krebserkrankungen zeigen nach wie vor Mängel bezüglich der Effizienz sowie zahlreiche Nebenwirkungen während und nach der Behandlung. Maßgeblich für diese Defizite ist die teilweise geringe Sensitivität der meisten konventionellen diagnostischen Systeme und damit einhergehend die oftmals zu späte Identifikation entarteter Gewebsbereiche. Zur Lösung dieser Problematik bieten onkolytische Vaccinia-Viren einen Ansatz, sowohl die Effizienz der Therapie wie auch die Diagnostik zu verbessern. In beiden Fällen sind die Tumorzell-spezifische Vermehrung der Viren und die Möglichkeit entscheidend, die Viren als Vektorsystem zur Expression therapeutischer oder diagnostischer Fremdgenkassetten zu nutzen.
Um ein auf Vaccinia-Virus-basierendes Reportersystem zum diagnostischen Nachweis von Krebszellen mittels Tiefengewebs-Tomographie bereit zu stellen, wurden die für die murine Tyrosinase (mTyr) und das Tyrosinase-Helferprotein 1 (Tyrp1) kodierenden Gene in das Genom eines onkolytischen Vaccinia-Virus inseriert. Die Tyrosinase ist das Schlüsselenzym der Melaninsynthese. Bereits die solitäre Expression der Tyrosinase führt in der transformierten Zelle zur Melaninproduktion. Das Tyrosinase-Helferprotein 1 ist an der Prozessierung und Stabilisierung der Tyrosinase beteiligt. Bereits in verschiedenen Studien konnte gezeigt werden, dass Melanin als Reportermolekül für die Magnetresonanz sowie für die multispektrale optoakustische Tomographie einsetzbar ist. Es wurde deswegen angestrebt, die Kombination aus dem therapeutischen Potential des onkolytischen Vaccinia-Virus und der diagnostischen Anwendung des Melanins als Reporter auszunutzen. Sämtliche in dieser Arbeit aufgeführten rekombinanten Vaccinia-Viren (rVACV) wurden von der Firma Genelux Corporation zur Verfügung gestellt und in dieser Arbeit hinsichtlich der therapeutischen Effizienz und des diagnostischen Potentials untersucht. In ersten Zellkultur-Versuchen wurde anhand verschiedener konstitutiv melanogener rVACV-Konstrukte festgestellt, dass die Kombination aus dem Vaccinia-Virus-spezifischen synthetic early/late Promotor und dem Enzym Tyrosinase (GLV-1h327) bzw. den Enzymen Tyrosinase und Tyrosinase-Helferprotein 1 (GLV-1h324) die höchste Melaninsynthese-Rate zeigte. Anschließend wurde mittels der Bestimmung der spektralen Absorption und der Enzymaktivität der viral kodierten Melanin synthetisierenden Enzyme sowie mikroskopischer Analysen gezeigt, dass es mit diesen auf
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Vaccinia-Virus-basierenden melanogenen Reportersystemen möglich ist, die Melaninsynthese in nicht-melanogenen Zellen zu induzieren.
Anhand elektronenmikroskopischer Untersuchungen in Zellkultur und ex vivo konnte gezeigt werden, dass die nach rVACV-Infektion stattfindende Melaninsynthese in den Lysosomen der Wirtszelle abläuft. Eine Analyse der atomaren Zusammensetzung des viral vermittelten Melanins ergab, dass es sich um eine Mischform aus Eu- und Phäomelanin handelt. Dieser Melanin-Mix ähnelte dem Melanin aus Haut und Augen, jedoch lagen an Melanin-gebundene Metallionen in erhöhtem Maß vor...
N2 - The common therapeutic approaches available to treat various cancers still have deficiencies concerning their efficiency and side effects. Decisive for these deficiencies is the poor sensitivity of most of the conventional diagnostic systems and associated with that the late, sometimes too late, identification of tumorous tissue. The oncolytic vaccinia virus is an opportunity to enhance the efficiency of both the therapy and the diagnosis of tumor tissue. In both cases, the specificity for tumor cells and the simplicity of inserting foreign gene cassettes into the viral genome are key factors.
The genes encoding murine tyrosinase (mTyr) and tyrosinase related protein 1 (Tyrp1) were inserted into the genome of an oncolytic vaccinia virus. Tyrosinase is the key enzyme during melanogenesis and expression of this enzyme alone can lead to melanin production. Tyrp1 is involved in processing and stabilizing tyrosinase. Various studies have demonstrated melanin to be an excellent reporter molecule for MRI (magnetic resonance imaging) and MSOT (multispectral optoacoustic tomography). Therefore, melanogenic oncolytic vaccinia viruses were constructed to combine the therapeutic potential of this virus with diagnostic abilities of melanin. All recombinant vaccinia viruses (rVACV) mentioned were kindly provided by Genelux Corporation. In this thesis, we tested for their therapeutic efficiency and diagnostic potential. Initial cell culture experiments have shown that the combination of vaccinia virus-specific synthetic early/late promoter and the melanogenic enzyme tyrosinase (GLV-1h327) or the enzymes mTyr and Tyrp1 (GLV-1h324) have the highest melanin synthesis rate. It was observed that the infection of non-melanin producing cells with an rVACV-based melanogenic reporter system resulted in melanogenesis. Electron microscopy showed that the viral associated melanogenesis is localized in the lysosomes of the infected host cell. The atomic composition analysis of the virus-mediated melanin molecules revealed a mixture of eu- and pheomelanin. The virus-associated melanin is comparable to that in the skin and eye but showed higher amounts of melanin-bound metal ions. ...
KW - Melanin
KW - Vaccinia Virus
KW - Onkolyse
KW - MSOT
KW - MRT
KW - Tyrosinase
Y1 - 2014
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-112074
ER -
TY - THES
A1 - Vona, Barbara C.
T1 - Molecular Characterization of Genes Involved in Hearing Loss
T1 - Molekulare Charakterisierung der in Hörstörungen involvierten Genen
N2 - The auditory system is an exquisitely complex sensory organ dependent upon the synchronization of numerous processes for proper function. The molecular characterization of hereditary hearing loss is complicated by extreme genetic heterogeneity, wherein hundreds of genes dispersed genome-wide play a central and irreplaceable role in normal hearing function. The present study explores this area on a genome-wide and single gene basis for the detection of genetic mutations playing critical roles in human hearing.
This work initiated with a high resolution SNP array study involving 109 individuals. A 6.9 Mb heterozygous deletion on chromosome 4q35.1q35.2 was identified in a syndromic patient that was in agreement with a chromosome 4q deletion syndrome diagnosis. A 99.9 kb heterozygous deletion of exons 58-64 in USH2A was identified in one patient. Two homozygous deletions and five heterozygous deletions in STRC (DFNB16) were also detected. The homozygous deletions alone were enough to resolve the hearing impairment in the two patients. A Sanger sequencing assay was developed to exclude a pseudogene with a high percentage sequence identity to STRC from the analysis, which further solved three of the six heterozygous deletion patients with the hemizygous, in silico predicted pathogenic mutations c.2726A>T (p.H909L), c.4918C>T (p.L1640F), and c.4402C>T (p.R1468X). A single patient who was copy neutral for STRC and without pathogenic copy number variations had compound heterozygous mutations [c. 2303_2313+1del12 (p.G768Vfs*77) and c.5125A>G (p.T1709A)] in STRC. It has been shown that STRC has been previously underestimated as a hearing loss gene. One additional patient is described who does not have pathogenic copy number variation but is the only affected member of his family having hearing loss with a paternally segregating translocation t(10;15)(q26.13;q21.1).
Twenty-four patients without chromosomal aberrations and the above described patient with an USH2A heterozygous deletion were subjected to a targeted hearing loss gene next generation sequencing panel consisting of either 80 or 129 hearing-relevant genes. The patient having the USH2A heterozygous deletion also disclosed a second mutation in this gene [c.2276G>T (p.C759F)]. This compound heterozygous mutation is the most likely cause of hearing loss in this patient. Nine mutations in genes conferring autosomal dominant hearing loss [ACTG1 (DFNA20/26); CCDC50 (DFNA44); EYA4 (DFNA10); GRHL2 (DFNA28); MYH14 (DFNA4A); MYO6 (DFNA22); TCF21 and twice in MYO1A (DFNA48)] and four genes causing autosomal recessive hearing loss were detected [GJB2 (DFNB1A); MYO7A (DFNB2); MYO15A (DFNB3), and USH2A]. Nine normal hearing controls were also included. Statistical significance was achieved comparing controls and patients that revealed an excess of mutations in the hearing loss patients compared to the control group. The family with the GRHL2 c.1258-1G>A mutation is only the second family published worldwide with a mutation described in this gene to date, supporting the initial claim of this gene causing DFNA28 hearing loss. Audiogram analysis of five affected family members uncovered the progressive nature of DFNA28 hearing impairment. Regression analysis predicted the annual threshold deterioration in each of the five family members with multiple audiograms available over a number of years.
N2 - Das Gehör als komplexes Sinnesorgan ist für eine einwandfreie Funktion abhängig von der Synchronisation zahlreicher Prozesse. Durch die extreme genetische Heterogenität wird die molekulare Charakterisierung einer erblich bedingten Schwerhörigkeit erschwert, da hunderte genomweit verteilter Gene eine zentrale und unersetzliche Rolle beim Hören spielen. Die vorliegende Studie untersucht dieses Forschungsgebiet auf genomweiter Ebene und auf der Basis von Einzelgenen, um genetische Mutationen zu ermitteln, die eine entscheidende Rolle bei der menschlichen auditiven Wahrnehmung besitzen.
Diese Arbeit beginnt mit einer Studie an 109 Personen unter Zuhilfenahme von hochauflösenden SNP-Arrays. In dieser Studie wurde eine 6,9 Mb heterozygote Deletion auf Chromosom 4q35.1q35.2 bei einem syndromalen Patienten identifiziert, die eine Übereinstimmung mit einem Chromosom 4q-Deletionssyndrom aufwies. Bei einem weiteren Patienten wurde eine 99,9 kb heterozygote Deletion der Exons 58-64 in USH2A nachgewiesen. Zwei homozygote Deletionen und fünf heterozygote Deletionen in STRC (DFNB16) wurden ebenfalls detektiert. Die homozygoten Deletionen waren ausreichend, um die Schwerhörigkeit bei beiden Patienten zu klären. Ein Sanger-Sequenzierungs-Assay wurde entwickelt, um ein Pseudogen mit einer hohen prozentualen Sequenzidentität zu STRC von der Analyse auszuschließen. Dadurch konnten drei der sechs heterozygoten Deletionspatienten mit hemizygot in silico vorhergesagten pathogenen Mutationen, c.2726A>T (p.H909L), c.4918 C>T (p.L1640F) und c.4402C>T (p.R1468X), aufgeklärt werden. Ein Patient, der eine kopieneutrale STRC Variation und keine pathogenen Kopienzahlvariationen besaß, zeigte eine compound heterozygote Mutation [c.2303_2313+1del12 (p.G768Vfs*77) und c.5125A>G (p.T1709A)] in STRC. Es wurde gezeigt, daß die Beurteilung von STRC als Hörstörungsgen bisher unterschätzt wurde. Zusätzlich wird ein Patient beschrieben, der keine pathogenen Kopienzahlvariationen aufwies, aber das einzige Familienmitglied mit einer Schwerhörigkeit und einer paternalen segregierten Translokation t(10;15)(q26.13;q21.1) war.
Vierundzwanzig Patienten ohne Chromosomenstörungen und der oben beschriebene Patient mit einer USH2A heterozygoten Deletion wurden mit einem Next Generation Sequencing Panel bestehend aus entweder 80 oder 129 für das Hören relevanter Gene untersucht. Der Patient mit einer USH2A heterozygoten Deletion zeigte eine zweite Mutation in diesem Gen [c.2276G>T (p.C759F)]. Diese compound heterozygote Mutation ist die wahrscheinlichste Ursache für die Schwerhörigkeit des Patienten. Neun Mutationen in Genen, die zu einem autosomal dominanten Hörverlust führen [ACTG1 (DFNA20/26); CCDC50 (DFNA44); EYA4 (DFNA10); GRHL2 (DFNA28); MYH14 (DFNA4A); MYO6 (DFNA22); TCF21], sowie zwei MYO1A (DFNA48) Mutationen und Mutationen in vier weiteren Genen, verantwortlich für autosomal rezessive Schwerhörigkeit [GJB2 (DFNB1A); MYO7A (DFNB2); MYO15A (DFNB3) und USH2A], konnten identifiziert werden. Neun normal hörende Kontrollen waren ebenfalls in diese Studie einbezogen worden. Durch einen Vergleich der Kontrollen mit den Patienten konnte eine statistische Signifikanz erreicht werden, die einen Überschuss an Mutationen bei der Patientengruppe gegenüber der Kontrollgruppe aufzeigte. Die Familie mit einer GRHL2 c.1258-1G>A Mutation ist die erst zweite Familie weltweit, die mit einer Mutation in diesem Gen publiziert worden ist. Dies unterstützt die initiale Behauptung, dass dieses Gen für eine DFNA28 Schwerhörigkeit verantwortlich ist. Die Audiogrammanalyse von fünf der betroffenen Familienmitglieder lässt eine voranschreitende Natur der DFNA28 Hörschädigung erkennen. Eine jährliche Verschlechterung der Hörschwelle bei jedem der fünf Familienmitglieder konnte eine Regressionsanalyse anhand von Audiogrammen, die über eine Anzahl von Jahren zur Verfügung standen, vorhersagen.
KW - Molekularbiologie
KW - Hearing loss
KW - Hörverlust
Y1 - 2014
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-112170
N1 - Dieses Dokument wurde aus Datenschutzgründen - ohne inhaltliche Änderungen - erneut veröffentlicht.
Die ursprüngliche Veröffentlichung war am: 09.07.2014
ER -
TY - THES
A1 - Münz, Thomas Sebastian
T1 - Aspects of neuronal plasticity in the mushroom body calyx during adult maturation in the honeybee Apis mellifera
T1 - Aspekte neuronaler Plastizität im Pilzkörper kalyx während der Adultreifung der Honigbiene Apis mellifera
N2 - Division of labor represents a major advantage of social insect communities that accounts for their enormous ecological success. In colonies of the honeybee, Apis mellifera, division of labor comprises different tasks of fertile queens and drones (males) and, in general, sterile female workers. Division of labor also occurs among workers in form of an age-related polyethism. This helps them to deal with the great variety of tasks within the colony. After adult eclosion, workers spend around three weeks with various duties inside the hive such as tending the brood or cleaning and building cells. After this period workers switch to outdoor tasks and become foragers collecting nectar, pollen and water. With this behavioral transition, workers face tremendous changes in their sensory environment. In particular, visual sensory stimuli become important, but also the olfactory world changes. Foragers have to perform a completely new behavioral repertoire ranging from long distance navigation based on landmark orientation and polarized-skylight information to learning and memory tasks associated with finding profitable food sources. However, behavioral maturation is not a purely age-related internal program associated with a change, for example, in juvenile hormone titers. External factors such as primer pheromones like the brood pheromone or queen mandibular pheromone can modulate the timing of this transition. In this way colonies are able to flexibly adjust their work force distribution between indoor and outdoor tasks depending on the actual needs of the colony. Besides certain physiological changes, mainly affecting glandular tissue, the transition from indoor to outdoor tasks requires significant adaptations in sensory and higher-order integration centers of the brain.
The mushroom bodies integrate olfactory, visual, gustatory and mechanosensory information. Furthermore, they play important roles in learning and memory processes. It is therefore not surprising that the mushroom bodies, in particular their main input region, the calyx, undergo volumetric neuronal plasticity. Similar to behavioral maturation, plastic changes of the mushroom bodies are associated with age, but are also to be affected by modulating factors such as task and experience.
In my thesis, I analyzed in detail the neuronal processes underlying volumetric plasticity in the mushroom body. Immunohistochemical labeling of synaptic proteins combined with quantitative 3D confocal imaging revealed that the volume increase of the mushroom body calyx is largely caused by the growth of the Kenyon cell dendritic network. This outgrowth is accompanied by changes in the synaptic architecture of the mushroom body calyx, which is organized in a distinct pattern of synaptic complexes, so called microglomeruli. During the first week of natural adult maturation microglomeruli remain constant in total number. With subsequent behavioral transition from indoor duties to foraging, microglomeruli are pruned while the Kenyon cell dendritic network is still growing. As a result of these processes, the mushroom body calyx neuropil volume enlarges while the total number of microgloumeruli becomes reduced in foragers compared to indoor workers. In the visual subcompartments (calyx collar) this process is induced by visual sensory stimuli as the beginning of pruning correlates with the time window when workers start their first orientation flights. The high level of analysis of cellular and subcellular process underlying structural plasticity of the mushroom body calyx during natural maturation will serve as a framework for future investigations of behavioral plasticity in the honeybee.
The transition to foraging is not purely age-dependent, but gets modulated, for example, by the presence of foragers. Ethyl oleate, a primer pheromone that is present only in foragers, was shown to delay the onset of foraging in nurse bees. Using artificial application of additional ethyl oleate in triple cohort colonies, I tested whether it directly affects adult neuronal plasticity in the visual input region of the mushroom body calyx. As the pheromonal treatment failed to induce a clear behavioral phenotype (delayed onset of foraging) it was not possible to show a direct link between the exposure to additional ethyl oleate and neuronal plasticity in mushroom body calyx. However, the general results on synaptic maturation confirmed my data of natural maturation processes in the mushroom body calyx.
Given the result that dendritic plasticity is a major contributor to neuronal plasticity in the mushroom body calyx associated with division of labor, the question arose which proteins could be involved in mediating these effects. Calcium/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) especially in mammals, but also in insects (Drosophila, Cockroach), was shown to be involved in facilitating learning and memory processes like long-term synaptic potentiation. In addition to presynaptic effects, the protein was also revealed to directly interact with cytoskeleton elements in the postsynapse. It therefore is a likely candidate to mediate structural synaptic plasticity. As part of my thesis, the presence and distribution of CaMKII was analyzed, and the results showed that the protein is highly concentrated in a distinct subpopulation of the mushroom body intrinsic neurons, the noncompact Kenyon cells. The dendritic network of this population arborizes in two calyx subregions: one receiving mainly olfactory input – the lip – and the collar receiving visual input. This distribution pattern did not change with age or task. The high concentration of CaMKII in dendritic spines and its overlap with f-actin indicates that CaMKII could be a key player inducing structural neuronal plasticity associated with learning and memory formation and/or behavioral transitions related to division of labor. Interestingly CaMKII immunoreactivity was absent in the basal ring, another subregion of the mushroom body calyx formed almost exclusively by the inner compact Kenyon cells and known to receive combined visual and olfactory input. This indicates differences of this mushroom body subregion regarding the molecular mechanisms controlling plastic changes in corresponding Kenyon cells.
How is timing of behavioral and neuronal plasticity regulated? The primer pheromone ethyl oleate was found in high concentrations on foragers and was shown to influence behavioral maturation by delaying the onset of foraging when artificially applied in elevated concentrations. But how is ethyl oleate transferred and how does it shift the work force distribution between indoor and outdoor tasks? Previous work showed that ethyl oleate concentrations are highest in the honeycrop of foragers and suggested that it is transferred and communicated inside the colony via trophallaxis. The results of this thesis however clearly show, that ethyl oleate was not present inside the honey crop or the regurgitate, but rather in the surrounding tissue of the honey crop. As additionally the second highest concentration of ethyl oleate was measured on the surface of the cuticle of forgers, trophallaxis was ruled out as a mode of transmission. Neurophysiological measurements at the level of the antennae (electroantennogram recordings) and the first olfactory neuropil (calcium imaging of activity in the antennal lobe) revealed that the primer pheromone ethyl oleate is received and processed as an olfactory stimulus. Appetitive olfactory conditioning using the proboscis extension response as a behavioral paradigm showed that ethyl oleate can be associated with a sugar reward. This indicates that workers are able to perceive, learn and memorize the presence of this pheromone. As ethyl oleate had to be presented by a heated stimulation device at close range, it can be concluded that this primer pheromone acts via close range/contact chemoreception through the olfactory system. This is also supported by previous behavioral observations.
Taken together, the findings presented in this thesis revealed structural changes in the synaptic architecture of the mushroom body calyx associated with division of labor. For the primer pheromone ethyl oleate, which modulates the transition from nursing to foraging, the results clearly showed that it is received via the olfactory system and presumably acts via this pathway. However, manipulation experiments did not indicate a direct effect of ethyl oleate on synaptic plasticity. At the molecular level, CaMKII is a prime candidate to mediate structural synaptic plasticity in the mushroom body calyx. Future combined structural and functional experiments are needed to finally link the activity of primer pheromones like ethyl oleate to the molecular pathways mediating behavioral and synaptic plasticity associated with division of labor in Apis mellifera. The here identified underlying processes will serve as excellent models for a general understanding of fundamental mechanisms promoting behavioral plasticity.
N2 - Arbeitsteilung stellt einen der wesentlichen Faktoren dar, der für den ökologischen Erfolg von sozialen Insektengemeinschaften verantwortlich ist. In Staaten der Honigbiene, Apis mellifera, umfasst die Arbeitsteilung verschiedene Aufgaben für die fertilen Königinnen und Drohnen (Männchen) beziehungsweise die gewöhnlicherweise sterilen Arbeiterinnen. Arbeitsteilung findet aber auch in Form eines altersabhängigen Polyethismus zwischen den Arbeiterinnen selber statt. Dies hilft ihnen die Vielzahl verschiedener Aufgaben im Stock zu bewältigen. Nach dem Schlupf verbringen die Arbeiterinnen etwa drei Wochen mit verschiedenen Aufgaben im Stock, wie beispielsweise Brutpflege oder Reinigen und Bauen neuer Wabenzellen. Nach dieser Zeit wechseln die Arbeiterinnen zu Aufgaben außerhalb des Stocks und werden Nektar-, Pollen- oder Wassersammlerinnen. Durch diesen Verhaltensübergang sind die Arbeiterinnen mit einem massiven Wandel ihrer sensorischen Umwelt konfrontiert. Im speziellen werden nun visuelle Reize wichtig, aber auch die olfaktorische Welt der Arbeiterinnen ändert sich. Sammlerinnen zeigen ein komplett neues Verhaltensrepertoire das von Langstreckennavigation, basierend Landmarken und dem Polarisationsmuster des Himmels, bishin zu Lern- und Gedächtnisaufgaben im Zusammenhang mit dem Auffinden profitabler Futterquellen reicht. Allerdings ist Verhaltensreifung kein rein altersbedingtes internes Programm beispielsweise basierend auf einer Veränderung des Juvenilhormon-Titers. Externe Faktoren wie beispielsweise die Primer Pheromone Brutpheromone oder Königinnenpheromon können den Zeitpunkt des Übergangs modulieren. Hierdurch sind Staaten in der Lage ihre Arbeiterkräfte flexibel zwischen Innen- und Außendienst Aufgaben zu verschieben. Neben bestimmten physiologischen Veränderungen, die vor allem Drüsengewebe betreffen, benötigt der Übergang vom Innendienst zum Außendienst deutliche Anpassungen sensorischer und höherer Integrationszentren im Gehirn.
Die Pilzkörper integrieren olfaktorische, visuelle und mechanosensorische Informationen. Sie spielen weiterhin eine wichtige Rolle für Lern- und Gedächtnisvorgänge. Es ist daher nicht überraschend, dass die Pilzkörper, im Speziellen deren Haupteingangsregion, der Kalyx, eine neuronale Volumensplastizität durchlaufen. Ähnlich wie die Verhaltensreifung, sind plastische Veränderungen im Pilzkörper mit dem Alter verbunden, werden aber auch durch modulierende Faktoren wie Aufgabe und Erfahrungen beeinflusst.
In meiner Dissertation habe ich detailliert die neuronalen Prozesse analysiert, die der Volumensplastizität des Pilzkörpers zugrunde liegen. Immunhistologische Färbungen synaptischer Proteine kombiniert mit quantitativer 3D Konfokalmikroskopie zeigten, dass die Volumenszunahme des Pilzkörpers hauptsächlich durch dendritisches Wachstum des Kenyon-Zellen-Netzwerks bedingt ist. Dieses Auswachsen wurde begleitet durch Veränderungen der synaptischen Architektur des Kalyx des Pilzkörpers, welcher in Form synaptischer Komplexe, sogenannter Mikroglomeruli organisiert ist. Während der ersten Woche der Adultreifung blieb die Gesamtzahl der Mikroglomeruli konstant. Im folgenden Verhaltensübergang von Innendienstaufgaben zum Sammeln, wurden die Mikroglomeruli zurückgetrimmt, während das dendritische Kenyon-Zell-Netzwerk weiterhin wuchs. Als Ergebnis dieser Prozesse vergrößerte sich das Volumen des Kalyx des Pilzkörpers während die Gesamtzahl der Mikroglomeruli bei Sammlerinnen im Vergleich zu Inndienst Arbeiterinnen reduziert war. In der visuellen Unterregion (Kragen des Kalyx) wurde dieser Prozess induziert durch sensorische Stimuli, da der Beginn des Zurücktrimmens mit dem Zeitfenster zusammenfiel, in dem die Arbeiterinnen ihre ersten Orientierungsflüge starteten. Der hohe Analysegrad der zellulären und subzellulären Prozesse, die der strukturellen Plastizität des Kalyx des Pilzkörpers während der natürlichen Reifung zugrunde liegen, wird zukünftigen Untersuchungen der Verhaltensplastizität bei Honigbienen als Referenz dienen.
Der Übergang zur Sammlerin ist nicht rein altersabhängig, sondern wird beispielsweise durch die Gegenwart von anderen Sammlerinnen moduliert. Ethyloleat, ein Primer Pheromone das nur auf Sammlerinnen auftritt, verzögert das Einsetzen des Sammelns von Ammenbienen. Durch das Einbringen zusätzlichen Ethyloleats in Dreifach Kohorten, testete ich, ob es einen direkten Einfluss auf die neuronale Plastizität der visuellen Eingangsregion des Pilzkörper Kalyx hat. Da durch die Pheromon Behandlung kein eindeutiger Verhaltensphänotyp (verzögerter Sammelbeginn) induziert werden konnte, war es nicht möglich einen direkten Zusammenhang zwischen der verstärkten Ethyloleat-Exposition und der neuronalen Plastizität des Kalyx des Pilzkörpers herzustellen. Dennoch bestätigten die Beobachtungen der synaptischen Reifung meine generellen Daten zu den natürlichen Reifungsprozessen im Kalyx des Pilzkörper.
Basierend auf dem Ergebnis, dass dendritische Plastizität einen wesentlichen Anteil an der arbeitsteilungsbezogenen neuronalen Plastizität des Kalyx des Pilzkörper hat, stellte sich die Frage, welche Proteine daran beteiligt sein könnten diese Effekte zu vermitteln. Von der Calcium/Calmodulin abhängigen Kinase II (CaMKII) ist bekannt, dass sie speziell bei Säugetieren - aber bei Insekten (Drosophila, Schabe) - daran beteiligt ist, Lern- und Gedächtnisvorgänge, wie die Langzeitpotenzierung, zu ermöglichen. Neben präsynaptischen Effekten, wurde gezeigt, dass dieses Protein direkt mit Elementen des postsynaptischen Cytoskeletts interagieren kann. Als Teil meiner Dissertation habe ich das Vorkommen und die Verteilung der CaMKII analysiert. Ich konnte es hochkonzentriert in einer definierten Subpopulation der intrinsischen Pilzkörper-Neurone, den „nicht kompakten“ Kenyon Zellen, nachweisen. Das dendritische Netzwerk dieser Population verzweigt sich in zwei Kalyx Subregionen: eine olfaktorisch innervierte – die Lippe – und den Kragen, welcher optischen Eingang erfährt. Dieses Verteilungsmuster ändert sich nicht mit dem Alter oder der Aufgabe der Biene. Die hohe Konzentration von CaMKII in den dendritsichen Dornenfortsätzen und die gleichzeitige räumliche Überlappung mit f-Aktin, weisen darauf hin, dass CaMKII eine Schüsselrolle bei der Induzierung struktureller neuronaler Plastizität im Zusammenhang mit Lernen und Gedächtnisbildung und/oder Arbeitsteilung bezogener Verhaltensübergänge, zukommen könnte. Interessanterweise wies der Basalring, eine weitere Subregion des Kalyx des Pilzkörpers die dafür bekannt ist kombinierten visuellen und olfaktorischen Eingang zu erhalten und fast ausschließlich durch die „inneren kompakten“ Kenyon Zellen gebildet wird, keine Immunreaktivität auf. Dies deutet auf Unterschiede in den molekularen Mechanismen die plastische Veränderungen in den entsprechenden Kenyon zellen kontrollieren.
Wie wird die zeitliche Abstimmung der Verhaltensplastizität und neuronalen Plastizität reguliert? Für das in hohen Konzentration auf Sammlerinnen vorkommende Primer Pheromon Ethyloelat konnte durch dessen Anwendung in erhöhten Konzentrationen gezeigt werden, dass es die Verhaltensreifung durch Verzögerung des Sammelbeginns beeinflussen kann. Wie aber wird Ethyloleat transferiert und wie verschiebt es die Arbeitskräfteverteilung zwischen Innen- und Außendienst Aufgaben? Frühere Arbeiten zeigten die höchste Konzentration von Ethyloleat im Sozialmagen der Sammlerinnen und schlugen vor, dass es innerhalb der Kolonie über Trophollaxis transferiert und kommuniziert wird.
Die Ergebnisse meiner Arbeit zeigten aber eindeutig, dass Ethyloleat nicht im Inhalt des Sozialmagen und auch nicht im Regurgitat, sondern nur im Gewebe des Sozialmagens vorhanden ist. Da zusätzlich die zweithöchste Konzentration von Ethyloleat auf der Oberfläche der Kutikula von Sammlerinnen gemessen wurde, wurde Trophollaxis als Übertragungsmodus ausgeschlossen. Neurophysiologische Messungen an der Antenne (Elektroantennografie), dem ersten olfaktorischen Neuropil (Calcium Imaging der Aktivität des Antennallobus), zeigten, dass Ethyloleat als olfaktorischer Reiz wahrgenommen und prozessiert wird. Appetitive olfaktorische Konditionierung mit Hilfe des Rüsselstreckreflexes wurde als Verhaltensparadigma verwendet um zu zeigen, dass Ethyloleat mit einer Zuckerbelohnung assoziiert werden kann. Dies deutet darauf hin, dass Arbeiterinnen in der Lage sind, die Anwesenheit dieses Pheromons zu perzipieren, zu erlernen und sich auch daran zu erinnern. Da Ethyloleat nur durch Erwärmung als Stimulus präsentiert werden konnte, lässt sich schlussfolgern, dass es über Nahbereichs/Kontakt-Chemorezeption durch das olfaktorische System wahrgenommen wird. Dies wird auch durch frühere Verhaltensbeobachtungen unterstützt.
Zusammengenommen, zeigen die in dieser Dissertation präsentierten Ergebnisse strukturelle Veränderungen in der synaptischen Architektur des Kalyx des Pilzkörpers in Zusammenhang mit Arbeitsteilung. Für das Primer Pheromone Ethyloleat, welches den Übergang von Ammendiensten zum Sammeln moduliert, zeigten die Ergebnisse eindeutig, dass es über das olfaktorische System wahrgenommen wird und vermutlich auch über diesen Weg seine Wirkung vermittelt. Dennoch konnten Manipulationsexperimente keine direkte Verbindung zwischen Ethyloleat und der synaptischen Reifung herstellen. Auf molekularer Ebene stellt CaMKII einen Topkandidaten dar, der strukturelle synaptische Plastizität im Kalyx des Pilzkörpers vermitteln kann. Eine Kombination struktureller und funktioneller Experimente ist der nächste logische Schritt um schlussendlich die Verbindung zwischen der Aktivität von Primer Pheromonen (wie Ethyloleat) und molekularen Signalwegen, die Verhaltensplastizität und synaptische Plastizität im Zusammenhang mit der Arbeitsteilung von Apis mellifera vermitteln, herzustellen. Die hierbei identifizierten zugrundeliegenden Prozesse werden als exzellente Modelle für ein generelles Verständnis der fundamentalen Mechanismen welche Verhaltensplastizität vermitteln, dienen.
KW - Biene
KW - Neuronale Plastizität
KW - Pheromon
KW - Neuronal plasticity
KW - Honeybee
KW - Pheromon communication
KW - CaMKII
KW - Division of labor
KW - Neuronale Plastizität
KW - Honigbiene
KW - Pheromon Kommunikation
KW - Arbeitsteilung
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-111611
ER -
TY - THES
A1 - Kubisch (geb. Wiegand), Franziska
T1 - Learning in botanical gardens: Investigating educational methods during an instruction about plants and water
T1 - Lernen in Botanischen Gärten: Die Untersuchung von Lehrmethoden während einer Intervention über Pflanzen und Wasser
N2 - The contribution of botanical gardens to out-of-school education should be larger than it is currently in Germany. In the curricula of all school types botany plays only a minor role, although plants form the base for all animal life on earth. To increase the attractiveness of botanical gardens for teachers, offers and programs should be created and conducted in didactically sensible manners and allow students an emotional approach towards the topics through trial and experiments. Therefore it is insufficient to conduct guided tours, which are still most common. Student-centered methods, like learning at workstations, or experimental courses, can lead to an improved retention of the contents learned at the out-of-school learning setting. There are, however, methodological differences even within learning at workstations.
In the first part of my study I compared a student- (S) and a teacher-centered (T) type of learning at workstations (chapter III). My intention was to find out, which of both methods results in more positive emotions at the out-of-school learning location and a higher sustainable knowledge increase. Like in all three parts of my study, 8th grade students from so-called “Mittelschulen” and “Realschulen” from Lower Franconia participated in the programs. I evaluated them by using multiple-choice tests assessing the students' knowledge regarding the topic 'plants and water' (see Appendix), following a before-after / control-impact study design. The students' emotions were assessed using the intrinsic motivation inventory directly after the garden visit. Using generalized linear mixed models, I did not find a significant difference between either of the two approaches. A reason for this could be that the students could be practically active in both methods, which made them fairly similar. Given that there was a significant knowledge increase in both methods, and the effort to develop the teacher-centered learning at workstations was much lower, I would suggest to follow that method for educational work in botanical gardens.
Students already have many predefined concepts regarding many topics, especially when these are important in everyday life. These concepts do often not match the scientific state-of-the-art. Still, students bring their so-called 'alternative conceptions' into visits to the botanical garden. According to theory, confronting them with their own conceptions in the light of scientific facts, should foster updating their concepts with scientifically correct additions. To investigate this method regarding my topic 'plants and water', I developed an intervention with experiments on the lotus effect, which also plays a role in everyday life (chapter IV). Topics like the surface tension of the water, which is also found in 6th grade curricula in German schools, were included. Prior to the intervention, I assessed the students' conceptions using questionnaires and used the three most frequent alternative conceptions to develop a multiple-choice test, which was also used in a before-after / control-impact design. A group of students was also confronted with their conceptions during an introductory talk (AC), whereas another was not (NAC). This was conducted in a way, that likely led to dissatisfaction of the students with their own concepts. The analysis of the questionnaires with the Mann-Whitney U test showed, however, no difference between the two groups directly following the treatment. Over longer time, however, the NAC group retained significantly more knowledge. Probably the students confronted with the alternative conceptions remembered the illustrations of these more easily than the scientifically correct view. For some botanical topics it is certainly helpful to include this conceptual change approach, but apparently not for the lotus effect. In this case it is most sensible to focus on the surface structure of water-repellent leaves and fruits, as we describe it in a publication in 'Unterricht Biologie'. For the practical work in botanical gardens I would suggest to rather assess the students' concepts and assumptions in the beginning of an intervention in a botanical garden, especially with respect to feasibility.
In the third part of my study I concentrate on the application of concept maps (chapter V). This method of cross-linking old and newly acquired knowledge is effective, but not very common in Germany, neither in schools, nor in botanical gardens. One group of students followed exclusively a teacher-centered learning at workstations regarding 'plants and water' (NCM), a second group created concept maps directly after the treatment and a second directly before the retention test (CM). The first map was intended to be a means of consolidation, whereas the late map was rather focused on recapitulation of what was learned about six weeks ago. To evaluate that I used the same multiple-choice tests as I did for the first part. The CM group showed a significantly higher knowledge increase, over short and long time-scales, although these students did significantly worse in the pretest than those of the NCM group. Regarding genders, female students profited especially from the first concept map (consolidation), males rather from the second (recapitulation). From the results one can conclude that prominently weaker students benefit from this method. Additionally the gender-related results show that using concept maps multiple times can be beneficial for different types of learners.
In every study there also was a control group (C), which only had to fill out the questionnaires at the same time as the participating students, to account for external factors (like media, etc.).
Especially learning at workstations and concept maps are very appropriate to be conducted at the out-of-school learning location botanical garden and are likely to strongly increase learning success. It is beneficial to mix several methods to achieve the best results in different types of learners. Additionally, when methods in school are mixed with those of out-of-school learning, the education gets more open, practical and colorful. That all resulted in a substantial long-term knowledge gain of all participating students.
N2 - Der Beitrag botanischer Gärten zur außerschulischen Bildung sollte größer sein, als er momentan in Deutschland ist, denn in den Lehrplänen aller Schularten spielt die Botanik eine sehr geringe Rolle, obwohl Pflanzen die Grundlage allen tierischen Lebens sind. Doch um diesen Lernort für Lehrer attraktiver zu machen, sollten die Programme und Angebote didaktisch aufbereitet sein und den Schülern durch Ausprobieren und Experimentieren einen emotionalen Zugang bieten. Hierfür genügt es nicht, Führungen und Lehrervorträge durchzuführen, welche noch immer zu hohen Prozentsätzen stattfinden. Schülerzentrierte Methoden, wie das Lernen an Stationen, oder experimentelle Praktika, können dazu führen, dass das am außerschulischen Lernort (ASL) Gelernte besser im Gedächtnis bleibt. Jedoch gibt es auch beim Lernen an Stationen methodische Unterschiede.
Im ersten Teil meiner Studie habe ich eine schülerzentrierte (S) gegen eine lehrerzentrierte (T) Form des Lernens an Stationen gegeneinander getestet (siehe Kapitel III), um herauszufinden, welche der beiden Methoden zu positiveren Emotionen am ASL und einem erhöhten, anhaltenden Wissenszuwachs führt. Wie bei allen drei Teilen meiner Studie nahmen Schüler und Schülerinnen der 8. Jahrgangstufe von Mittel-und Realschulen aus Unterfranken teil. Evaluiert wurde mithilfe eines selbst entwickelten Multiple-Choice-Tests zum Wissen der Schüler und Schülerinnen zum Thema Wasser und Pflanzen (siehe Appendix 5). Dieser Test erfolgte als Vor- und Nachtest sowie als verzögerter Behaltenstest (retention). Die Emotionen der Schüler und Schülerinnen wurden über den IMI-Fragebogen (intrinsic motivation inventory) direkt nach dem Besuch im botanischen Garten einmalig erfragt. Weder beim Wissenstest, noch bei den Emotionen, ergab sich nach Auswertung mittels generalisierter gemischter linearer Modelle (GLMM) ein klares Signal für eine der beiden Methoden. Ein Grund könnte sein, dass bei beiden Formen des Lernens an Stationen die Schüler und Schülerinnen auch praktisch aktiv werden konnten, sich die Methoden somit sehr ähnelten. Da bei beiden Methoden insgesamt signifikant dazu gelernt wurde und das eher lehrerzentierte Lernen an Stationen nicht so aufwändig war in der Entwicklung wie das schülerzentrierte, würde ich den botanischen Gärten erstere Methode für die Bildungsarbeit empfehlen.
Schüler und Schülerinnen haben zu vielen Themen, vor allem des Alltags, bereits ganz eigene Konzepte und Vorstellungen, die nicht unbedingt denen das aktuellen wissenschaftlichen Standes entsprechen. So kommen die Schüler und Schülerinnen natürlich auch mit diesen individuellen Konzepten in den botanischen Garten. Hier sollte nun auch auf diese sogenannten “alternativen Konzepte” eingegangen werden, da diese Konfrontation, laut Theorie, die Übernahme neuer, wissenschaftlich korrekter Bausteine in das bereits vorhandene Konzept fördern soll. Um bei dem Thema Wasser und Pflanzen zu bleiben und gleichzeitig ein alltagsrelevantes Thema anzusprechen, habe ich ein Praktikum und Experimente zum Lotuseffekt entwickelt und die Vorstellungen der Schüler und Schülerinnen dazu erfragt (siehe chapter IV). Hierbei spielten auch Themen wie die Oberflächenspannung von Wasser eine Rolle, was in Deutschland in der 6. Klasse angesprochen wird. Aus nicht korrekten Vorstellungen wurden die drei häufigsten ausgesucht und daraus ein Multiple-Choice-Test entwickelt, der ebenfalls als Vor-, Nach- und Behaltenstest fungierte. In einem einführenden Vortrag zum Lotuseffekt wurde ein Teil der Schüler und Schülerinnen (AC) zusätzlich mit diesen alternativen Vorstellungen konfrontiert, über Bilder und im Unterrichtsgespräch. Dies erfolgte in einer Art und Weise, sodass die Schüler und Schülerinnen mit der eigenen Vorstellung unzufrieden wurden. Eine zweite Gruppe wurde während des Vortrags nicht mit ihren alternativen Vorstellungen konfrontiert (NAC). Die Auswertung der Fragebögen über den Mann-Whitney U Test ergab keinen Unterschied zwischen den beiden Gruppen im Hinblick auf den kurzfristigen Wissenserwerb. Die Gruppe jedoch, welche nicht mit ihren alternativen Vorstellungen konfrontiert wurde (NAC), lernte langfristig im Vergleich zu der AC-Gruppe signifikant mehr dazu. Womöglich erinnerten sich die Schüler und Schülerinnen der AC-Gruppe nur noch an die Bilder der falschen und nicht an die der wissenschaftlich korrekten Vorstellung und wurden somit irritiert. Bei einigen botanischen Themen ist es sicherlich von Vorteil, die alternativen Vorstellungen der Schüler und Schülerinnen einzubringen, vielleicht nicht unbedingt beim Lotuseffekt. Hier sollte man sich, wie in einem von uns dazu verfassten Artikel in der Unterricht Biologie beschrieben sein wird, auf die Oberflächenstruktur von wasserabweisenden Blättern und Früchten beschränken. Für die pädagogische Arbeit in botanischen Gärten würde ich die mündliche Abfrage der Vorstellungen und Vermutungen der Schüler und Schülerinnen zu Beginn eines Programmes aus Gründen der besseren und schnelleren Umsetzbarkeit empfehlen.
Im dritten Teil meiner Studie beschäftigte ich mich mit der Anwendung von Concept Maps (siehe Kapitel V). Diese Methode des Vernetzens von altem und neu erworbenem Wissen ist effektiv, aber weder in deutschen Schulen, noch in botanischen Gärten weit verbreitet. Eine Gruppe folgte ausschließlich dem lehrerzentrierten Lernen an Stationen zu Wasser und Pflanzen (NCM), eine zweite Gruppe erstellte direkt im Anschluss an das lehrerzentrierte Lernen an Stationen sowie direkt vor dem Behaltenstest eine Concept Map (CM). Die erste Map diente hierbei als Sicherungsform des gerade Gelernten und die späte Map als Wiederholung des vor circa sechs Wochen Gelernten. Als Evaluationsinstrument diente erneut der eigens entwickelte Multiple-Choice-Wissenstest aus der ersten Teilstudie. Die CM-Gruppe zeigte einen signifikant größeren Lernzuwachs, kurz- wie auch langfristig, im Vergleich zur NCM-Gruppe, obwohl die CM-Gruppe im Vortest signifikant schlechter war. Im Hinblick auf die Geschlechter haben die Mädchen vor allem von der ersten Sicherungs-Map und die Jungen mehr von der Wiederholungs-Map profitiert. Anhand der Ergebnisse kann man schlussfolgern, dass vor allem schwächere Schüler und Schülerinnen von dieser Methode profitieren. Außerdem zeigen die Ergebnisse zu den Geschlechtern, dass das mehrmalige Anwenden von Concept Maps unterschiedliche Lerntypen fördern kann.
Bei jeder der drei Studien gab es eine Kontrollgruppe (C), die ausschließlich die Fragebögen im Abstand von sechs bis acht Wochen in der Schule beantworten musste. Dies diente dem Ausschließen von Vorkomnissen in der Öffentlichkeit und dem Umfeld der Schüler und Schülerinnen, was deren Wissen zu Wasser und Pflanzen und dem Lotuseffekt hätte erheblich steigern können.
Vor allem das Lernen an Stationen sowie die Concept Maps lassen sich sehr gut am ASL botanischer Garten durchführen und können zu einem größeren Lernerfolg führen. Am besten spricht man hier die meisten Lerntypen an, wenn man während der Programme möglichst viele verschiedene Methoden anwendet. Dazu kommt, dass man neben den Methoden aus der Schule natürlich auch die des ASL einbringt und so der Unterricht automatisch anschaulicher, offener und praktischer wird. Dies alles hat dazu geführt, das alle Gruppen langfristig signifikant dazu gelernt haben.
KW - Konstruktive Didaktik
KW - Out-of-school learning settings
KW - botanical gardens
KW - conceptual change
KW - learning at workstations
KW - concept maps
KW - Botanischer Garten
KW - Lernort
KW - Stationenarbeit
Y1 - 2014
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-111620
ER -
TY - JOUR
A1 - Gross, Hans J.
A1 - Samhita, Laasya
T1 - The “Clever Hans Phenomenon” revisited
N2 - In the first decade of the 20th century, a horse named Hans drew worldwide attention in Berlin as the first and most famous “speaking” and thinking animal. Hans solved calculations by tapping numbers or letters with his hoof in order to answer questions. Later on, it turned out that the horse was able to give the correct answer by reading the microscopic signals in the face of the questioning person. This observation caused a revolution and as a consequence, experimenters avoided strictly any face-to-face contact in studies about cognitive abilities of animals—a fundamental lesson that is still not applied rigorously.
KW - Clever Hans Phenomenon
Y1 - 2013
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-112626
ER -
TY - THES
A1 - Hondke, Sylvia
T1 - Elucidation of WISP3 function in human mesenchymal stem cells and chondrocytes
T1 - Aufklärung der WISP3 Funktion in humanen mesenchymalen Stammzellen und Chondrozyten
N2 - WISP3 is a member of the CCN family which comprises six members found in the 1990’s: Cysteine-rich,angiogenic inducer 61 (CYR61, CCN1), Connective tissue growth factor (CTGF, CCN2), Nephroblastoma overexpressed (NOV, CNN3) and the Wnt1 inducible signalling pathway protein 1-3 (WISP1-3, CCN4-6).They are involved in the adhesion, migration, mitogenesis, chemotaxis, proliferation, cell survival, angiogenesis, tumorigenesis, and wound healing by the interaction with different integrins and heparan sulfate proteoglycans. Until now the only member correlated to the musculoskeletal autosomal disease Progressive Pseudorheumatoid Dysplasia (PPD) is WISP3. PPD is characterised by normal embryonic development followed by cartilage degradation over time starting around the age of three to eight years. Animal studies in mice exhibited no differences between knock out or overexpression compared to wild type litter mates, thus were not able to reproduce the symptoms observed in PPD patients. Studies in vitro and in vivo revealed a role for WISP3 in antagonising BMP, IGF and Wnt signalling pathways. Since most of the knowledge of WISP3 was gained in epithelial cells, cancer cells or chondrocyte cell lines, we investigated the roll of WISP3 in primary human mesenchymal stem cells (hMSCs) as well as primary chondrocytes.
WISP3 knock down was efficiently established with three short hairpin RNAs in both cell types, displaying a change of morphology followed by a reduction in cell number. Simultaneous treatment with recombinant WISP3 was not enough to rescue the observed phenotype nor increase the endogenous expression of WISP3. We concluded that WISP3 acts as an essential survival factor, where the loss resulted in the passing of cell cycle control points followed by apoptosis. Nevertheless, Annexin V-Cy3 staining and detection of active caspases by Western blot and immunofluorescence staining detected no clear evidence for apoptosis. Furthermore, the gene expression of the death receptors TRAILR1 and TRAILR2,important for the extrinsic activation of apoptosis, remained unchanged during WISP3 mRNA reduction. Autophagy as cause of cell death was also excluded, given that the autophagy marker LC3 A/B demonstrated to be uncleaved in WISP3-deficient hMSCs. To reveal correlated signalling pathways to WISP3 a whole genome expression analyses of WISP3-deficient hMSCs compared to a control (scramble) was performed. Microarray analyses exhibited differentially regulated genes involved in cell cycle control, adhesion, cytoskeleton and cell death. Cell death observed by WISP3 knock down in hMSCs and chondrocytes might be explained by the induction of necroptosis through the BMP/TAK1/RIPK1 signalling axis. Loss of WISP3 allows BMP to bind its receptor activating the Smad 2/3/4 complex which in turn can activate TAK1 as previously demonstrated in epithelial cells. TAK1 is able to block
caspase-dependent apoptosis thereby triggering the assembly of the necrosome resulting in cell death by necroptosis.
Together with its role in cell cycle control and extracellular matrix adhesion, as demonstrated in human mammary epithelial cells, the data supports the role of WISP3 as tumor suppressor and survival factor in cells of the musculoskeletal system as well as epithelial cells.
N2 - WISP3 ist ein Mitglied der CCN-Familie, die aus sechs Familienmitgliedern besteht und in den 1990er Jahren endeckt wurde: Cysteine-rich, angiogenic inducer 61 (CYR61, CCN1), Connective tissue growth factor (CTGF, CCN2), Nephroblastoma overexpressed (NOV, CNN3) und den Wnt1 inducible signalling pathway protein 1-3 (WISP1-3, CCN4-6). Die CCN-Proteine sind durch ihre Interaktion mit verschiede- nen Integrinen und Heparansulfaten involviert in die Regulation der Adhäsion, der Migration, der Mi- togenese, der Chemotaxis, der Proliferation, des Zellüberlebens, der Angiogenese, der Tumorgenese und der Wundheilung. WISP3 ist momentan das einzige Mitglied, das direkt mit einer muskuloskelettalen Erkrankung, der Progressiven Pseudorheumatoiden Dysplasie (PPD), assoziiert wird. PPD ist charakter- isiert durch eine normale embryonale Entwicklung mit fortschreitender Knorpeldegeneration beginnend im Alter von drei bis acht Jahren.
Tierversuche mit knock out oder Überexpression von WISP3 in Mäusen waren nicht in der Lage die Symptome der Erkrankung nachzustellen, da keine Unterschiede im Vergleich zu den Wurfgeschwistern beobachtbar waren. In vitro und in vivo Studien offenbarten eine antagonisierende Rolle für WISP3 im BMP, IGF und Wnt Signalweg. Da die meisten Informationen über WISP3 jedoch in Epithel- und Krebszellen sowie immortalisierten Chondrozytenzelllinien generiert wurden, untersuchten wir die Rolle von WISP3 in primären humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSZs) und primären Chondrozyten. Der WISP3 knock down wurde mit drei short hairpin RNAs in beiden Zelltypen etabliert und wies eine veränderte Zellmorphologie sowie eine reduzierte Zellzahl auf. Knock down mit gleichzeitiger rekombi- nanter WISP3-Behandlung konnte den beobachteten Phänotyp sowie den Zellverlust nicht retten und auch eine Änderung der endogenen Genexpression von WISP3 war nicht zu detektieren. Schlussfolgernd muss WISP3 ein wichtiger Überlebensfaktor sein, dessen Verlust zur Überschreitung von Zellzyklus- Kontrollpunkten führt, was in Apoptose mündet. Apoptosenachweise wie Annexin V-Cy3 Färbung, Immunfluoreszenzfärbung und Western blot für aktive Caspasen lieferten keine positiven Beweise für diese Form des Zelltodes. Auch die Genexpression der Todesrezeptoren TRAILR1 und TRAILR2, wichtig für die extrinsische Aktivierung der Apoptose, zeigte kein verändertes Expressionsmuster in WISP3-defizienten hMSZs. Autophagie als Zelltod wurde ebenfalls ausgeschlossen, nachdem im West- ern Blot kein gespaltene Form des Autophagiemarkers LC3 A/B zu detektieren war. Um die Rolle von WISP3 beim Zelltod weiter zu entschlüsseln, wurden Genom-Expressionsanalysen von WISP3-defizienten hMSZs im Vergleich zu Kontroll-hMSZs angefertigt. Die Analysen ergaben unterschiedlich regulierte Gene vor allem in den Bereichen Zellzyklus-Regulation, Adhäsion, Zytoskelett und Zelltod. Der durch WISP3-Verlust ausgelöste Zelltod kann möglicherweise durch die Aktivierung der Nektroptose über den BMP/TAK1/RIPK1 Signalweg erklärt werden. Es ist bekannt, dass WISP3 BMP4 bindet und so dessen Bindung an den Rezeptor verhindert. Bei WISP3 Verlust bindet BMP4 an seinen Rezeptor und aktiviert den Smad 2/3/4 Komplex der wiederum TAK1 phosphoryliert, wie zuvor in Epithelzellen demonstriert. TAK1 ist in der Lage die Caspase-induzierte Apoptose zu blockieren und auf diese Weise die Bildung des Nekrosomes auszulösen, welches zum Zelluntergang durch Nekroptose führt.
Zusammen mit seiner Rolle in der Zellzyklus-Kontrolle und der extrazellulären Matrixadhäsion, die in humanen Brustepithelialzellen nachgewiesen wurden, unterstützen diese Daten eine Rolle für WISP3 als Tumorsuppressor und Überlebensfaktor in Zellen des Epithel und des muskuloskelettalen Systems.
KW - Knorpelzelle
KW - PPD
KW - mesenchymal stem cells
KW - cell death
KW - chondrocytes
KW - Mesenchymzelle
KW - Dysplasie
KW - Genexpression
KW - Werk
Y1 - 2014
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-109641
ER -
TY - THES
A1 - Bettaga, Noomen
T1 - Bedeutung der NO-sensitiven Guanylyl Cyclase bei der Angiogenese und der Arteriogenese in der Maus
T1 - Role of NO-sensitive guanylyl cyclase in angiogenesis and arteriogenesis in mice
N2 - Stickstoffmonoxid (NO) spielt eine wichtige Rolle bei Gefäßremodelling-Prozessen wie Angiogenese und Arteriogenese. Die NO-Synthese im Gefäßsystem wird hauptsächlich durch die endotheliale NO-Synthase (eNOS) gewährleistet. Sie kann durch verschiedene Faktoren wie Scherkräfte und Zytokine wie der vaskuläre endotheliale Wachstumsfaktor (VEGF) reguliert werden. VEGF ist ein wichtiger Stimulator der Angiogenese und wird während dieses Prozesses hochreguliert. Die meisten physiologischen Effekte von NO werden durch die NO-sensitive Guanylyl-Cyclase (NO-GC) vermittelt. Als Hauptrezeptor für NO produziert die NO-GC den sekundären Botenstoff cyklisches Guanosinmonophosphat (cGMP) und führt dadurch zur Stimulation der verschiedenen Effektoren wie z.B. der PKG. Ob die Wirkung von NO in Angiogenese und Arteriogenese ebenfalls durch NO-GC vermittelt wird, war bis zum Beginn dieser Arbeit noch unklar.
Die NO-GC besteht aus zwei Untereinheiten (α und ß). Die Deletion der ß1-Untereinheit in Mäusen resultiert in einer vollständigen Knockout Maus (GCKO). Mithilfe des Cre-LoxP-Systems wurden zusätzlich zellspezifische Knockout-Mäuse für glatte Muskelzellen (SMC-GCKO) und Endothelzellen (EC-GCKO) generiert. Um die Rolle der NO-GC in der Angiogenese und Arteriogenese zu untersuchen, wurden drei gut etablierte Methoden benutzt.
Im ersten Teil des Projekts sollte die Expression der NO-GC in Endothelzellen untersucht werden. Zu diesem Zweck wurde die reverse Transkriptase-Polymerase-Kettenreaktion (RT-PCR) benutzt. Die Ergebnisse zeigen, dass die NO-GC in Endothelzellen der Lunge nur äußerst gering wenig exprimiert ist. Durch den Aortenring-Assay wurde eine Rolle der NO-GC bei der VEGF-vermittelten Angiogenese festgestellt. Dabei zeigte sich eine stärkere Angiogeneserate bei globaler Abwesenheit der NO-GC. Bei Fehlen der NO-GC ausschließlich in Endothelzellen zeigte sich kein Unterschied in den aussprossenden Aorten im Vergleich zu den Kontroll-Tieren. Dies zeigt, dass die NO-GC in Endothelzellen sehr wahrscheinlich keine Rolle bei der VEGF-vermittelten Angiogenese spielt.
Im zweiten Teil wurde die Rolle der NO-GC bei der Angiogenese in einem in vivo-Modell untersucht. In dem Modell der Sauerstoff-induzierten-Retinopathie zeigten die GCKO-Mäuse eine verringerte Vaso-Obliteration, eine verlangsamte Angiogenese und eine erhöhte Tuft-Bildung. Ähnliche Ergebnisse wurden bei den SMC-GCKO-Tieren beobachtet. EC-GCKO-Mäuse zeigten eine gegenüber den Kontroll-Tieren unveränderte Vaso-Obliteration, Angiogeneserate und Tuft-Bildung. Diese Ergebnisse lassen darauf schließen, dass die NO-GC in Endothelzellen keine Rolle spielt. Immunfluoreszenz-Aufnahmen zeigten die Expression von NO-GC in Perizyten der Gefäßkapillaren der Mausretina. Daher könnte die NO-GC in diesem Zelltyp letztendlich für die Effekte bei den GCKO- und SMC-GCKO-Tieren verantwortlich sein.
Im letzten Teil dieser Arbeit wurde eine Versuchsreihe unter Anwendung des Hinterlauf-Ischämie-Modells durchgeführt. Hierbei entwickelten die Pfoten aller GCKO- und teilweise der SMC-GCKO-Tiere nach der Ligation der Femoralarterie eine Nekrose. Die Regeneration der Hinterläufe der EC-GCKO-Tiere nach der Operation verlief normal. Diese Ergebnisse schließen eine bedeutende Rolle der NO-GC in Endothelzellen aus, zeigen allerdings, dass die NO-GC in den glatten Muskelzellen essentiell für den Arteriogenese-Prozess ist.
Zusammengefasst führt die Deletion der NO-GC in glatten Muskelzellen und wahrscheinlich auch in Perizyten zur einer verlangsamten Angiogenese und Inhibierung der Arteriogenese.
N2 - Nitric oxide (NO) plays an important role in vascular remodelling processes such as angiogenesis and arteriogenesis. The synthesis of NO in the vascular system is ensured mainly by endothelial NO synthase (eNOS). It can be regulated by a number of factors, such as shear stress and cytokines like the vascular endothelial growth factor (VEGF). VEGF is an important stimulator of angiogenesis and is upregulated during this process. Most of the physiological effects of NO are mediated by the NO-sensitive guanylyl cyclase (NO-GC). As the main receptor for NO, NO-GC produces the second messenger cyclic guanosine monophosphate (cGMP) and thereby leads to a variety of physiological effects. However, whether the effects of NO in angiogenesis and arteriogenesis are also mediated by NO-GC is still unclear.
NO-GC consists of two subunits (α and ß). The deletion of the ß1 subunit in mice results in a global knockout mouse (GCKO). Using the Cre-LoxP system we also generated smooth muscle cell-specific (SMC GCKO) and endothelial cell-specific knockout mice (EC GCKO). To investigate the role of NO-GC in angiogenesis and arteriogenesis, three well-established methods have been used.
In the first part of the project, the expression of the NO-GC in endothelial cells should be investigated. By using the reverse transcription polymerase chain reaction method (RT-PCR), the results show a very weak expression of the NO-GC in endothelial cells of the lung. A role for NO-GC in the VEGF-mediated angiogenesis was ascertained by the aortic ring assay. The results show an increased angiogenesis in the global absence of NO-GC. However, the EC-GCKO shows no difference compared to control mice. This indicates that NO-GC in endothelial cells is unlikely to play a major role in VEGF-mediated angiogenesis.
In the second part of the project, the role of NO-GC in angiogenesis was investigated in an in vivo model. In the oxygen induced-retinopathy model (OIR), GCKO mice showed reduced vaso-obliteration, slowed angiogenesis and increased tuft formation. Similar results were observed in the SMC-GCKO animals. In contrast, EC-GCKO mice showed vaso-obliteration as well as angiogenesis rate and tuft formation similar to those seen in control animals. The results of this experiment suggest that NO-GC in endothelial cells is not involved in vaso-obliteration, physiological angiogenesis and tuft formation. Immunhistochemical analyses showed the expression of NO-GC in pericytes of the vascular capillaries of the mouse retina. Therefore, NO-GC in this cell type could be responsible for the effects in GCKO- and SMC-GCKO animals.
In the last part of this thesis, hindlimb-ischemia experiments were performed. For this purpose, the paws of all GCKO- and some SMC-GCKO animals showed necrosis after ligation of the femoral artery. The regeneration of legs from EC-GCKO animals after the operation was normal. These results exclude a major role of NO-GC in endothelial cells, but show that NO-GC in smooth muscle cells is essential in the arteriogenesis process.
In summary, the deletion of NO-GC in smooth muscle cells and probably also in pericytes leads to a slowed angiogenesis and inhibits arteriogenesis.
KW - Guanylylcyclase
KW - cGMP
KW - Stickstoffmonoxid
KW - Angiogenese
KW - Arteriogenese
KW - Maus
Y1 - 2014
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-111284
ER -
TY - JOUR
A1 - Floren, Andreas
A1 - Mupepele, Anne-Christine
A1 - Müller, Tobias
A1 - Dittrich, Marcus
T1 - Are Temperate Canopy Spiders Tree-Species Specific?
N2 - Arboreal spiders in deciduous and coniferous trees were investigated on their distribution and diversity. Insecticidal knock-down was used to comprehensively sample spiders from 175 trees from 2001 to 2003 in the Białowieża forest and three remote forests in Poland. We identified 140 species from 9273 adult spiders. Spider communities were distinguished between deciduous and coniferous trees. The richest fauna was collected from Quercus where beta diversity was also highest. A tree-species-specific pattern was clearly observed for Alnus, Carpinus, Picea and Pinus trees and also for those tree species that were fogged in only four or three replicates, namely Betula and Populus. This hitherto unrecognised association was mainly due to the community composition of common species identified in a Dufrene-Legendre indicator species analysis. It was not caused by spatial or temporal autocorrelation. Explaining tree-species specificity for generalist predators like spiders is difficult and has to involve physical and ecological tree parameters like linkage with the abundance of prey species. However, neither did we find a consistent correlation of prey group abundances with spiders nor could differences in spider guild composition explain the observed pattern. Our results hint towards the importance of deterministic mechanisms structuring communities of generalist canopy spiders although the casual relationship is not yet understood.
KW - trees
KW - spiders
KW - conifers
KW - forests
KW - predation
KW - oaks
KW - community structures
KW - pines
Y1 - 2014
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-111413
ER -
TY - THES
A1 - Stoll, Georg
T1 - Identification of the mRNA-associated TOP3β- TDRD3-FMRP (TTF) -complex and its implication for neurological disorders
T1 - Identifikation des mRNA-assoziierten TOP3β-TDRD3-FMRP (TTF) -Komplex und seine Bedeutung für neurologische Störungen
N2 - The propagation of the genetic information into proteins is mediated by messenger- RNA (mRNA) intermediates. In eukaryotes mRNAs are synthesized by RNA- Polymerase II and subjected to translation after various processing steps. Earlier it was suspected that the regulation of gene expression occurs primarily on the level of transcription. In the meantime it became evident that the contribution of post- transcriptional events is at least equally important. Apart from non-coding RNAs and metabolites, this process is in particular controlled by RNA-binding proteins, which assemble on mRNAs in various combinations to establish the so-called “mRNP- code”.
In this thesis a so far unknown component of the mRNP-code was identified and characterized. It constitutes a hetero-trimeric complex composed of the Tudor domain-containing protein 3 (TDRD3), the fragile X mental retardation protein (FMRP) and the Topoisomerase III beta (TOP3β) and was termed TTF (TOP3β-TDRD3-FMRP) -complex according to its composition.
The presented results also demonstrate that all components of the TTF-complex shuttle between the nucleus and the cytoplasm, but are predominantly located in the latter compartment under steady state conditions. Apart from that, an association of the TTF-complex with fully processed mRNAs, not yet engaged in productive translation, was detected. Hence, the TTF-complex is a component of „early“ mRNPs.
The defined recruitment of the TTF-complex to these mRNPs is not based on binding to distinct mRNA sequence-elements in cis, but rather on an interaction with the so-called exon junction complex (EJC), which is loaded onto the mRNA during the process of pre-mRNA splicing. In this context TDRD3 functions as an adapter, linking EJC, FMRP and TOP3β on the mRNP. Moreover, preliminary results suggest that epigenetic marks within gene promoter regions predetermine the transfer of the TTF-complex onto its target mRNAs.
Besides, the observation that TOP3β is able to catalytically convert RNA-substrates disclosed potential activities of the TTF-complex in mRNA metabolism. In combination with the already known functions of FMRP, this finding primarily suggests that the TTF-complex controls the translation of bound mRNAs.
In addition to its role in mRNA metabolism, the TTF-complex is interesting from a human genetics perspective as well. It was demonstrated in collaboration with researchers from Finland and the US that apart from FMRP, which was previously linked to neurocognitive diseases, also TOP3β is associated with neurodevelopmental disorders. Understanding the function of the TTF-complex in mRNA metabolism might hence provide important insight into the etiology of these diseases.
N2 - Die Umwandlung der genetischen Information in Proteine erfolgt über Boten-RNA (mRNA) -Intermediate. Diese werden in Eukaryonten durch die RNA-Polymerase II gebildet und nach diversen Prozessierungs-Schritten der Translationsmaschinerie zugänglich gemacht. Während man früher davon ausging, dass die Genexpression primär auf der Ebene der Transkription reguliert wird, ist heute klar, dass post- transkriptionelle Prozesse einen ebenso wichtigen Beitrag hierzu leisten. Neben nicht-kodierenden RNAs und Metaboliten tragen insbesondere RNA- Bindungsproteine zur Kontrolle dieses Vorgangs bei. Diese finden sich in unterschiedlichen Kombinationen auf den mRNAs zusammen und bilden dadurch den sog. „mRNP-Code“ aus.
Im Rahmen dieser Dissertation wurde eine bislang unbekannte Komponente des mRNP-Codes identifiziert und charakterisiert. Es handelt es sich dabei um einen hetero-trimeren Komplex, welcher aus dem Tudor Domänen Protein 3 (TDRD3) dem Fragilen X Mentalen Retardations-Protein (FMRP) sowie der Topoisomerase III beta (TOP3β) besteht. Aufgrund seiner Zusammensetzung wurde dieser TTF (TOP3β-TDRD3-FMRP) -Komplex genannt.
In der vorliegenden Arbeit konnte der Nachweis geführt werden, dass sämtliche Komponenten des TTF-Komplexes zwischen Zellkern und Cytoplasma pendeln, unter Normalbedingungen jedoch vornehmlich im Cytoplasma lokalisiert sind. Des Weiteren ließ sich eine Assoziation des TTF-Komplexes mit mRNAs nachweisen, die zwar vollständig prozessiert, jedoch noch nicht Teil der produktiven Phase der Translation sind. Der TTF-Komplex ist somit eine Komponente „früher“ mRNPs. Die Rekrutierung des TTF-Komplexes an definierte mRNPs wird nicht durch Bindung an spezifische mRNA-Sequenzelemente bedingt, sondern basiert auf einer Interaktion mit dem sog. Exon Junction Complex (EJC), welcher im Kontext des pre-mRNA Spleißens auf die mRNA geladen wird. Hierbei spielt TDRD3 als Adapter zwischen dem EJC, FMRP und TOP3β die entscheidende Rolle. Präliminäre Experimente legen darüber hinaus den Schluss nahe, dass epigenetische Markierungen im Promotor-Bereich distinkter Gene von entscheidender Bedeutung für den Transfer des TTF-Komplexes auf dessen Ziel-mRNAs sind.
Einen wichtigen ersten Hinweis auf die potentielle Funktion des TTF-Komplexes im Kontext des mRNA Metabolismus erbrachte die Beobachtung, dass TOP3β in der Lage ist RNA katalytisch umzusetzen. Dieser Befund lässt in Verbindung mit den bereits beschriebenen Aktivitäten von FMRP vermuten, dass der TTF-Komplex die Translation gebundener mRNAs kontrolliert.
Zusätzlich zu seiner Rolle im mRNA Metabolismus ist der TTF-Komplex auch aus humangenetischer Sicht hoch interessant. So konnte in Zusammenarbeit mit finnischen und US-amerikanischen Forschern gezeigt werden, dass neben FMRP, einem bekannten Krankheitsfaktor neurokognitiver Syndrome, auch TOP3β mit neurologischen Entwicklungsstörungen assoziiert ist. Das Verständnis der Funktion des TTF-Komplexes im mRNA Metabolismus könnte daher wichtige Einblicke in die Etiologie dieser Krankheiten liefern.
KW - Messenger-RNS
KW - Messenger-RNP
KW - RNA binding proteins
KW - mRNA metabolism
KW - eukaryotic gene expression
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-111440
ER -
TY - THES
A1 - Schmitt, Alexandra
T1 - Role of Peroxiredoxin 6 in human melanoma
T1 - Die Funktion von Peroxiredoxin 6 im humanen Melanom
N2 - Peroxiredoxin 6 (PRDX6) is a bifunctional enzyme comprising a peroxidase and a Ca2+-independent phospholipase (iPLA2) activity. This renders the enzyme capable of detoxifying reactive oxygen species (ROS) and of catalyzing the liberation of arachidonic acid (AA) from cellular membranes. Released AA can be further metabolized to bioactive lipids including eicosanoids, which are involved in inflammation, cell growth, differentiation, invasion and proliferation. Human melanoma cells are often characterized by imbalances in both ROS and lipid levels, which can be generated by oncogenic signaling, altered metabolism or UV irradiation.
In previous studies, a comparative proteome analysis of the Xiphophorus fish melanoma model revealed a strong upregulation of Prdx6 in benign and malignant lesions compared to healthy skin. As the Xiphophorus melanoma model displays in many respects molecular characteristics that are similar to human melanoma, I investigated the functional role of PRDX6 in human melanoma cells.
The first part of the study deals with the regulation of PRDX6 in melanocytes and human melanoma cells. I could demonstrate that the protein level of PRDX6 was strongly enhanced by the induction of the EGFR orthologue Xmrk from the Xiphophorus fish as well as the human EGFR. The upregulation of PRDX6 was further shown to be mediated in a PI3K-dependent and ROS-independent manner.
The main part of the thesis comprises the investigation of the functional role of PRDX6 in human melanoma cells as well as the analysis of the underlying mechanism. I could show that knockdown of PRDX6 enhanced the oxidative stress response and led to decreased proliferation of melanoma cells. This cell growth effect was mainly mediated by the iPLA2 activity of PRDX6. Under conditions of strongly enhanced oxidative stress, the peroxidase activity became also important for cellular proliferation. Furthermore, the anti-proliferative effect in cells with lowered PRDX6 levels was the result of reduced cellular AA content and the decrease in the activation of SRC family proteins. Similarly, supplementation with AA led to regeneration of SRC family kinase activity and to an improvement in the reduced proliferation after knockdown of PRDX6. Since AA can be further processed into the prostaglandin PGE2, which has a pro-tumorigenic function in some cancer types, I further examined whether this eicosanoid is involved in the proliferative function of PRDX6. In contrast to AA, PGE2 was not consistently required for melanoma proliferation.
In summary, I could demonstrate that PRDX6 plays a major role in AA-dependent lipid signaling in melanoma cells and thereby regulates proliferation. Interestingly, the proliferation relevant iPLA2 activity can be pharmacologically targeted, and melanoma cell growth was clearly blocked by the inhibitor BEL. Thus, I could identify the phospholipase activity of PRDX6 as a new therapeutically interesting target for melanoma treatment.
N2 - Peroxiredoxin 6 (PRDX6) ist ein bifunktionales Enzym, welches neben seiner Peroxidase-Aktivität auch eine Ca2+-unabhängige Phospholipase-Aktivität besitzt. Aufgrund dieser beiden Aktivitäten ist das Enzym in der Lage, sowohl oxidativen Stress zu bekämpfen als auch die Freisetzung von Arachidonsäure aus zellulären Membranen zu katalysieren. Freie Arachidonsäure (AA) dient der Generierung von bioaktiven Lipiden wie zum Beispiel Eicosanoiden, welche an Entzündungsreaktionen, Zellwachstum, Differenzierung, Invasion und Proliferation beteiligt sind. Humane Melanomzellen zeichnen sich oft durch ein gestörtes Gleichgewicht reaktiver Sauerstoffspezies und zellulärer Lipide aus. Dieses Ungleichgewicht kann durch onkogene Signalgebung, einen veränderten Metabolismus oder UV-Bestrahlung hervorgerufen werden.
Eine vorangegangene Proteomanalyse des Xiphophorus-Fisch-Melanommodells zeigte, dass im Vergleich zur gesunden Haut die Menge an PRDX6 in benignen und malignen Läsionen stark erhöht ist. Da das Xiphophorus-Melanommodell in vielerlei Hinsicht die molekulare Situation des humanen Melanoms wiederspiegelt, habe ich die funktionale Rolle von PRDX6 in humanen Melanomzellen untersucht.
Der erste Teil der Studie beschäftigt sich mit der Regulierung von PRDX6 in Melanozyten und humanen Melanomzellen. Ich konnte nachweisen, dass die Menge an PRDX6 Protein durch die Induktion des EGFR Orthologs Xmrk aus Xiphophorus Fischen, sowie des humanen EGFR stark erhöht wurde. Auch konnte ich zeigen, dass die Heraufregulierung von PRDX6 von der Signalgebung der PI3 Kinase, aber nicht von reaktiven Sauerstoffspezies abhängig war.
Der Hauptteil der vorliegenden Forschungsarbeit befasst sich mit der Ermittlung der funktionalen Rolle von PRDX6 in humanen Melanomzellen und der Analyse des zugrundeliegenden Mechanismus. Ich konnte nachweisen, dass ein Knockdown von PRDX6 die oxidative Stress-Antwort verstärkte und die Proliferation von Melanomzellen reduzierte. Der Effekt auf das zelluläre Wachstum wurde hierbei hauptsächlich durch die iPLA2-Aktivität von PRDX6 verursacht. Bei stark erhöhtem oxidativem Stress konnte auch eine Relevanz der Peroxidase-Aktivität für die zelluläre Proliferation nachgewiesen werden. Auch ging der anti-proliferative Effekt mit einer Abnahme zellulärer AA und der Reduktion aktiver Kinasen der SRC-Familie einher. Die Zugabe von AA zu Zellen mit PRDX6-Knockdown führte zur Regeneration der SRC-Kinase-Aktivität und konnte die Proliferation wieder verbessern. Da AA zum Prostaglandin PGE2 prozessiert werden kann, welches in einigen Krebsarten pro-tumorigene Funktionen erfüllt, untersuchte ich, ob dieses Eicosanoid auch für die proliferative Funktion von PRDX6 relevant ist. Im Gegensatz zu AA wies PGE2 jedoch keine kontinuierliche pro-proliferative Funktion auf.
Zusammenfassend konnte ich zeigen, dass PRDX6 eine entscheidende Rolle im AA- Stoffwechsel von Melanomzellen spielt und hierdurch die Proliferation reguliert. Interessanterweise ist die proliferationsrelevante iPLA2-Aktivität pharmakologisch hemmbar, und auch das Wachstum der Melanomzellen wurde durch den Inhibitor BEL deutlich inhibiert. Mit der Phospholipase-Aktivität von PRDX6 konnte ich somit einen neuen therapeutisch nutzbaren Angriffspunkt für das Melanom identifizieren.
KW - Melanom
KW - Peroxiredoxin 6
KW - peroxiredoxin 6
KW - Melanom
KW - melanoma
KW - Arachidonsäure
KW - arachidonic acid
KW - Prostaglandin E2
KW - prostaglandin E2
KW - Melanomzellen
KW - melanoma cells
KW - Peroxiredoxin
KW - Arachidonsäure
KW - Prostaglandin E2
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-111465
ER -
TY - JOUR
A1 - Dandekar, Thomas
A1 - Fieselmann, Astrid
A1 - Fischer, Eva
A1 - Popp, Jasmin
A1 - Hensel, Michael
A1 - Noster, Janina
T1 - Salmonella—how a metabolic generalist adopts an intracellular lifestyle during infection
JF - Frontiers in Cellular and Infection Microbiology
N2 - The human-pathogenic bacterium Salmonella enterica adjusts and adapts to different environments while attempting colonization. In the course of infection nutrient availabilities change drastically. New techniques, “-omics” data and subsequent integration by systems biology improve our understanding of these changes. We review changes in metabolism focusing on amino acid and carbohydrate metabolism. Furthermore, the adaptation process is associated with the activation of genes of the Salmonella pathogenicity islands (SPIs). Anti-infective strategies have to take these insights into account and include metabolic and other strategies. Salmonella infections will remain a challenge for infection biology.
KW - regulation
KW - virulence
KW - "-omics"
KW - metabolism
KW - Salmonella-containing vacuole (SCV)
Y1 - 2014
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-120686
SN - 2235-2988
VL - 4
IS - 191
ER -
TY - JOUR
A1 - Klatt, Björn K.
A1 - Holzschuh, Andrea
A1 - Westphal, Catrin
A1 - Clough, Yann
A1 - Smit, Inga
A1 - Pawelzik, Elke
A1 - Tscharntke, Teja
T1 - Bee pollination improves crop quality, shelf life and commercial value
JF - Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences
N2 - Pollination improves the yield of most crop species and contributes to one-third of global crop production, but comprehensive benefits including crop quality are still unknown. Hence, pollination is underestimated by international policies, which is particularly alarming in times of agricultural intensification and diminishing pollination services. In this study, exclusion experiments with strawberries showed bee pollination to improve fruit quality, quantity and market value compared with wind and self-pollination. Bee-pollinated fruits were heavier, had less malformations and reached higher commercial grades. They had increased redness and reduced sugar–acid–ratios and were firmer, thus improving the commercially important shelf life. Longer shelf life reduced fruit loss by at least 11%. This is accounting for 0.32 billion US$ of the 1.44 billion US$ provided by bee pollination to the total value of 2.90 billion US$ made with strawberry selling in the European Union 2009. The fruit quality and yield effects are driven by the pollination-mediated production of hormonal growth regulators, which occur in several pollination-dependent crops. Thus, our comprehensive findings should be transferable to a wide range of crops and demonstrate bee pollination to be a hitherto underestimated but vital and economically important determinant of fruit quality.
KW - commercial grades
KW - ecosystem services
KW - post-harvest quality
KW - shelf life
KW - strawberry
KW - crop yield
KW - ecology
Y1 - 2014
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-120797
VL - 281
IS - 1775
ER -
TY - THES
A1 - Fließer, Mirjam
T1 - Hypoxia and hypoxia-inducible factor 1α modulate the immune response of human dendritic cells against Aspergillus fumigatus
T1 - Hypoxie und Hypoxie-induzierbarer Faktor 1α modulieren die Immunantwort humaner dendritischer Zellen gegenüber Aspergillus fumigatus
N2 - The mold Aspergillus fumigatus causes life-threatening infections in immunocompromised patients. Over the past decade new findings in research have improved our understanding of A. fumigatus-host interactions. One of them was the detection of localized areas of tissue hypoxia in the lungs of mice infected with A. fumigatus. The transcription factor hypoxia-inducible factor 1α (HIF 1α) is known as the central regulator of cellular responses to hypoxia. Under normoxia, this constitutively expressed protein is degraded by oxygen-dependent mechanisms in most mammalian cell types. Interaction with pathogens can induce HIF 1α stabilization under normoxic conditions in innate immune cells. Bacterial infection models revealed that hypoxic microenvironments and signaling via HIF 1α modulate functions of host immune cells. Moreover, it was recently described that in murine phagocytes, HIF 1α expression is essential to overcome an A. fumigatus infection. However, the influence of hypoxia and the role of HIF 1α signaling for anti-A. fumigatus immunity is still poorly understood, especially regarding dendritic cells (DCs), which are important regulators of anti-fungal immunity. In this study, the functional relevance of hypoxia and HIF 1α signaling in the response of human DCs against A. fumigatus has been investigated.
Hypoxia attenuated the pro-inflammatory response of DCs against A. fumigatus during the initial infection as shown by genome-wide microarray expression analyses and cytokine quantification. The up-regulation of maturation-associated molecules on DCs stimulated with A. fumigatus under hypoxia was reduced; however, these DCs possessed an enhanced capacity to stimulate T cells. This study thereby revealed divergent influence of hypoxia on anti-A. fumigatus DC functions that included both, inhibiting and enhancing effects.
HIF-1α was stabilized in DCs following stimulation with A. fumigatus under normoxic and hypoxic conditions. This stabilization was partially dependent on Dectin-1, the major receptor for A. fumigatus on human DCs. Using siRNA-based HIF 1α silencing combined with gene expression microarrays, a modulatory effect of HIF-1α on the anti-fungal immune response of human DCs was identified. Specifically, the transcriptomes of HIF-1α silenced DCs indicated that HIF-1α enhanced DC metabolism and cytokine release in response to A. fumigatus under normoxic and hypoxic conditions. This was confirmed by further down-stream analyses that included quantification of glycolytic activity and cytokine profiling of DCs. By that, this study demonstrated functional relevance of HIF 1α expression in DCs responding to A. fumigatus. The data give novel insight into the cellular functions of HIF 1α in human DCs that include regulation of the anti-fungal immune response under normoxia and hypoxia. The comprehensive transcriptome datasets in combination with the down-stream protein analyses from this study will promote further investigations to further characterize the complex interplay between hypoxia, activation of Dectin-1 and HIF-1α signaling in host responses against A. fumigatus.
N2 - Der Schimmelpilz Aspergillus fumigatus verursacht lebensbedrohliche Infektionen in immunsupprimierten Patienten. Im letzten Jahrzehnt haben neue Forschungsergebnisse unser Verständnis der Interaktion von A. fumigatus mit seinem Wirt verbessert. Dazu zählt die Beschreibung von lokalisierten Arealen der Hypoxie im Lungengewebe von Mäusen die mit A. fumigatus infiziert wurden. Der Transkriptionsfaktor Hypoxie-induzierbarer Faktor 1α (HIF 1α) ist schon lange als der zentrale Regulator der zellulären Antwort gegenüber Hypoxie bekannt. Unter Normoxie wird dieses konstitutiv exprimierte Protein in den meisten Körperzellen durch sauerstoffabhängige Prozesse abgebaut. In angeborenen Immunzellen kann die Interaktion mit Pathogenen zu einer Stabilisierung von HIF 1α unter normoxischen Bedingungen führen. Bakterielle Infektionsmodelle haben gezeigt, dass hypoxische Mikromilieus und der HIF 1α Signalweg die Funktion von Immunzellen des Wirtes beeinflussen können. Zudem konnte kürzlich nachgewiesen werden, dass die Expression von HIF 1α in murinen Phagozyten während einer Infektion mit A. fumigtus essentiell für eine effektive Bekämpfung des Pilzes ist. Der Einfluss der Hypoxie und die Rolle von HIF 1α für die gegen A. fumigatus gerichtete Immunantwort sind jedoch immer noch unzureichend charakterisiert. Das trifft besonders auf die für die Regulation der anti-fungalen Immunantwort wichtigen dendritischen Zellen (DCs) zu. In dieser Studie wurde die funktionale Bedeutung der Hypoxie und des HIF 1α Signalweges für die Antwort humaner DCs gegenüber A. fumigatus untersucht.
Hypoxie hatte einen abschwächenden Effekt auf die initiale pro-inflammatorische Antwort von DCs gegen A. fumigatus. Dies konnte durch genomweite Microarray Expressionsanalysen sowie Zytokinbestimmungen gezeigt werden. Die Hochregulation von Markern, die mit einer Maturierung von mit A. fumigatus-stimulierten DCs assoziiert sind, war unter Hypoxie reduziert. Jedoch zeigten diese DCs eine erhöhte Fähigkeit zur Stimulation von T Zellen. Damit wurden in dieser Studie divergente Effekte der Hypoxie auf die gegen A. fumigatus gerichtete Immunantwort humaner DCs aufgedeckt. Dies beinhaltete sowohl einen inhibierenden als auch einen verstärkenden Einfluss in Abhängigkeit der untersuchten DC Funktion.
HIF 1α wurde in DCs nach Stimulation mit A. fumigatus unter normoxischen als auch hypoxischen Bedingungen stabilisiert. Diese Stabilisierung war teilweise abhängig von Dectin-1, dem wichtigsten Rezeptor für A. fumigatus auf humanen DCs. Durch eine Kombination aus RNAi-vermittelter Herunterregulation von HIF 1α und Genexpressions-Microarrays wurde ein modulierender Effekt von HIF 1α auf die anti-fungale Immunantwort humaner DCs identifiziert. Die Transkriptomanalyse von HIF 1α herunterregulierten DCs deutete darauf hin, dass HIF 1α den Metabolismus und die Zytokinfreisetzung in DCs während der Antwort auf A. fumigatus unter normoxischen als auch hypoxischen Bedingungen verstärkt. Dieser Befund wurde durch weiterführende Analysen bestätigt, die eine Quantifizierung der glykolytischen Aktivität sowie die Erstellung eines Zytokinprofils der DCs beinhalteten. Damit konnte in dieser Studie eine funktionale Relevanz der Expression von HIF 1α in DCs für die gegen A. fumigatus gerichtete Immunantwort aufgedeckt werden. Diese Daten geben einen neuen Einblick in die zellulären Funktionen von HIF 1α in humanen DCs, die eine Regulierung der anti-fungalen Immunantwort beinhalten. Die umfassenden Transkriptom-Datensätze dieser Studie, die durch Proteinanalysen funktional ergänzt wurden, bilden die Grundlage für weiterführende Untersuchungen. Damit wird es möglich sein, das komplexe Zusammenspiel aus Hypoxie, Aktivierung von Dectin-1 und Signalübertragung über HIF 1α in der Immunantwort gegen A. fumigatus über die Ergebnisse dieser Studie hinaus noch besser zu charakterisieren.
KW - Immunologie
KW - Hypoxie
KW - Dendritische Zelle
KW - Aspergillus fumigatus
KW - HIF-1α
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-121392
ER -
TY - THES
A1 - Frank, Nicolas Clemens
T1 - Lokale axonale Wirkungen der CNTF-STAT3 Signalkaskade in Motoneuronen der pmn Maus - einem Mausmodel für die Amyotrophe Lateralsklerose
T1 - Local Axonal Function of CNTF-STAT3 Signaling in Motoneurons of the pmn-Mouse – a Mouse Model for Amyotrophic Lateral Sclerosis
N2 - 1. Zusammenfassung
Während der Embryogenese und nach Verletzungen von Nerven regulieren neurotrophe Faktoren Signalwege für Apoptose, Differenzierung, Wachstum und Regeneration von Neuronen. In vivo Experimente an neugeborenen Nagern haben gezeigt, dass der Verlust von Motoneuronen nach peripherer Nervenläsion durch die Behandlung mit GDNF, BDNF, und CNTF reduziert werden kann In der pmn-Mausmutante, einem Modell für die Amyotrophe Lateralsklerose, führt die Gabe von CNTF, nicht aber von GDNF zu einem verzögerten Krankheitsbeginn und einem verlangsamten Fortschreiten der Motoneuronendegeneration. Auslöser der Motoneuronendegeneration in der pmn-Maus ist eine Mutation im Tubulin spezifischen Chaperon E (Tbce) Gen, das für eines von fünf Tubulin spezifischen Chaperonen (TBCA-TBCE) kodiert und an der Bildung von -Tubulinheterodimeren beteiligt ist. Diese Arbeit sollte dazu beitragen, die CNTF-induzierten Signalwege zu entschlüsseln, die sich lindernd auf den progredienten Verlauf der Motoneuronendegeneration in der pmn-Maus auswirken.
Primäre pmn mutierte Motoneurone zeigen ein reduziertes Axonwachstum und eine erhöhte Anzahl axonaler Schwellungen mit einer anomalen Häufung von Mitochondrien - ein frühes Erkennungsmerkmal bei ALS-Patienten. Die Applikation von CNTF nicht aber von BDNF oder GDNF, kann in vitro die beobachteten Wachstumsdefekte und das bidirektionale axonale Transportdefizit in pmn mutierten Motoneurone verhindern.
Aus älteren Untersuchungen war bekannt, dass CNTF über den dreiteiligen transmembranen Rezeptorkomplex, bestehend aus CNTFR, LIFR und gp130, Januskinasen aktiviert, die STAT3 an Tyrosin 705 phosphorylieren (pSTAT3Y705). Ich konnte beobachten, dass axonales fluoreszenzmarkiertes pSTAT3Y705 nach CNTF-Gabe nicht retrograd in den Nukleus transportiert wird. Stattdessen führt die CNTF-induzierte Phosphorylierung von STAT3 an Tyrosin 705 zu einer transkriptionsunabhängigen lokalen Reaktion im Axon. Diese pSTAT3Y705 abhängige Reaktion ist notwendig und ausreichend, um das reduzierte Axonwachstum pmn mutierter Motoneurone zu beheben. Wie die Kombination einer CNTF Behandlung mit dem shRNA vermittelten knock-down von Stathmin in pmn mutierten Motoneuronen zeigt, zielt die CNTF-STAT3 Signalkaskade auf die Stabilisierung axonaler Mikrotubuli ab und wirkt sich positiv auf die anterograde und retrograde Mobilität von axonalen Mitochondrien aus.
Interessanter Weise konnte ich außerdem feststellen, dass eine akute Gabe von CNTF das mitochondriale Membranpotential in Axonen primärer pmn mutierter und wildtypischer
Motoneurone erhöht und einen Anstieg von ATP auslöst. Meine Beobachtungen legen nahe, dass CNTF unerwarteter Weise auch eine transiente Phosphorylierung an STAT3 Serin 727 (pSTAT3S727) auslöst, die zur anschließenden Translokation von pSTAT3S727 in Mitochondrien führt. Diese Ergebnisse zeigen, dass STAT3 mehrere lokale Ziele im Axon besitzt, nämlich axonale Mikrotubuli und Mitochondrien.
N2 - 2. Summary
Both during development and after injury neurotrophic factors induce signaling pathways that regulate apoptosis, differentiation, growth and regeneration of neurons. In newborn rodents, treatment with GDNF, BDNF and CNTF can reduce the loss of motoneurons after peripheral nerve lesion. In the pmn mutant mouse, a model for amyotrophic lateral sclerosis, CNTF but not GDNF delays disease onset and slows down the course of motoneurons degeneration. Pmn mutant mice, suffer from a point mutation in tubulin specific chaperon E (Tbce) gene that codes for one of five tubulin specific chaperones (TBCA-TBCE) and is necessary for proper -tubulin heterodimer formation. The work presented here was designed to study the specific signaling pathways that are used by CNTF for attenuating progression of motoneuron degeneration in pmn mutant mice.
Primary motoneurons from pmn mutant mice show reduced axon growth and irregular axonal swellings with abnormal accumulation of mitochondria – an early hallmark of pathology in ALS patients. In vitro, CNTF but not BDNF or GDNF was able to rescue defective axon growth and to prevent bidirectional transport interruption.
It has already been shown that CNTF acts via the tripartite transmembrane receptor complex, composed of CNTFR, LIFR and gp130 to recruit Janus kinases that subsequently phosphorylate STAT3 on tyrosine 705 (pSTAT3Y705). After application of CNTF, I observed that axonal pSTAT3Y705 fused to a fluorescent tag is not retrogradely transported to the nucleus. In contrast, CNTF induced phosphorylation of STAT3 at tyrosine 705 leads to a transcriptional independent local reaction in motor axons which is necessary and sufficient to rescue axon growth in pmn mutant motoneurons. Combining CNTF treatment with shRNA mediated knock-down of Stathmin in pmn mutant motoneurons shows that CNTF-STAT3 signaling leads to microtubule stabilization in axons as well as improving anterograde and retrograde mobility of axonal mitochondria.
Interestingly, I additionally found that an acute application of CNTF increases the membrane potential of axonal mitochondria that is accompanied with a rise of ATP levels in pmn mutant and wildtype motoneurons. Unexpectedly, I found STAT3 phosphorylated on serine 727 co-localizing with mitochondria after CNTF application. These results demonstrate that multiple local targets of STAT3 exist in axons that modulate structure and function of microtubules and mitochondria.
KW - Motoneuron
KW - Myatrophische Lateralsklerose
KW - CNTF
KW - STAT3
KW - axonaler Transport
KW - Motoneuronenerkrankung
KW - Maus
KW - Ciliary neurotrophic factor
KW - Amyotrophe Lateralsklerose
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-121065
ER -
TY - THES
A1 - Hafen, Bettina
T1 - Physical contact between mesenchymal stem cells and endothelial precursors induces distinct signatures with relevance to tissue regeneration and engineering
T1 - Physischer Kontakt zwischen mesenchymalen Stammzellen und endothelialen Vorläuferzellen indiziert eine bestimmte Signatur mit Relevanz für die Geweberegeneration und Tissue Engineering
N2 - The goal of the project VascuBone is to develop a tool box for bone regeneration, which on one hand fulfills basic requirements (e.g. biocompatibility, properties of the surface, strength of the biomaterials) and on the other hand is freely combinable with what is needed in the respective patient's situation. The tool box will include a variation of biocompatible biomaterials and cell types, FDA-approved growth factors, material modification technologies, simulation and analytical tools like molecular imaging-based in vivo diagnostics, which can be combined for the specific medical need. This tool box will be used to develop translational approaches for regenerative therapies of different types of bone defects. This project receives funding from the European Union's Seventh Framework Program (VascuBone 2010).
The present study is embedded into this EU project. The intention of this study is to assess the changes of the global gene expression patterns of endothelial progenitor cells (EPCs) and mesenchymal stem cells (MSCs) after direct cell-cell contact as well as the influence of conditioned medium gained from MSCs on EPCs and vice versa. EPCs play an important role in postnatal vasculogenesis. An intact blood vessel system is crucial for all tissues, including bone. Latest findings in the field of bone fracture healing and repair by the use of tissue engineering constructs seeded with MSCs raised the idea of combining MSCs and EPCs to enhance vascularization and therefore support survival of the newly built bone tissue. RNA samples from both experimental set ups were hybridized on Affymetrix GeneChips® HG-U133 Plus 2.0 and analyzed by microarray technology. Bioinformatic analysis was applied to the microarray data and verified by RT-PCR.
This study gives detailed information on how EPCs and MSCs communicate with each other and therefore gives insights into the signaling pathways of the musculoskeletal system. These insights will be the base for further functional studies on protein level for the purpose of tissue regeneration. A better understanding of the cell communication of MSCs and EPCs and subsequently the targeting of relevant factors opens a variety of new opportunities, especially in the field of tissue engineering.
The second part of the present work was to develop an ELISA (enzyme-linked immunosorbent assay) for a target protein from the lists of differentially expressed genes revealed by the microarray analysis. This project was in cooperation with Immundiagnostik AG, Bensheim, Germany. The development of the ELISA aimed to have an in vitro diagnostic tool to monitor e.g. the quality of cell seeded tissue engineering constructs. The target protein chosen from the lists was klotho. Klotho seemed to be a very promising candidate since it is described in the literature as anti-aging protein. Furthermore, studies with klotho knock-out mice showed that these animals suffered from several age-related diseases e.g. osteoporosis and atherosclerosis. As a co-receptor for FGF23, klotho plays an important role in bone metabolism. The present study will be the first one to show that klotho is up-regulated in EPCs after direct cell-cell contact with MSCs. The development of an assay with a high sensitivity on one hand and the capacity to differentiate between secreted and shedded klotho on the other hand will allow further functional studies of this protein and offers a new opportunity in medical diagnostics especially in the field of metabolic bone disease.
N2 - Das Ziel des durch die europäische Union geförderten Projekts VascuBone ist die Entwicklung einer tool box zur Knochenregeneration, die einerseits sämtliche Grundanforderungen erfüllt, beispielsweise an die Biokompatibilität, Oberflächenbeschaffenheit und Robustheit der Biomaterialien, und andererseits frei an den Bedarf der individuellen Patientensituation angepasst werden kann. Sie beinhaltet unterschiedlichste biokompatible Materialien und Zelltypen, FDA-zugelassene Wachstumsfaktoren, materialmodifizierende Technologien sowie Simulations- und analytische Werkzeuge, wie die auf molekularer Bildgebung basierende in-vivo-Diagnostik (MRI und PET/CT), die für den spezifischen medizinischen Bedarf kombiniert werden können. Die tool box wird für die Entwicklung translationaler Ansätze in der regenerativen Medizin für unterschiedliche Arten von Knochendefekten verwendet (VascuBone 2010).
Eingebettet in dieses EU-Projekt sollten in der vorliegenden Arbeit die molekularen Grundlagen und Änderungen der globalen Genexpressionsmuster von endothelialen Vorläuferzellen (EPCs) und mesenchymalen Stammzellen (MSCs) nach direktem Zell-Zell-Kontakt sowie nach Gabe von konditioniertem Medium untersucht werden. EPCs spielen eine wichtige Rolle in der postnatalen Vaskulogenese. Ein intaktes Blutgefäßsystem ist überlebensnotwendig für alle Gewebe, einschließlich Knochen. Neueste Erkenntnisse in der Knochenheilung und -regeneration durch die Nutzung von Tissue-Engineering-Konstrukten, die mit MSCs besiedelt wurden, förderten die Idee, MSCs und EPCs zu kombinieren, um die Vaskularisierung – und somit das Überleben – des neu gebildeten Knochengewebes zu begünstigen. Die RNA-Proben aus beiden Versuchsansätzen wurden für die Microarray-Analysen auf Affymetrix GeneChips® HG-U133 Plus 2.0 hybridisiert. Die Array-Daten wurden bioinformatisch ausgewertet und mittels RT-PCR verifiziert.
Die vorliegende Arbeit gibt detailliert Aufschluss darüber, wie MSCs und EPCs miteinander kommunizieren, und erlaubt somit wichtige Einblicke in Signalwege des muskuloskelettalen Systems. Dies wiederum ermöglicht weitere funktionelle Studien auf Proteinebene zum Zwecke der Geweberegeneration. Das bessere Verständnis der Zellkommunikation zwischen MSCs und EPCs und somit die gezielte Adressierung von relevanten Faktoren eröffnet völlig neue Möglichkeiten in der klinischen Anwendung, insbesondere im Bereich Tissue Engineering.
Im zweiten Teil dieser Arbeit sollte in Kooperation mit der Firma Immundiagnostik AG, Bensheim, ein ELISA (enzyme-linked immunosorbent assay) aufgebaut werden. Ziel war es, für ein geeignetes Protein aus den zu erwartenden Listen regulierter Gene ein in-vitro-diagnostisches Nachweisverfahren zu entwickeln, das ggf. später als Qualitätsnachweis für erfolgreich besiedelte Tissue-Engineering-Konstrukte herangezogen werden könnte. Als geeigneter Kandidat wurde Klotho ausgewählt. Klotho gilt als anti-aging-Protein, da Klotho-knock-out-Mäuse alle alterstypischen Erkrankungen wie Osteoporose oder Arteriosklerose zeigen. Als Co-Rezeptor für FGF23 spielt Klotho außerdem eine wichtige Rolle im Knochenstoffwechsel. Diese Studie ist die erste, die zeigt, dass in EPCs nach direktem Zell-Zell-Kontakt mit MSCs Klotho hochreguliert wird. Die Entwicklung eines sensitiven und differenzierten Nachweises von sezerniertem Klotho sowie der von der Membran proteolytisch abgespaltenen Form von Klotho, eröffnet völlig neue Möglichkeiten in der klinischen Diagnostik, insbesondere im Bereich der Knochenstoffwechselerkrankungen
KW - MSC
KW - EPC
KW - bone regeneration
KW - microarray
KW - Vorläuferzelle
KW - Endothel
KW - Mesenchymzelle
KW - Knochenregeneration
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-119417
ER -
TY - JOUR
A1 - Dusik, Verena
A1 - Senthilan, Pingkalai R.
A1 - Mentzel, Benjamin
A1 - Hartlieb, Heiko
A1 - Wülbeck, Corina
A1 - Yoshii, Taishi
A1 - Raabe, Thomas
A1 - Helfrich-Förster, Charlotte
T1 - The MAP Kinase p38 Is Part of Drosophila melanogaster's Circadian Clock
JF - PLoS Genetics
N2 - All organisms have to adapt to acute as well as to regularly occurring changes in the environment. To deal with these major challenges organisms evolved two fundamental mechanisms: the p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway, a major stress pathway for signaling stressful events, and circadian clocks to prepare for the daily environmental changes. Both systems respond sensitively to light. Recent studies in vertebrates and fungi indicate that p38 is involved in light-signaling to the circadian clock providing an interesting link between stress-induced and regularly rhythmic adaptations of animals to the environment, but the molecular and cellular mechanisms remained largely unknown. Here, we demonstrate by immunocytochemical means that p38 is expressed in Drosophila melanogaster's clock neurons and that it is activated in a clock-dependent manner. Surprisingly, we found that p38 is most active under darkness and, besides its circadian activation, additionally gets inactivated by light. Moreover, locomotor activity recordings revealed that p38 is essential for a wild-type timing of evening activity and for maintaining ∼ 24 h behavioral rhythms under constant darkness: flies with reduced p38 activity in clock neurons, delayed evening activity and lengthened the period of their free-running rhythms. Furthermore, nuclear translocation of the clock protein Period was significantly delayed on the expression of a dominant-negative form of p38b in Drosophila's most important clock neurons. Western Blots revealed that p38 affects the phosphorylation degree of Period, what is likely the reason for its effects on nuclear entry of Period. In vitro kinase assays confirmed our Western Blot results and point to p38 as a potential "clock kinase" phosphorylating Period. Taken together, our findings indicate that the p38 MAP Kinase is an integral component of the core circadian clock of Drosophila in addition to playing a role in stress-input pathways.
KW - in vitro kinase assay
KW - biological locomotion
KW - circadian oscillators
KW - MAPK signaling cascades
KW - circadian rhythms
KW - drosophila melanogaster
KW - neurons
KW - phosphorylation
Y1 - 2014
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-119433
SN - 1553-7404
VL - 10
IS - 8
ER -
TY - JOUR
A1 - Wirth, Christine C.
A1 - Glushakova, Svetlana
A1 - Scheuermayer, Matthias
A1 - Repnik, Urska
A1 - Garg, Swatl
A1 - Schaack, Dominik
A1 - Kachman, Marika M.
A1 - Weißbach, Tim
A1 - Zimmerberg, Joshua
A1 - Dandekar, Thomas
A1 - Griffiths, Gareth
A1 - Chitnis, Chetan E.
A1 - Singh, Shallja
A1 - Fischer, Rainer
A1 - Pradel, Gabriele
T1 - Perforin-like protein PPLP2 permeabilizes the red blood cell membrane during egress of Plasmodium falciparum gametocytes
JF - Cellular Microbiology
N2 - Egress of malaria parasites from the host cell requires the concerted rupture of its enveloping membranes. Hence, we investigated the role of the plasmodial perforin-like protein PPLP2 in the egress of Plasmodium falciparum from erythrocytes. PPLP2 is expressed in blood stage schizonts and mature gametocytes. The protein localizes in vesicular structures, which in activated gametocytes discharge PPLP2 in a calcium-dependent manner. PPLP2 comprises a MACPF domain and recombinant PPLP2 has haemolytic activities towards erythrocytes. PPLP2-deficient [PPLP2(−)] merozoites show normal egress dynamics during the erythrocytic replication cycle, but activated PPLP2(−) gametocytes were unable to leave erythrocytes and stayed trapped within these cells. While the parasitophorous vacuole membrane ruptured normally, the activated PPLP2(−) gametocytes were unable to permeabilize the erythrocyte membrane and to release the erythrocyte cytoplasm. In consequence, transmission of PPLP2(−) parasites to the Anopheles vector was reduced. Pore-forming equinatoxin II rescued both PPLP2(−) gametocyte exflagellation and parasite transmission. The pore sealant Tetronic 90R4, on the other hand, caused trapping of activated wild-type gametocytes within the enveloping erythrocytes, thus mimicking the PPLP2(−) loss-of-function phenotype. We propose that the haemolytic activity of PPLP2 is essential for gametocyte egress due to permeabilization of the erythrocyte membrane and depletion of the erythrocyte cytoplasm.
Y1 - 2014
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-120895
VL - 16
IS - 5
ER -
TY - JOUR
A1 - Bogdan, Sven
A1 - Schultz, Jörg
A1 - Grosshans, Jörg
T1 - Formin’ cellular structures: Physiological roles of Diaphanous (Dia) in actin dynamics
JF - Communicative & Integrative Biology
N2 - Members of the Diaphanous (Dia) protein family are key regulators of fundamental actin driven cellular processes, which are conserved from yeast to humans. Researchers have uncovered diverse physiological roles in cell morphology, cell motility, cell polarity, and cell division, which are involved in shaping cells into tissues and organs. The identification of numerous binding partners led to substantial progress in our understanding of the differential functions of Dia proteins. Genetic approaches and new microscopy techniques allow important new insights into their localization, activity, and molecular principles of regulation.
KW - Drosophila
KW - cytoskeleton
KW - actin
KW - nucleator
KW - development
KW - formin
Y1 - 2013
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-121305
VL - 6
IS - e27634
ER -
TY - JOUR
A1 - Galluzzi, L.
A1 - Bravo-San Pedro, J. M.
A1 - Vitale, I.
A1 - Aaronson, S. A.
A1 - Abrams, J. M.
A1 - Adam, D.
A1 - Alnemri, E. S.
A1 - Altucci, L.
A1 - Andrews, D.
A1 - Annicchiarico-Petruzelli, M.
A1 - Baehrecke, E. H.
A1 - Bazan, N. G.
A1 - Bertrand, M. J.
A1 - Bianchi, K.
A1 - Blagosklonny, M. V.
A1 - Blomgren, K.
A1 - Borner, C.
A1 - Bredesen, D. E.
A1 - Brenner, C.
A1 - Campanella, M.
A1 - Candi, E.
A1 - Cecconi, F.
A1 - Chan, F. K.
A1 - Chandel, N. S.
A1 - Cheng, E. H.
A1 - Chipuk, J. E.
A1 - Cidlowski, J. A.
A1 - Ciechanover, A.
A1 - Dawson, T. M.
A1 - Dawson, V. L.
A1 - De Laurenzi, V.
A1 - De Maria, R.
A1 - Debatin, K. M.
A1 - Di Daniele, N.
A1 - Dixit, V. M.
A1 - Dynlacht, B. D.
A1 - El-Deiry, W. S.
A1 - Fimia, G. M.
A1 - Flavell, R. A.
A1 - Fulda, S.
A1 - Garrido, C.
A1 - Gougeon, M. L.
A1 - Green, D. R.
A1 - Gronemeyer, H.
A1 - Hajnoczky, G.
A1 - Hardwick, J. M.
A1 - Hengartner, M. O.
A1 - Ichijo, H.
A1 - Joseph, B.
A1 - Jost, P. J.
A1 - Kaufmann, T.
A1 - Kepp, O.
A1 - Klionsky, D. J.
A1 - Knight, R. A.
A1 - Kumar, S.
A1 - Lemasters, J. J.
A1 - Levine, B.
A1 - Linkermann, A.
A1 - Lipton, S. A.
A1 - Lockshin, R. A.
A1 - López-Otín, C.
A1 - Lugli, E.
A1 - Madeo, F.
A1 - Malorni, W.
A1 - Marine, J. C.
A1 - Martin, S. J.
A1 - Martinou, J. C.
A1 - Medema, J. P.
A1 - Meier, P.
A1 - Melino, S.
A1 - Mizushima, N.
A1 - Moll, U.
A1 - Muñoz-Pinedo, C.
A1 - Nuñez, G.
A1 - Oberst, A.
A1 - Panaretakis, T.
A1 - Penninger, J. M.
A1 - Peter, M. E.
A1 - Piacentini, M.
A1 - Pinton, P.
A1 - Prehn, J. H.
A1 - Puthalakath, H.
A1 - Rabinovich, G. A.
A1 - Ravichandran, K. S.
A1 - Rizzuto, R.
A1 - Rodrigues, C. M.
A1 - Rubinsztein, D. C.
A1 - Rudel, T.
A1 - Shi, Y.
A1 - Simon, H. U.
A1 - Stockwell, B. R.
A1 - Szabadkai, G.
A1 - Tait, S. W.
A1 - Tang, H. L.
A1 - Tavernarakis, N.
A1 - Tsujimoto, Y.
A1 - Vanden Berghe, T.
A1 - Vandenabeele, P.
A1 - Villunger, A.
A1 - Wagner, E. F.
A1 - Walczak, H.
A1 - White, E.
A1 - Wood, W. G.
A1 - Yuan, J.
A1 - Zakeri, Z.
A1 - Zhivotovsky, B.
A1 - Melino, G.
A1 - Kroemer, G.
T1 - Essential versus accessory aspects of cell death: recommendations of the NCCD 2015
JF - Cell Death and Differentiation
N2 - Cells exposed to extreme physicochemical or mechanical stimuli die in an uncontrollable manner, as a result of their immediate structural breakdown. Such an unavoidable variant of cellular demise is generally referred to as 'accidental cell death' (ACD). In most settings, however, cell death is initiated by a genetically encoded apparatus, correlating with the fact that its course can be altered by pharmacologic or genetic interventions. 'Regulated cell death' (RCD) can occur as part of physiologic programs or can be activated once adaptive responses to perturbations of the extracellular or intracellular microenvironment fail. The biochemical phenomena that accompany RCD may be harnessed to classify it into a few subtypes, which often (but not always) exhibit stereotyped morphologic features. Nonetheless, efficiently inhibiting the processes that are commonly thought to cause RCD, such as the activation of executioner caspases in the course of apoptosis, does not exert true cytoprotective effects in the mammalian system, but simply alters the kinetics of cellular demise as it shifts its morphologic and biochemical correlates. Conversely, bona fide cytoprotection can be achieved by inhibiting the transduction of lethal signals in the early phases of the process, when adaptive responses are still operational. Thus, the mechanisms that truly execute RCD may be less understood, less inhibitable and perhaps more homogeneous than previously thought. Here, the Nomenclature Committee on Cell Death formulates a set of recommendations to help scientists and researchers to discriminate between essential and accessory aspects of cell death.
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-121207
VL - 22
ER -
TY - JOUR
A1 - McCarthy, Michael A.
A1 - Moore, Alana L.
A1 - Krauss, Jochen
A1 - Morgan, John W.
A1 - Clements, Christopher F.
T1 - Linking Indices for Biodiversity Monitoring to Extinction Risk Theory
T1 - Conectando Índices para el Monitoreo de la Biodiversidad con la Teoría de Riesgo de Extinción
JF - Conservation Biology
N2 - Biodiversity indices often combine data from different species when used in monitoring programs. Heuristic properties can suggest preferred indices, but we lack objective ways to discriminate between indices with similar heuristics. Biodiversity indices can be evaluated by determining how well they reflect management objectives that a monitoring program aims to support. For example, the Convention on Biological Diversity requires reporting about extinction rates, so simple indices that reflect extinction risk would be valuable. We developed 3 biodiversity indices that are based on simple models of population viability that relate extinction risk to abundance. We based the first index on the geometric mean abundance of species and the second on a more general power mean. In a third index, we integrated the geometric mean abundance and trend. These indices require the same data as previous indices, but they also relate directly to extinction risk. Field data for butterflies and woodland plants and experimental studies of protozoan communities show that the indices correlate with local extinction rates. Applying the index based on the geometric mean to global data on changes in avian abundance suggested that the average extinction probability of birds has increased approximately 1% from 1970 to 2009.
N2 - Los índices de biodiversidad combinan frecuentemente los datos de diferentes especies cuando se usan en los programas de monitoreo. Las propiedades heurísticas pueden sugerir índices preferidos, pero carecemos de medios objetivos para discriminar a los índices con propiedades heurísticas similares. Los índices de biodiversidad pueden evaluarse al determinar qué tan bien reflejan los objetivos de manejo que un programa de monitoreo busca apoyar. Por ejemplo, la Convención sobre la Diversidad Biológica requiere reportar las tasas de extinción, así que los índices que reflejan el riesgo de extinción serían valiosos. Desarrollamos 3 índices de biodiversidad que se basan en modelos sencillos de viabilidad de población y que relacionan el riesgo de extinción con la abundancia. Basamos el primer índice en la media geométrica de la abundancia de especies, y el segundo en una media de poder m´as general. En el tercer índice integramos la media geométrica y la tendencia. Estos índices requieren los mismos datos que índices previos, pero también se relacionan directamente con el riesgo de extinci´on. La información de campo sobre mariposas y plantas de bosque, y los estudios experimentales de comunidades protozoarias, muestran que los índices se correlacionan con las tasas locales de extinción. Al aplicar el índice basado en la media geométrica sobre los datos globales de los cambios en la abundancia de aves, sugirió que la probabilidad de extinción promedio de aves ha incrementado aproximadamente 1% desde 1970 hasta 2009.
KW - biodiversity index
KW - biodiversity measure
KW - extinction risk
KW - geometric mean
KW - riesgo de extinción
KW - medida de la biodiversidad
KW - media geométrica
KW - índice de biodiversidad
Y1 - 2014
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-121218
VL - 28
IS - 6
ER -
TY - THES
A1 - Endt, Daniela
T1 - Fanconi Anämie : Entwicklung von hämatopoetischen Mosaiken sowie funktionelle Studien von FANCO (RAD51C) und FANCN (PALB2)
T1 - Fanconi Anämie : Development of hematopoetic mosaicism and functional studies of FANCO (RAD51C) and FANCN (PALB2)
N2 - Zur Wahrung der Genomstabilität entwickelten sich verschiedene Reparaturmechanismen, deren Defekte zu diversen Erkrankungen führen. Der 1927 erstmals beschriebenen Fanconi Anämie (FA) (Fanconi 1927) liegt eine fehlerhafte Reparatur der DNA-Doppelstrang-Quervernetzung zugrunde. Als Ursache wurden Defekte innerhalb des FA/BRCA-Weges lokalisiert, welche zur Chromosomeninstabilität führen. Das Krankheitsbild der autosomal rezessiven oder X-chromosomalen Erkrankung wird meist von kongenitalen Fehlbildungen, progressivem Knochenmarkversagen sowie bereits im jugendlichen Alter erhöhten Tumor-raten und Anämien geprägt. Bisher wurden Defekte in 19 verschiedenen Genen als ursächlich für diese Erkrankung diskutiert. Anhand des betroffenen Gens können nur begrenzt Rückschlüsse auf die Ausprä-gung des Phänotyps geschlossen werden, vielmehr scheinen die Art der Mutation und deren Position im Gen mit der Schwere der Erkrankung zu korrelieren. Im Laufe der Zeit wurden immer mehr Patienten mit mild ausgeprägtem Erkrankungsbild beobachtet. Eine mögliche Erklärung hierfür liefern milde Mutationen, eine weitere das Vorhandensein von Mosaiken blutbildender Zellen. Zu letzterem führt die Reversion einer der beiden Mutationen. Diese Art der „natürlichen Gentherapie“ wurde bei 10-30% der FA-Patienten beobachtet. Um die Entwicklung von Reversionen besser zu verstehen, erfolgte im Rahmen dieser Arbeit die Untersuchung verschiedener Zelllinien von 5 Patienten im Alter von 11 (Pat. 5) bis 33 (Pat. 4) Jahren. Die FA-A-Patienten 1 und 2 wurden bereits von Gross et al. 2002 als Mosaikpatienten beschrieben. Für die weiteren Patienten führten unterschiedliche Aspekte, wie normale Blutwerte, MMC-tolerante lympho-blastoide Zelllinien und gDNA-Analysen des Blutes zum Mosaikverdacht. Nähere Analysen bestätigten für die FA-D2-Patienten (Pat. 4, 5) ebenfalls das Vorliegen einer Reversion in den Blutzellen. Allen Patienten gemein war die Reversion in Form einer Rückmutation (Pat. 1: c.971T>G, Pat. 2: c.856 C>T, Pat. 4: c.3467-2A>G, Pat. 5: c.3707G>A), welche meist in einem oder in der Nähe eines Mutationsmotives vorlag. Zur Einschätzung des Mosaikstatus in den Patientenblutzellen wurden, neben der meist mehrjährigen Be-obachtung der Blutwerte (Thrombo-, Mono-, Granulo-, Lymphozyten, Hämoglobin), gDNA-, Chromoso-menbruch- und Zellzyklusanalysen durchgeführt. Chromosomenbruchanalysen von Metaphasen der T-Lymphozyten der Patienten 4 und 5 zeigten nach MMC-Behandlung die mosaik-typische bimodale Vertei-lung der Chromosomenbruchraten. Die nur moderat erhöhten Bruchraten in Metaphasen des Patienten 1 sprachen für eine starke Reversion. Zur besseren Abschätzung des Mosaikstatus wurden Zellzyklusanaly-sen an Mischungsreihen aus FA- und nicht FA- Blut durchgeführt. Die Detektionsgrenze für FA-Mosaike lag bei einem Anteil von 30% Zellen mit spontanem/MMC-induziertem G2-Phasen-Arrest. In Anlehnung an Mischungskurven wurden für die vier Patienten Reversionen von 0% (Pat. 4) bis 90-95% (Pat. 2) ange-nommen. Die gDNA-Analyse MACS-sortierter T-/B-Lympho-, Mono- und Granulozyten sowie von Fib-roblasten und lymphoblastoiden Zelllinien ermöglichte einen detaillierten Einblick in die Mosaikstatus auf molekularer Ebene. Wir fanden bei allen Patienten einen unterschiedlich stark ausgeprägten Mosaikstatus ihrer Blutzellreihen. Tendenziell scheinen die Reversionsgrade mit der Zell-Lebensdauer korrelieren, hier-bei zeigen kurzlebige Zellen (Mono-, Granulo-, B-Lymphozyten) höhere Reversionsgrade als langlebige T-Lymphozyten. Das Auftreten von gleichen Reversionen in allen Zelllinien lässt eine Reversion in einer gemeinsamen Vorläuferzelle vermuten. Als Besonderheit fanden wir, unseren Erachtens erstmalig, eine komplette Reversion einer Knochenmark-Fibroblastenzelllinie (Pat. 1). Häufig in Kultur stattfindende Re-versionen in lymphoblastoiden Zelllinien beobachteten wir für alle vier Patienten. Die Mosaikentstehung im Patientenblut konnte mit allen Methoden bestätigt werden. Jede Methode wies Vor- und Nachteile auf. Zur Abschätzung der Mosaikstatus empfiehlt sich deshalb eine Kombination der Methoden.
Ein weiteres Projekt beschäftigte sich mit Interaktionen des FANCO (RAD51C) innerhalb der RAD51 Paraloge (RAD51B, -C, -D, XRCC2, XRCC3) und mit RAD51. Die Analysen erfolgten im Mammalian Two- und Three-Hybrid (M2H/M3H) System. Die Untersuchungen bestätigten die meisten der bisher detektierten Interaktionen, welche zur Ausbildung des RAD51C-XRCC3 Komplexes und des, aus den Subkomplexen RAD51B-RAD51C (BC) und RAD51D-XRCC2 (DX2) bestehenden, BCDX2-Komplex führen. Die M3H-Analysen weisen auf eine wichtige Rolle des RAD51B-Proteins bei der Ausprägung dieses Komplexes hin. Es scheint die Ausbildung der RAD51C-RAD51D-Interaktion erst zu ermöglichen und zusätzlich, anders als bisher beobachtet, auch mit XRCC2 zu interagieren. Diese Interaktion wiederum wird durch die Anwesenheit von RAD51D stark gefördert. Unsere M2H-/M3H-Beobachtungen weisen darauf hin, dass die Ausbildung der Subkomplexe für die Entstehung des BDCX2-Komplexes wichtig ist und dieser vermutlich als Ringstruktur vorliegt. Zusätzlich fanden wir Hinweise auf mögliche Wechselwir-kungen zwischen den BCDX2- und den XRCC3-Komplexproteinen. Aufgrund der Beteiligung der Protei-ne an der Doppelstrangläsionsreparatur wurde die Auswirkung von MMC-induzierten DNA-Schäden un-tersucht. Diese führten innerhalb der Subkomplexe zu gegensätzlichen Änderungen der Interaktionsinten-sität. Während die Substanz im DX2-Komplex zum Sinken der Interaktionsstärke führte, erhöhte sich diese im BC-Komplex. Die in der Literatur beschriebene und charakterisierte RAD51C-FANCN-Interation war im M2H-Test nicht darstellbar. Möglicherweise würde diese jedoch durch die Anwesenheit eines drit-ten Proteins gefördert werden. Zusätzlich wurde ein RAD51C-Protein, welches die Patientenmutation R258H enthielt, überprüft. Es zeigte nur in der M3H-Analyse, mit pMRAD51D und nativem RAD51B, nach Behandlung mit MMC eine reduzierte Interaktionsstärke im Vergleich zum Wildtyp. Dies unter-streicht einmal mehr die als hypomorph beschriebene Mutation des Proteins.
Das dritte Projekt, die angestrebte Strukturaufklärung des RAD51C-Proteins erwies sich als schwierig. Eine für eine Kristallisation ausreichende Proteinmenge konnte, weder im E. coli-System noch in Insektenzellen oder in Co-Expression mit seinem Interaktionspartner XRCC3, isoliert und aufgereinigt werden. Elektro-phoretische Mobility Shift Assays des CX3-Proteinkomplexes mit DNA-Strukturen (ssDNA, Open Fork, 3‘-/ 5‘-Überhang-Struktur), zeigten eine Bevorzugung des 3‘-Überhang-DNA-Substrates. Diese Art der Analyse könnte in weiterführenden Analysen zur Abschätzung der Auswirkung von Patientenmutationen herangezogen werden. bb
N2 - For maintaining genomic stability several repair mechanisms have evolved. Defects in these mechanisms lead to diverse diseases. One of these Fanconi Anemia (FA), first described in 1927, evoked by deficient mechanism of interstrand crosslinks. As causative reason defects within the FA-BRCA pathway were iden-tified leading to chromosome instability. To date 19 different genes were found to cause Fanconi Anemia. Most commonly for the clinical picture of FA are congenital malformations, progressive bone marrow defects as like an increased tumor rates and anemia at a juvenile age. Knowing the affected gene only lim-ited conclusions could be considered of the phenotypical appearance. More likely the kind of mutation and the affected position within the gene seems to correlate with the severity of the disease. Over the time an elevated number of patients with mild phenotype were observed. One possible explanation may be mild mutations another a mosaic state developed within the blood forming cells. The latter was caused by rever-sion of one of both mutations. This kind of “natural gene therapy” was observed in the blood of 10 up to 30 % FA- patients. To get better insights in to the mosaic development we investigated different cell lines of five patients aged between 11 (pat. 5) and 33 (pat. 4) years. Both FA-A patients (pat. 1, 2) were described as mosaic patients before by Gross et al. 2002. The other patients arouse suspicion for developing mosai-cism by different aspects like normal blood counts, MMC tolerant lymphoblastiode cell lines and analyzing gDNA from blood. Detailed analyses confirmed the reversion of one mutation in blood of the FA-D2 patients (pat. 4, 5). In common for all four mosaic was the kind of reversion, a back mutation (pat. 1: c.971T>G, pat. 2: c.856 C>T, pat. 4: c.3467-2A>G, pat. 5: c.3707G>A) mostly in or near by a mutation motive. To get insights in to the mosaic state of the patients’ blood cells, gDNA, chromosomal breakage and cell cycle analyses were performed and blood cell counts of thrombo-, mono-, granulo-, lymphocytes and haemoglobin were observed for several years. Chromosomal breakage analyses of t-lymphocytes met-aphases (pat. 4, 5) treated with MMC showed a mosaicism typical bimodal distribution. The only moderate increased chromosomal breakage rate in metaphases of patient 1 points out a strong pronounced reversion. For better estimation of the Mosaic state in patient blood we performed cell cycle analysis with mixtures of FA- and non FA-blood. Thereby we observed the border for mosaic detection at a degree of 30 % cells with spontaneous /MMC induced G2-phase arrest. Compared to the mixing study reversion degrees of 0 % (pat. 4) up to 90-95 % (pat. 2) were assumed for four of the patients. At molecular base gDNA analyses of MACS sorted T-/ B- lympho, mono and granulocytes as well as from fibroblasts and lymphoblastoide cell lines allowed a more detailed insight in to the mosaic statuses. In all patients we observed different distinct of mosaic state in their blood cell lines. We observed a tendency of correlation between reversion degree and the longevity of blood cells – cells with short life spans (mono-, granulo-, B-lymphoytes) showed higher reversion degrees than log living T-lymphocytes. The fact that we detected the same rever-sion in the different cell lines of a patient suggests a reversion within a common precursor cell. Further we observed, as we know for the first time, a reversion within a bone marrow fibroblast line (pat. 1). Four of our patients showed commonly observed reversions in cultured lymphoblastoide cell lines. With each of the tested methods we could show mosaic development in blood of our patients. Every of them showed pros and cons. For this reason a combination of the different methods would be recommendable for cal-culation of the mosaic state in patient blood.
The second project investigated the interactions of FANCO (RAD51C) within the group of the RAD51 paralogs (RAD51B, -C, -D, XRCC2, XRCC3) and with RAD51. Interactions were tested by Mammalian Two- and Three-Hybrid (M2H/M3H) System. Our investigations confirm most of the up to now detected interactions leading to RAD51C-XRCC3-complex (CX3) and RAD51B-RAD51C-RAD51D-XRCC2 com-plex (BCDX2) formation – latter consisting of the subcomplexes RAD51B-RAD51C (BC) and RAD51D-XRCC2 (DX2). M3H analyses give a hint for the importance of the RAD51B protein for the BCDX2 complex formation. The protein seems to be necessary for RAD51C-RAD51D interaction and also to interact, other than intended before, with XRCC2. In turn this interaction seems to be strongly promoted by RAD51D. In M2H and M3H analyses we found evidence of the importance of subcomplex formation for the formation of the whole BCDX2 complex and that the complex may be a circular structure. Addi-tionaly we observed evidence for interdependency between the BCDX2- and the XRCC3- complex pro-teins. Because of the proteins involvement into the double strand lesion repair the effect of MMC induced DNA lesions were tested. MMC treatment leads to different changes of interaction within the subcom-plexes. We observed a decrease of interaction strength between RAD51D and XRCC2 and an increased interaction within the BC-complex. The interaction between RAD51C and FANCN was not detectable in our M2H assay but may be promoted by another protein in M3H analysis. Additionally we tested a RAD51C protein inherited the patient mutation R258H. Only in M3H analysis with pMRAD51D and native RAD51B and with additional MMC treatment reduced interaction strength was detectable compared to the wildtype RAD51C. This underlines the hypomorphic nature of the mutation described before.
The third project – the elucidation of the RAD51C protein structure proved to be difficult. We could not isolate and purify enough protein for crystallization, neither by expression within a E.coli or an insect cell system not even by co-expression of the complex partner XRCC3. Electrophoretic mobility shift assays of the CX3 complex with different DNA-structures (ssDNA, open fork, 3’- and 5’- overhang structures) showed preference for the 3’-overhang DNA substrate. This method may be used for further investiga-tions of mutations in patient DNA in future.
KW - Fanconi Anämie
KW - Hämatopoese
KW - Mosaik
KW - Remission
KW - Molekulargenetik
KW - Fanconi Anämie
KW - hämatopoetisches Mosaik
KW - Reversion
KW - RAD51C
KW - FANCO
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-127836
ER -
TY - JOUR
A1 - Brill, Martin F.
A1 - Meyer, Anneke
A1 - Roessler, Wolfgang
T1 - It takes two—coincidence coding within the dual olfactory pathway of the honeybee
JF - Frontiers in Physiology
N2 - To rapidly process biologically relevant stimuli, sensory systems have developed a broad variety of coding mechanisms like parallel processing and coincidence detection. Parallel processing (e.g., in the visual system), increases both computational capacity and processing speed by simultaneously coding different aspects of the same stimulus. Coincidence detection is an efficient way to integrate information from different sources. Coincidence has been shown to promote associative learning and memory or stimulus feature detection (e.g., in auditory delay lines). Within the dual olfactory pathway of the honeybee both of these mechanisms might be implemented by uniglomerular projection neurons (PNs) that transfer information from the primary olfactory centers, the antennal lobe (AL), to a multimodal integration center, the mushroom body (MB). PNs from anatomically distinct tracts respond to the same stimulus space, but have different physiological properties, characteristics that are prerequisites for parallel processing of different stimulus aspects. However, the PN pathways also display mirror-imaged like anatomical trajectories that resemble neuronal coincidence detectors as known from auditory delay lines. To investigate temporal processing of olfactory information, we recorded PN odor responses simultaneously from both tracts and measured coincident activity of PNs within and between tracts. Our results show that coincidence levels are different within each of the two tracts. Coincidence also occurs between tracts, but to a minor extent compared to coincidence within tracts. Taken together our findings support the relevance of spike timing in coding of olfactory information (temporal code).
KW - olfaction
KW - mushroom body
KW - insect
KW - coincidence
KW - multi-electrode-recording
KW - antennal lobe
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-126179
VL - 6
IS - 208
ER -
TY - JOUR
A1 - Zirkel, J.
A1 - Cecil, A.
A1 - Schäfer, F.
A1 - Rahlfs, S.
A1 - Ouedraogo, A.
A1 - Xiao, K.
A1 - Sawadogo, S.
A1 - Coulibaly, B.
A1 - Becker, K.
A1 - Dandekar, T.
T1 - Analyzing Thiol-Dependent Redox Networks in the Presence of Methylene Blue and Other Antimalarial Agents with RT-PCR-Supported in silico Modeling
JF - Bioinformatics and Biology Insights
N2 - BACKGROUND: In the face of growing resistance in malaria parasites to drugs, pharmacological combination therapies are important. There is accumulating evidence that methylene blue (MB) is an effective drug against malaria. Here we explore the biological effects of both MB alone and in combination therapy using modeling and experimental data.
RESULTS: We built a model of the central metabolic pathways in P. falciparum. Metabolic flux modes and their changes under MB were calculated by integrating experimental data (RT-PCR data on mRNAs for redox enzymes) as constraints and results from the YANA software package for metabolic pathway calculations. Several different lines of MB attack on Plasmodium redox defense were identified by analysis of the network effects. Next, chloroquine resistance based on pfmdr/and pfcrt transporters, as well as pyrimethamine/sulfadoxine resistance (by mutations in DHF/DHPS), were modeled in silico. Further modeling shows that MB has a favorable synergism on antimalarial network effects with these commonly used antimalarial drugs.
CONCLUSIONS: Theoretical and experimental results support that methylene blue should, because of its resistance-breaking potential, be further tested as a key component in drug combination therapy efforts in holoendemic areas.
KW - methylene blue
KW - malaria
KW - elementary mode analysis
KW - drug
KW - resistance
KW - combination therapy
KW - pathway
KW - metabolic flux
Y1 - 2012
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-123751
N1 - This is an open access article. Unrestricted non-commercial use is permitted provided the original work is properly cited.
VL - 6
ER -
TY - JOUR
A1 - Krueger, Beate
A1 - Friedrich, Torben
A1 - Förster, Frank
A1 - Bernhardt, Jörg
A1 - Gross, Roy
A1 - Dandekar, Thomas
T1 - Different evolutionary modifications as a guide to rewire two-component systems
JF - Bioinformatics and Biology Insights
N2 - Two-component systems (TCS) are short signalling pathways generally occurring in prokaryotes. They frequently regulate prokaryotic stimulus responses and thus are also of interest for engineering in biotechnology and synthetic biology. The aim of this study is to better understand and describe rewiring of TCS while investigating different evolutionary scenarios. Based on large-scale screens of TCS in different organisms, this study gives detailed data, concrete alignments, and structure analysis on three general modification scenarios, where TCS were rewired for new responses and functions: (i) exchanges in the sequence within single TCS domains, (ii) exchange of whole TCS domains; (iii) addition of new components modulating TCS function. As a result, the replacement of stimulus and promotor cassettes to rewire TCS is well defined exploiting the alignments given here. The diverged TCS examples are non-trivial and the design is challenging. Designed connector proteins may also be useful to modify TCS in selected cases.
KW - histidine kinase
KW - connector
KW - Mycoplasma
KW - engineering
KW - promoter
KW - sensor
KW - response regulator
KW - synthetic biology
KW - sequence alignment
Y1 - 2012
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-123647
N1 - This is an open access article. Unrestricted non-commercial use is permitted provided the original work is properly cited.
VL - 6
ER -
TY - THES
A1 - Pusch, Tobias
T1 - The transcription factor NFATc1 mediates cytotoxic T cell function in vitro and in vivo
T1 - Der Transkriptionsfaktor NFATc1 vermittelt die Funktion von zytotoxischen T Zellen in vitro und in vivo
N2 - While numerous experiments on NFAT were already performed with CD4+ T cells showing defective cytokine release and a reduced T helper cell development, no detailed studies existed for CD8+ T cells. From this point, we wanted to examine the impact of NFATc1 and c2 on the physiological functions of CD8+ T cells in vitro and in vivo. Therefore, we used a murine infection model with the bacteria Listeria monocytogenes and mice in which NFATc1 was specifically depleted in the T cell compartment.
Our first in vitro studies showed a typical NFATc1 and c2 nuclear translocation and changes on mRNA levels upon T cell activation similarly in CD4+ as well as in CD8+ T cells extracted from wild type mice. NFAT nuclear translocation is important for target gene activation and generation of effector functions. Stimulated T cell populations lacking NFATc1 and/or NFATc2 showed a markedly decreased expression of Th1/Tc1 cytokines, as e.g. IL 2 and IFNγ being important for the clearance of intracellular pathogens. From our in vitro model for the generation of allogenically reactive cytotoxic CD8+ T cells, we revealed a decreased killing and lytic granule-release capacity in Nfatc1 inactivated CD8+ T cells whereas NFATc2-/- cytotoxic T cells did not show an altered cytotoxic response compared to wild type cells.
Interestingly, we found lytic granules accumulated and mitochondria not getting translocated to the immunological synapse upon re-stimulation in NFATc1-deficient CD8+ T cells. Together with results showing the CsA insensitivity of the CTL killing/degranulation capacities, we assume that some major cellular processes are affected by NFATc1 which are not directly linked to the TCR-induced signal transduction cascade.
We also showed the importance of NFATc1 in T cells during intracellular infections with the bacteria Listeria monocytogenes in an in vivo mouse model. After five days, only few bacteria were detected in wt mice whereas high amounts of Listeria particles were extracted from livers of Nfatc1fl/fl x Cd4 cre mice. Although the reactivity towards the pathogen was similar in both groups, a decreased cytokine expression in NFATc1-/- CD8+ T cells was observed together with an altered memory cell generation.
Our results show the importance of NFATc1 in CD8+ T cells and give some clue for a possible connection to other basal cellular functions, as e.g. the formation of an immunological synapse.
N2 - Viele Experimente zur Rolle von NFAT wurden bereits anhand von CD4+ T Zellen durchgeführt und zeigten eine veränderte Zellphysiologie. Hingegen wurden CD8+ T Zellen diesbezüglich noch nicht intensiv studiert. Deshalb untersuchten wir den Einfluss von NFATc1 und NFATc2 auf die Funktion von CD8+ T Zellen in vitro und in vivo anhand des murinen Infektionsmodells mit dem Bakterium Listeria monocytogenes. Für die Versuche benutzen wir Mäuse, in denen das Protein NFATc1 spezifisch im T Zellkompartiment entfernt wurde.
Erste Ergebnisse zeigten eine typische Translokation von NFATc1 und NFATc2 in den Zellkern. Eine Veränderung in der mRNA Expression nach Aktivierung, sowohl in CD4+ T Zellen als auch in CD8+ T Zellen, fand ebenfalls statt. NFATc defiziente CD4+ und CD8+ T Zellen wiesen eine verminderte Expression von Th1/Tc1 Zytokinen wie z.B. Interleukin-2 und Interferon γ auf, welche für die Bekämpfung intrazellulärer Pathogene wichtig sind. In unserem in vitro Modell fanden wir eine verminderte Abtötungsfähigkeit und eine Reduktion in der Freisetzung lytischer Granula in NFATc1-/- CD8+ T Zellen wohingegen eine NFATc2 Defizienz keine Auswirkungen auf die Zytotoxizität - verglichen mit wildtypischen Zellen - aufweist.
Interessanterweise fanden wir eine Anhäufung von lytischen Granula und eine verminderte intrazelluläre Migration von Mitochondrien nach Ausbildung einer immunologischen Synapse in NFATc1-/- CD8+ T Zellen. Zusammen mit den Ergebnissen unserer CsA-Inhibierungsversuche nehmen wir an, dass einige allgemeine zelluläre Prozesse von NFATc1 beeinflusst werden, die nicht direkt von der T Zellrezeptor-induzierten Signalkaskade abhängen.
Anhand eines in vivo Mausmodells zeigten wir auch die wichtige Rolle von NFATc1 in T Zellen während der Infektion mit Listeria monocytogenes. Fünf Tage nach Infektion konnten aus Nfatc1fl/fl x Cd4 cre Mäusen mehr Bakterienpartikel extrahiert werden als aus wt Mäusen. Wie in den in vitro Versuchen konnte auch hier eine geringere Zytokinproduktion der CD8+ T Zellen festgestellt werden allerdings wiesen die Mäuse auch eine geringere Bildung von Gedächniszellen auf.
Unsere Ergebnisse zeigen, dass NFATc1 in CD8+ T Zellen eine wichtige Rolle spielt und auch Auswirkungen auf grundlegendere zelluläre Funktionen, wie die Ausbildung einer immunologischen Synapse, hat.
KW - Transkriptionsfaktor
KW - Killerzelle
KW - Antigen CD8
KW - Cytotoxizität
KW - NFAT
KW - CTL function
KW - CD8
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-123690
ER -
TY - JOUR
A1 - Schmitt, Jana
A1 - Backes, Christina
A1 - Nourkami-Tutdibi, Nasenien
A1 - Leidinger, Petra
A1 - Deutscher, Stephanie
A1 - Beier, Markus
A1 - Gessler, Manfred
A1 - Graf, Norbert
A1 - Lenhof, Hans-Peter
A1 - Keller, Andreas
A1 - Meese, Eckart
T1 - Treatment-independent miRNA signature in blood of wilms tumor patients
JF - BMC Genomics
N2 - Background
Blood-born miRNA signatures have recently been reported for various tumor diseases. Here, we compared the miRNA signature in Wilms tumor patients prior and after preoperative chemotherapy according to SIOP protocol 2001.
Results
We did not find a significant difference between miRNA signature of both groups. However both, Wilms tumor patients prior and after chemotherapy showed a miRNA signature different from healthy controls. The signature of Wilms tumor patients prior to chemotherapy showed an accuracy of 97.5% and of patients after chemotherapy an accuracy of 97.0%, each as compared to healthy controls.
Conclusion
Our results provide evidence for a blood-born Wilms tumor miRNA signature largely independent of four weeks preoperative chemotherapy treatment.
KW - miRNA
Y1 - 2012
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-124034
VL - 13
IS - 379
ER -
TY - THES
A1 - Ritter, Cathrin
T1 - Scientific basics for new immunotherapeutic approaches towards Merkel cell carcinoma
T1 - Grundlagen neuer immuntherapeutischer Ansätze gegen das Merkelzellkarzinom
N2 - Merkel cell carcinoma (MCC) is an aggressive neuroendocrine skin cancer that has been associated with the Merkel cell polyomavirus (MCPyV). Indeed, MCC is one of the cancers with the best-established viral carcinogenesis. Despite persistence of the virus in MCC cells and the subsequent expression of viral antigens, the majority of MCC tumors are able to escape the surveillance of the immune system. Therefore the aim of the here presented thesis was to scrutinize immune escape mechanisms operative in MCC. A better understanding of their underlying molecular processes should allow to improve immunotherapeutic treatment strategies for MCC patients. The manuscripts included in this thesis characterize three novel immune evasion strategies of MCC.
I) the epigenetic silencing of the NKG2D ligands MICA and MICB via histone H3 hypoacetylation
II) reduced HLA class I surface expression via epigenetic silencing of the antigen processing machinery (APM)
III) the activation of the PI3K-AKT pathway in a mutation independent manner as potential immune escape strategy
MCC tumors and MCC cell lines were analyzed for their expression of MICA/B, HLA and components of the antigen processing machinery as well as for the activation of the PI3K-AKT pathway in situ and in vitro. These analysis reviled MICA and MICB, as well as HLA class I were not expressed or at least markedly reduced in ~80% of MCCs in situ. The PI3K-AKT pathway, that had only recently been demonstrated to play a significant role in tumor immune escape, was activated in almost 90% of MCCs in situ. To determine the underlying molecular mechanisms of these aberrations well characterized MCC cell lines were further analyzed in vitro. The fact that the PI3K-AKT pathway activation was due to oncogenic mutations in the PIK3CA or AKT1 gene in only 10% of MCCs, suggested an epigenetic regulation of this pathway in MCC. In line with this MICA/B as well as components of the APM were indeed silenced epigenetically via histone hypoacetylation in their respective promoter region. Notably MICA/B and HLA class I expression on the cell surface of MCC cells could be restored after treatment with HDAC inhibitors in combination with the Sp1 inhibitor Mithramycin A in all analyzed MCC cell lines in vitro and in a xenotransplantation mouse model in vivo. Moreover inhibition of HDACs increased immune recognition of MCC cell lines in a MICA/B and HLA class I dependent manner.
Several studies have accumulated evidence that immunotherapy is a promising treatment option for MCC patients due to the exquisite immunogenicity of this malignancy. However, current immunotherapeutic interventions towards solid tumors like MCC have to account for the plentitude of tumor immune escape strategies, in order to increase response rates. The immune escape mechanisms of MCC described in this thesis can be reverted by HDAC inhibition, thus providing the rationale to combine ‘epigenetic priming’ with currently tested immunotherapeutic regimens.
N2 - Das Merkelzellkarzinom (MCC) ist ein aggressiver neuroendokriner Hautkrebs, der mit dem Merkelzell-Polyomavirus (MCPyV) assoziiert ist. Das MCC ist eine der Krebserkrankungen mit der am besten etablierten viralen Karzinogenese. Trotz der Anwesenheit des MCPyV in MCC-Zellen und der daraus einhergehenden Expression viraler Antigene sind die meisten MCC-Tumoren in der Lage der Überwachung durch das Immunsystem zu entgehen. Aus diesem Grund war das Ziel der hier vorliegenden Arbeit, neue im MCC operative „immune escape“ Mechanismen zu ermitteln. Ein besseres Verständnis der hierbei zugrunde liegenden Mechanismen, sollte es ermöglichen, immuntherapeutische Behandlungsstrategien für MCC-Patienten zu verbessern. Die vorgestellten Manuskripte beschreiben drei neuartige „immune evasion“ Strategien des MCC:
I) die epigenetische Inaktivierung der NKG2D-Liganden MICA und MICB mittels Histone-H3-Hypoacetylierung
II) eine reduzierte HLA Klasse I-Oberflächenexpression aufgrund epigenetischer Inaktivierung der Antigenprozessierungsmaschinerie (APM)
III) die mutationsunabhängige Aktivierung des PI3K-AKT-Signalweges, als potentieller „immune escape“ Mechanismus
MCC-Tumoren und MCC-Zelllinien wurden sowohl bezüglich der Expression von MICA/B, HLA Klasse I und Komponenten der APM als auch auf die Aktivierung des PI3K Signalweges in situ und in vitro untersucht. Diese Analysen zeigten, dass sowohl MICA und MICB als auch HLA Klasse I in ca. 80% der MCC-Tumoren in situ nicht, oder nur sehr reduziert, exprimiert wurden. Der PI3K-AKT-Signalweg, welcher erst kürzlich mit Tumor „immune escape“ in Verbindung gebracht wurde, war in fast 90% aller MCC-Tumoren in situ aktiviert. Um die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen dieser Aberrationen zu entschlüsseln, wurden gut charakterisierte MCC-Zelllinien in vitro untersucht. Die Tatsache, dass der PI3K-AKT-Signalweg in nur 10% der MCCs auf Mutationen im PI3KA- oder AKT1-Gen zurückzuführen war, suggeriert eine epigenetische Regulation dieses Signalwegs. In Übereinstimmung hiermit waren sowohl MICA/B als auch Gene der APM epigenetisch mittels Histon-Hypoacetylierung in ihren jeweiligen Promoterregionen inaktiviert. Bemerkenswerterweise konnten in vitro und in einem Xenotransplantations-Mausmodell in vivo sowohl die MICA/B als auch die HLA Klasse I-Oberflächenexpression aller untersuchter MCC-Zelllinien durch die Behandlung mit HDAC-Inhibitoren in Kombination mit dem Sp1-Inhibitor Mithramycin A wieder hergestellt werden. Des Weiteren erhöhte die Inhibition von HDACs die MCC-Immunerkennung auf eine MICA/B und HLA Klasse I-abhängige Weise.
Zahlreiche aktuelle Studien bestärken die Annahme, dass aufgrund der besonderen Immunogenität des MCC, die Immuntherapie eine aussichtsreiche Behandlungsoption für MCC-Patienten darstellt. Nichtsdestotrotz müssen die derzeitigen immuntherapeutischen Methoden zur Behandlung solider Tumore die Vielzahl von Tumor „immune escape“ Mechanismen mitberücksichtigen, um die Ansprechrate zu erhöhen. Die Tatsache, dass die hier beschriebenen „immune escape“ Mechanismen durch HDAC-Inhibition aufgehoben werden können, spricht für die Hypothese, dass eine Kombination von „epigenetischem Priming“ mit derzeitig untersuchten immuntherapeutischen Ansätzen sinnvoll ist.
KW - Merkel-Zellkarzinom
KW - Merkel cell carcinoma
KW - Epigenetics
KW - MICA
KW - MICB
KW - Tumor Immunology
KW - Immune Escape
Y1 - 2017
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-124162
ER -
TY - JOUR
A1 - Merget, Benjamin
A1 - Koetschan, Christian
A1 - Hackl, Thomas
A1 - Förster, Frank
A1 - Dandekar, Thomas
A1 - Müller, Tobias
A1 - Schultz, Jörg
A1 - Wolf, Matthias
T1 - The ITS2 Database
JF - Journal of Visual Expression
N2 - The internal transcribed spacer 2 (ITS2) has been used as a phylogenetic marker for more than two decades. As ITS2 research mainly focused on the very variable ITS2 sequence, it confined this marker to low-level phylogenetics only. However, the combination of the ITS2 sequence and its highly conserved secondary structure improves the phylogenetic resolution1 and allows phylogenetic inference at multiple taxonomic ranks, including species delimitation.
The ITS2 Database presents an exhaustive dataset of internal transcribed spacer 2 sequences from NCBI GenBank accurately reannotated. Following an annotation by profile Hidden Markov Models (HMMs), the secondary structure of each sequence is predicted. First, it is tested whether a minimum energy based fold (direct fold) results in a correct, four helix conformation. If this is not the case, the structure is predicted by homology modeling. In homology modeling, an already known secondary structure is transferred to another ITS2 sequence, whose secondary structure was not able to fold correctly in a direct fold.
The ITS2 Database is not only a database for storage and retrieval of ITS2 sequence-structures. It also provides several tools to process your own ITS2 sequences, including annotation, structural prediction, motif detection and BLAST search on the combined sequence-structure information. Moreover, it integrates trimmed versions of 4SALE and ProfDistS for multiple sequence-structure alignment calculation and Neighbor Joining tree reconstruction. Together they form a coherent analysis pipeline from an initial set of sequences to a phylogeny based on sequence and secondary structure.
In a nutshell, this workbench simplifies first phylogenetic analyses to only a few mouse-clicks, while additionally providing tools and data for comprehensive large-scale analyses.
KW - homology modeling
KW - molecular systematics
KW - internal transcribed spacer 2
KW - alignment
KW - genetics
KW - secondary structure
KW - ribosomal RNA
KW - phylogenetic tree
KW - phylogeny
Y1 - 2012
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-124600
VL - 61
IS - e3806
ER -
TY - THES
A1 - Dusik, Verena
T1 - Immunhistochemische und funktionelle Charakterisierung der Mitogen-aktivierten Proteinkinase p38 in der inneren Uhr von Drosophila melanogaster
T1 - Immunhistochemical and functional characterisation of the mitogen-activated protein kinase p38 in the endogenous clock of Drosophila melanogaster
N2 - Circadianes und Stress-System sind zwei physiologische Systeme, die dem Organismus helfen sich an Veränderungen ihrer Umwelt anzupassen. Während letzteres spontane und schnelle Antworten auf akute, unvorhersehbare Umweltreize liefert, sagt das circadiane System täglich wiederkehrende Ereignisse vorher and bereitet den Organismus so vorzeitig auf diese nahende Umweltveränderung vor. Dennoch, trotz dieser unterschiedlichen Reaktionsmechanismen agieren beide Systeme nicht komplett autonom. Studien der vergangen Jahre belegen vielmehr eine Interaktion beider Systeme. So postulieren sie zum einem Unterschiede in der Stressantwort in Abhängigkeit von der Tageszeit zu der der Reiz auftritt und weisen zugleich auf eine Zunahme von gestörten biologischen Tagesrhythmen, wie zum Beispiel Schlafstörungen, in Folge von unkontrollierten oder exzessiven Stress hin. Ebenso liefern kürzlich durchgeführte Studien an Vertebraten und Pilzen Hinweise, dass mit p38, eine Stress-aktivierte Kinase, an der Signalweiterleitung zur inneren Uhr beteiligt ist (Hayashi et al., 2003), sogar durch dieses endogene Zeitmesssystem reguliert wird (Vitalini et al., 2007; Lamb et al., 2011) und deuten damit erstmals eine mögliche Verbindung zwischen Stress-induzierten und regulären rhythmischen Anpassungen des Organismus an Umweltveränderungen an. Molekulare und zelluläre Mechanismen dieser Verknüpfung sind bisher noch nicht bekannt.
Während die Rolle von p38 MAPK bei der Stress- und Immunantwort in Drosophila melanogaster gut charakterisiert ist, wurden Expression und Funktion von p38 in der inneren Uhr hingegen bislang nicht untersucht. Die hier vorliegende Arbeit hatte daher zum Ziel mittels immunhistochemischer, verhaltensphysiologischer und molekularer Methoden eine mögliche Rolle der Stress-aktivierten Kinase im circadianen System der Fliege aufzudecken. Antikörperfärbungen sowie Studien mit Reporterlinien zeigen deutliche Färbesignale in den s-LNv, l-LNv und DN1a und erbringen erstmals einen Nachweis für p38 Expression in den Uhrneuronen der Fliege. Ebenso scheint die Aktivität von p38 MAPK in den DN1a uhrgesteuert zu sein. So liegt p38 vermehrt in seiner aktiven Form in der Dunkelphase vor und zeigt, neben seiner circadian regulierten Aktivierung, zusätzlich auch eine Inaktivierung durch Licht. 15-Minuten-Lichtpulse in der subjektiven Nacht führen zu einer signifikanten Reduktion von aktivierter, phosphorylierter p38 MAPK in den DN1a von Canton S Wildtypfliegen im Vergleich zu Fliegen ohne Lichtpuls-Behandlung. Aufzeichnungen der Lokomotoraktivität offenbaren zusätzlich die Notwendigkeit von p38 MAPK für wildtypisches Timing der Abendaktivität sowie zum Erhalt von 24-Stunden-Verhaltensrhythmen unter konstanten Dauerdunkel-Bedindungen. So zeigen Fliegen mit reduzierten p38 Level in Uhrneuronen einen verzögerten Beginn der Abendaktivität und stark verlängerte Freilaufperioden. In Übereinstimmung mit Effekten auf das Laufverhalten scheint darüber hinaus die Expression einer dominant-negativen Form von p38b in Drosophila’s wichtigsten Uhrneuronen eine verspätete nukleäre Translokation von Period zur Folge zu haben. Westernblots legen zusätzlich einen Einfluss von p38 auf den Phosphorylierungsgrad von Period nahe und liefern damit einen mögliche Erklärung für den verspäteten Kerneintritt des Uhrproteins. Abschließende Stützung der Westernblotergebnisse bringen in vitro Kinasenassays und deuten auf p38 als eine potentielle „Uhrkinase“ hin, welche auch in vivo Period an Serin 661 sowie weiteren potentiellen Phosphorylierungsstellen phosphorylieren könnte.
Zusammengenommen deuten die Ergebnisse der hier vorliegenden Arbeit eindeutig auf eine bedeutende Rolle von p38, neben dessen Funkion im Stress-System, auch im circadianen System der Fliege hin und offenbaren damit die Möglichkeit, dass p38 als Schnittstelle zwischen beider Systeme fungiert.
N2 - The circadian and the stress system are two distinct physiological systems that help the organism to adapt to environmental challenges. While the latter elicits reactive responses to acute environmental changes, the circadian system predicts daily occurring alterations and prepares the organism in advance. However, despite of these differences both responses are not mutually exclusive. Studies in the last years obviously prove a strong interaction between both systems showing a strong time-related stress response depending on the time of day of stressor presentation on the one hand and increased disturbances of daily rhythms, like sleep disorders, in consequence of uncontrolled or excessive stress on the other. In line with this fact, recent studies in vertebrates and fungi indicate that p38, a stress-activated Kinase, is involved in signaling to the circadian clock (Hayashi et al., 2003) and in turn is additionally regulated by this timekeeping system (Vitalini et al., 2007; Lamb et al., 2011) providing an interesting link between stress-induced and regularly rhythmic adaptations of the organism to environmental changes. However, little is known about molecular and cellular mechanisms of this interconnection.
In Drosophila melanogaster the role of p38 MAPK is well characterized in terms of immune and stress response, p38 expression and function in the circadian clock has not been reported so far. Therefore, the present thesis aimed to elucidate a putative role of the stress-activated Kinase in the fly’s circadian system using an immunohistochemical, behavioral as well as molecular approach. Surprisingly, for the first time antibody as well as reporterline studies cleary prove p38 expression in Drosophila clock neurons showing visible staining in s-LNvs, l-LNvs and DN1as. Moreover p38 MAPK in DN1as seems to be activated in a clock-dependent manner. p38 is most active under darkness and, besides its circadian activation, additionally gets inactivated by light. 15 minutes light pulse applied during the dark phase lead to a significant reduction in phosphorylated and activated p38 MAPK in Canton S wildtype flies compared to flies without light pulse treatment. In addition, locomotor activity recordings reveal that p38 is essential for a wild-type timing of evening activity and for maintaining ~24h behavioral rhythms under constant darkness. Flies with reduced p38 activity in clock neurons show delayed evening activity onsets and drastically lengthened the period of their free-running rhythms. In line with these effects on locomotor behavior, the nuclear translocation of the clock protein Period is significantly delayed on the expression of a dominant-negative form of p38b in Drosophila’s most important clock neurons. Western Blots reveal that p38 affects the phosphorylation degree of Period, what is likely the reason for its effects on nuclear entry of Period. In vitro kinase assays additionally confirm the Western Blot results and point to p38 as a potential “clock kinase” phosphorylating Period at Serin 661 and putative phosphorylation sites.
Taken together, the results of the present thesis clearly indicate a prominent role of p38 in the circadian system of the fly besides its function in stress-input pathways und open up the possibility of p38 MAPK being a nodal point of both physiological systems.
KW - Taufliege
KW - Biologische Uhr
KW - MAP-Kinase
KW - Innere Uhr
KW - MAPK
KW - p38
KW - Phosphorylierung
KW - Mitogen-aktivierte Proteinkinase
KW - Drosophila melanogaster
KW - Circadiane Rhythmen
KW - Drosophila
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-124636
ER -
TY - THES
A1 - Müller, Elisabeth
T1 - Pan-Raf-Inhibition als neue therapeutische Strategie im Multiplen Myelom
T1 - Pan-Raf-Inhibition as a new therapeutical strategy in Multiple Myeloma
N2 - Das Multiple Myelom (MM) ist eine durch monoklonale Vermehrung terminal differenzierter Antikörper-produzierender B-Lymphozyten (Plasmazellen) im Knochenmark charakterisierte maligne Krankheit, die sich v.a. in osteolytischen Knochendestruktionen, hämatopoetischer und Niereninsuffizienz äußert. Verbesserte Therapieansätze wie die Hochdosis-Chemotherapie mit Melphalan und anschließender autologer Stammzelltransplantation sowie die Einführung neuer pharmakologischer Substanzklassen (Proteasom-Inhibitoren, Cereblon-bindende Thalidomidderivate) führten zu einer Verlängerung der durchschnittlichen Überlebenszeit, für die meisten der Patienten ist die Erkrankung jedoch derzeit unheilbar. Die Erforschung neuer potenzieller therapeutischer Angriffspunkte auf Grund pathobiologischer Erkenntnisse bleibt daher unabdingbar. Ein Ansatz zur Verbesserung des Verständnisses der Pathogenese ist die funktionelle, molekulare und genetische Analyse des Signalnetzwerkes im MM. Im Zusammenhang mit diesem Konzept wurde entdeckt, dass wachstums-regulierende Signalwege in MM Zellen aktiviert oder dereguliert sind und zum Überleben und der Proliferation des Tumors beitragen. So konnte beispielsweise von unserer Arbeitsgruppe bereits gezeigt werden, dass onkogenes Ras essentiell zum Überleben der MM Zellen beiträgt. Da Ras derzeit mangels spezifischer Inhibitoren pharmakologisch nicht angreifbar ist, stellen weitere funktionelle Bestandteile des Signalweges eine potenzielle therapeutische Zielstruktur dar. Während die Blockade von MEK1/2 in MM Zellen keinen Einfluss auf das Überleben hatte, konnte durch die Blockade von Raf in ersten Tests unserer Arbeitsgruppe Apoptose hervorgerufen werden. Aus diesem Grund habe ich in der vorliegenden Arbeit zur Evaluation eines neuen Therapieansatzes die Rolle der Raf-abhängigen Signaltransduktion eingehend untersucht. Als Grundlage diente dabei die Hypothese, dass die Raf-Kinasen entscheidende Effektoren der durch onkogenes Ras vermittelten apoptotischen Effekte darstellen. In einem ersten Schritt konnte ich nachweisen, dass alle drei Raf-Isoformen (A-, B- und C-Raf) in humanen MM Zelllinien und in primären MM Zellen aktiviert sind. Mittels shRNA-vermittelter, Isoform-spezifischer Raf-Knockdown-Experimente konnte ich zeigen, dass nur ein simultaner Knockdown aller Isoformen, d.h. ein Pan-Raf-Knockdown, zu einer De-Phosphorylierung von MEK1/2 und ERK1/2 führte. Dieser Versuch ließ sich mittels pharmakologischer Raf-Inhibition, bei der ebenfalls nur eine Pan-Raf-Blockade zu einer Herunterregulation von MEK1/2 und ERK1/2 in MM Zellen führte, bestätigen. Das MEK/ERK-Modul stellte somit einen hervorragenden Surrogat- und Biomarker für die Pan-Raf-Aktivität dar. Im Gegensatz zur Blockade des MEK/ERK-Moduls führte eine Hemmung der Pan-Raf-Aktivität mittels shRNA oder pharmakologischer Inhibitoren in allen untersuchten Zelllinien und in der Mehrheit der primären MM Zellen zu einer starken Induktion von Apoptose. Da das Ansprechen auf eine Pan-Raf-Blockade nicht mit dem Ras-Mutationsstatus korrelierte, könnten die Raf-Kinasen eine von onkogenem Ras unabhängie Qualität als therapeutische Zielstruktur aufweisen. Zur Untersuchung möglicher MEK/ERK-unabhängiger Effektormechanismen der Pan-Raf-Inhibition habe ich die mRNA-basierten Genexpressionsprofile von INA-6 Zellen nach pharmakologischer Pan-Raf- oder MEK-Inhibition verglichen. Dabei führte die Pan-Raf-Inhibition zu einer Regulation von wesentlich mehr Genen, wobei sich auch die Art der regulierten Gene unterschied, darunter Gene mit tumorrelevanten Funktionen wie Regulation von Proliferation, Zellzyklus und Apoptose. Für eine dieser Gengruppen, die Gruppe der PI3K-abhängigen, mTOR-assoziierten Gene, konnte ich eine Regulation auch auf der Proteinebene nachweisen: die Phosphorylierungen von mTOR, p70S6K, Rb und AKT und die Expression von CyclinD1 und PDK1 waren nach Pan-Raf-Inhibition, nicht jedoch nach MEK-Blockade herunterreguliert. Dieses Ergebnis deutet auf eine Ko-Regulation der PI3K-abhängigen Signaltransduktion durch die Raf-kinasen hin. Mittels spezifischer PI3K-Inhibitoren ließ sich sowohl bei der Regulation der untersuchten Proteine als auch bei der Induktion von Apoptose eine deutliche Verstärkung der Pan-Raf-Inhibition in HMZL und in primären Zellen erzielen. Zusammengefasst zeigt diese Arbeit, dass die Pan-Raf-Blockade eine neue Therapiemöglichkeit darstellt, die durch Kombination mit einer PI3K/AKT-Inhibition noch verstärkt werden kann.
N2 - Multiple Myeloma (MM) is a malignant disease which is characterized by monoclonal expansion of terminally differentiated, antibody-producing B-lymphocytes (plasma cells) and results mostly in bone lesions, haematopoietic and renal insufficiency. Improved therapeutic approaches like high-dose melphalan chemotherapy followed by autologous stem-cell transplantation and the introduction of new pharmacological compounds (proteasome inhibitors, cereblon-binding Thalidomide derivates) increased the mean survival time. Nevertheless, the disease remains incurable for most of the patients. Therefore, the exploration of new potential therapeutical targets based on pathobiologic insights becomes vital. One approach to improve the understanding of the pathogenesis is to analyze functionally, molecularly and genetically the signaling network in MM. In the context of this concept, it was discovered, that growth-regulating pathways are activated or deregulated in MM cells and contribute to tumor survival and proliferation. Our working group could already proof that oncogenic Ras is crucial for cell survival. Since Ras itself does not yet represent a druggable target, therapeutical approaches should aim at other functional parts of the pathway. While blocking of MEK1/2 has no influence on MM cell survival, early reports of our working group showed that inhibiting Raf induced apoptosis. For this reason I investigated the role of Raf-dependent signaling in order to evaluate a new therapeutic approach. This was based on the hypothesis that Raf kinases act as important effectors for the apoptotic effects of oncogenic Ras. As a first step, I could prove, that all three Raf isoforms (A-, B- and C-Raf) are activated in human MM cell lines and in primary MM cells. By using of shRNA-mediated, isoform-specific Raf knockdown experiments I could reveal that only the simultaneous knockdown of all three isoforms, i.e. a Pan-Raf knockdown, led to de-phosphorylation of MEK1/2 and ERK1/2. Also pharmacological Raf inhibition showed that only Pan-Raf blockage decreases the phosphorylation of MEK1/2 and ERK1/2 and thereby confirmed the knockdown experiment. These experiments also proved that the MEK/ERK module is a strong surrogate and biomarker for Pan-Raf activity. Contrary to inhibiting the MEK/ERK module the inhibition of Pan-Raf activity by shRNAs or pharmacological inhibitors led on to a strong induction of apoptosis in the tested cell lines and in the majority of primary cells. Since the response to Pan-Raf inhibition did not correlate with Ras mutational status, the Raf kinases could probably represent a Ras-independent therapeutical target of high quality. In order to decode possible MEK/ERK-independent effector mechanisms I compared the mRNA-based gene expression profiles of INA-6 cells after pharmacological inhibition of Pan-Raf or MEK. Pan-Raf inhibition led to the regulation of a greater number of genes, taking into account that the character of the regulated genes also varied. This included genes with functions relevant for tumors like regulation of proliferation, cell cycle and apoptosis. For one of these groups, the PI3K-dependent, mTOR-associated genes, I could show the regulation on the level of the proteins: phosporylation of mTOR, p70S6K, Rb and AKT as well es the expression of cyclinD1 and PDK1 decreased after Pan-Raf inhibition, but not after MEK inhibition. This result suggests a co regulation of the PI3K-dependent signal transduction by Raf kinases. In summary, this thesis presents a rationale for Pan-Raf inhibition as a new therapeutical option, which can be enhanced by combination with PI3K/AKT-inhibition.
KW - Plasmozytom
KW - Raf-Kinasen
KW - Inhibition
KW - Multiples Myelom
KW - Pan-Raf-Inhibition
KW - Behandlungsoption
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-124666
ER -
TY - JOUR
A1 - Förster, Frank
A1 - Beisser, Daniela
A1 - Grohme, Markus A.
A1 - Liang, Chunguang
A1 - Mali, Brahim
A1 - Siegl, Alexander Matthias
A1 - Engelmann, Julia C.
A1 - Shkumatov, Alexander V.
A1 - Schokraie, Elham
A1 - Müller, Tobias
A1 - Schnölzer, Martina
A1 - Schill, Ralph O.
A1 - Frohme, Marcus
A1 - Dandekar, Thomas
T1 - Transcriptome analysis in tardigrade species reveals specific molecular pathways for stress adaptations
JF - Bioinformatics and biology insights
N2 - Tardigrades have unique stress-adaptations that allow them to survive extremes of cold, heat, radiation and vacuum. To study this, encoded protein clusters and pathways from an ongoing transcriptome study on the tardigrade \(Milnesium\) \(tardigradum\) were analyzed using bioinformatics tools and compared to expressed sequence tags (ESTs) from \(Hypsibius\) \(dujardini\), revealing major pathways involved in resistance against extreme environmental conditions. ESTs are available on the Tardigrade Workbench along with software and databank updates. Our analysis reveals that RNA stability motifs for \(M.\) \(tardigradum\) are different from typical motifs known from higher animals. \(M.\) \(tardigradum\) and \(H.\) \(dujardini\) protein clusters and conserved domains imply metabolic storage pathways for glycogen, glycolipids and specific secondary metabolism as well as stress response pathways (including heat shock proteins, bmh2, and specific repair pathways). Redox-, DNA-, stress- and protein protection pathways complement specific repair capabilities to achieve the strong robustness of \(M.\) \(tardigradum\). These pathways are partly conserved in other animals and their manipulation could boost stress adaptation even in human cells. However, the unique combination of resistance and repair pathways make tardigrades and \(M.\) \(tardigradum\) in particular so highly stress resistant.
KW - RNA
KW - expressed sequence tag
KW - cluster
KW - protein familiy
KW - adaption
KW - tardigrada
KW - transcriptome
Y1 - 2012
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-123089
N1 - This is an open access article. Unrestricted non-commercial use is permitted provided the original work is properly cited.
VL - 6
ER -
TY - JOUR
A1 - Dandekar, Thomas
A1 - Fieselmann, Astrid
A1 - Popp, Jasmin
A1 - Hensel, Michael
T1 - Salmonella enterica: a surprisingly well-adapted intracellular lifestyle
JF - Frontiers in Microbiology
N2 - The infectious intracellular lifestyle of Salmonella enterica relies on the adaptation to nutritional conditions within the Salmonella-containing vacuole (SCV) in host cells. We summarize latest results on metabolic requirements for Salmonella during infection. This includes intracellular phenotypes of mutant strains based on metabolic modeling and experimental tests, isotopolog profiling using (13)C-compounds in intracellular Salmonella, and complementation of metabolic defects for attenuated mutant strains towards a comprehensive understanding of the metabolic requirements of the intracellular lifestyle of Salmonella. Helpful for this are also genomic comparisons. We outline further recent studies and which analyses of intracellular phenotypes and improved metabolic simulations were done and comment on technical required steps as well as progress involved in the iterative refinement of metabolic flux models, analyses of mutant phenotypes, and isotopolog analyses. Salmonella lifestyle is well-adapted to the SCV and its specific metabolic requirements. Salmonella metabolism adapts rapidly to SCV conditions, the metabolic generalist Salmonella is quite successful in host infection.
KW - Salmonella enterica
KW - metabolism
KW - Salmonella-containing vacuole
KW - regulation
KW - virulence
Y1 - 2012
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-123135
ER -
TY - JOUR
A1 - Zhang, Shaowu
A1 - Si, Aung
A1 - Pahl, Mario
T1 - Visually guided decision making in foraging honeybees
JF - Frontiers in Neuroscience
N2 - Honeybees can easily be trained to perform different types of discrimination tasks under controlled laboratory conditions. This review describes a range of experiments carried out with free-flying forager honeybees under such conditions. The research done over the past 30 or so years suggests that cognitive abilities (learning and perception) in insects are more intricate and flexible than was originally imagined. It has become apparent that honeybees are capable of a variety of visually guided tasks, involving decision making under challenging situations: this includes simultaneously making use of different sensory modalities, such as vision and olfaction, and learning to use abstract concepts such as “sameness” and “difference.” Many studies have shown that decision making in foraging honeybees is highly flexible. The trained animals learn how to solve a task, and do so with a high accuracy, but when they are presented with a new variation of the task, they apply the learnt rules from the earlier setup to the new situation, and solve the new task as well. Honeybees therefore not only feature a rich behavioral repertoire to choose from, but also make decisions most apt to the current situation. The experiments in this review give an insight into the environmental cues and cognitive resources that are probably highly significant for a forager bee that must continually make decisions regarding patches of resources to be exploited.
Y1 - 2012
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-124228
VL - 6
IS - 88
ER -
TY - JOUR
A1 - Owen, Dylan M.
A1 - Sauer, Markus
A1 - Gaus, Katharina
T1 - Fluorescence localization microscopy
JF - Communicative & Integrative Biology
N2 - Localization microscopy techniques are super-resolution fluorescence imaging methods based on the detection of individual molecules. Despite the relative simplicity of the microscope setups and the availability of commercial instruments, localization microscopy faces unique challenges. While achieving super-resolution is now routine, issues concerning data analysis and interpretation mean that revealing novel biological insights is not. Here, we outline why data analysis and the design of robust test samples may hold the key to harness the full potential of localization microscopy.
Y1 - 2012
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-124416
VL - 5
IS - 4
ER -
TY - JOUR
A1 - Pasch, Elisabeth
A1 - Link, Jana
A1 - Beck, Carolin
A1 - Scheuerle, Stefanie
A1 - Alsheimer, Manfred
T1 - The LINC complex component Sun4 plays a crucial role in sperm head formation and fertility
JF - Biology Open
N2 - LINC complexes are evolutionarily conserved nuclear envelope bridges, physically connecting the nucleus to the peripheral cytoskeleton. They are pivotal for dynamic cellular and developmental processes, like nuclear migration, anchoring and positioning, meiotic chromosome movements and maintenance of cell polarity and nuclear shape. Active nuclear reshaping is a hallmark of mammalian sperm development and, by transducing cytoskeletal forces to the nuclear envelope, LINC complexes could be vital for sperm head formation as well. We here analyzed in detail the behavior and function of Sun4, a bona fide testis-specific LINC component. We demonstrate that Sun4 is solely expressed in spermatids and there localizes to the posterior nuclear envelope, likely interacting with Sun3/Nesprin1 LINC components. Our study revealed that Sun4 deficiency severely impacts the nucleocytoplasmic junction, leads to mislocalization of other LINC components and interferes with the formation of the microtubule manchette, which finally culminates in a globozoospermia-like phenotype. Together, our study provides direct evidence for a critical role of LINC complexes in mammalian sperm head formation and male fertility.
KW - SUN domain proteins
KW - sperm head formation
KW - nuclear envelope
KW - LINC complex
KW - spermiogenesis
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-125212
VL - 4
ER -
TY - THES
A1 - Grimmig, Tanja Maria
T1 - Immunity, Inflammation and Cancer: The role of Foxp3, TLR7 and TLR8 in gastrointestinal cancer
T1 - Immunsystem, Entzündung und Krebs: die Rolle von Foxp3, TLR7 und TLR8 in gastrointestinalen Tumorerkrankungen
N2 - Regulatory T cells (Treg) expressing the transcription factor forkhead box protein P3 (Foxp3) have been demonstrated to mediate evasion from anti-tumor immune responses during tumor progression. Moreover, Foxp3 expression by tumor cells themselves may allow them to counteract effector T cell responses, resulting in a survival benefit of the tumor. For gastrointestinal cancers, in particular pancreatic and colorectal cancer (CRC), the clinical relevance of Foxp3 is not clear to date. Therefore the aim of this study was to analyze its impact in CRC and pancreatic cancer. To determine the relevance of Foxp3 for tumor progression and patient survival, gene and protein analysis of human pancreatic and colon cancer cell lines as well as tumor tissues from patients with CRC was performed. The results derived from the patients with CRC were correlated with clinicopathological parameters and patients’ overall survival. Cancer cell mediated Foxp3 expression in vitro was demonstrated in human pancreatic cancer cell lines PANC1, PaCa DD 135, PaCa DD 159 and PaCa DD 185 as well as in human colon cancer cell lines SW480 and SW620. Additionally, Foxp3 expressing cancer cells were found in ex vivo tumor tissue samples of patients with CRC. The percentage of Foxp3+ cancer cells increased from stages UICC I/II to UICC III/IV compared to normal tissue. Moreover, high tumor cell mediated Foxp3 expression was associated with poor prognosis compared to patients with low Foxp3 expression. In contrast, low and high Foxp3 level in tumor infiltrating Treg cells demonstrated no significant differences in patients’ overall survival. Correlation analysis demonstrated a significant association of Foxp3 cancer cell expression with the expression of immunosuppressive cytokines IL-10 and TGF-β. These findings suggest that Immunosuppressive cytokines such as IL-10 and TGF-β released by rather Foxp3+ cancer cells than Foxp3+ Treg cells may inhibit the activation of naive T cells, hence limiting antitumor immune responses and favoring tumorigenesis and progression.
Chronic inflammation has been shown to be an important epigenetic and environmental factor in numerous tumor entities. Recent data suggest that tumorigenesis and tumor progression may be associated with inflammation-triggered activation of Toll-like receptors (TLR). In this study, the specific impact of both TLR7 and TLR8 expression and signaling on tumor cell proliferation and chemoresistance is analyzed in inflammation linked CRC and pancreatic cancer. By gene and protein expression analysis of human pancreatic and colon cancer cell lines TLR7 and TLR8 expression was determined in vitro. Additionally, expression of TLR7/TLR8 in UICC stage I-IV pancreatic cancer, chronic pancreatitis and normal pancreatic tissue was examined. For in vitro/in vivo studies TLR7/TLR8 overexpressing PANC1 cell lines were generated and analyzed for effects of TLR expression and stimulation on tumor cell proliferation and chemoresistance. Cancer cell mediated TLR7 and TLR8 expression in vitro was demonstrated in human colon cancer cell lines SW480, SW620 and HT-29 as well as in primary pancreatic cancer cell lines PaCa DD 135, PaCa DD 159 and PaCa DD 185. Additionally, TLR7 and TLR8 expressing tumor cells were found in ex vivo tissue samples of patients with pancreatic cancer and chronic pancreatitis. Significantly elevated expression levels of TLR7 and TLR8 were found in advanced tumor stages (UICC III) compared to early tumor stages (UICC II) and chronic pancreatitis. No or occasionally low expression was detected in normal pancreatic tissue. In contrast to the tissues from patients with pancreatic cancer or chronic pancreatitis, established pancreatic tumor cell lines express only very low levels of TLR7 and TLR8. Therefore, for in vitro and xenograft studies TLR7 or TLR8 overexpressing PANC1 cells were generated. Proliferation promoting effects of TLR7 and TLR8 expression and stimulation with R848 were detected in vitro. Additionally, increased tumor growth of TLR expressing PANC1 cells was demonstrated in subcutaneously injected Balb/c nude mice. Interestingly, activation of TLR7 or TLR8 induced not only an increase in tumor cell proliferation but also a strong chemoresistance of PANC1 cells against 5-fluorouracil (5-FU). Moreover, treatment with R848 resulted in elevated expression levels of NF-κB, COX-2 and inflammatory cytokines IL-1β, IL-8 and TNF-α, suggesting TLR7/8 signaling to contribute to an inflammatory, anti-apoptotic and proliferation promoting tumor microenvironment. These findings emphasize the particular role of TLR7 and TLR8 in inflammation related cancers and their relevance as potential targets for cancer therapy.
N2 - In jüngerer Vergangenheit wurde regulatorischen T-Zellen, die den Transkriptionsfaktor forkhead-box protein P3 (Foxp3) exprimieren, wiederholt die Fähigkeit zugesprochen, Antitumorimmunreaktionen während der Tumorentwicklung und –progression abzuschwächen. Daneben sind Tumorzellen selbst befähigt Foxp3 zu exprimieren. Sie können damit der Effektor-T-Zell-Antwort entgegen wirken und so Tumorwachstum begünstigen. Die klinische Bedeutung der Foxp3-Expression in gastrointestinalen Tumoren, insbesondere im Pankreaskarzinom und kolorektalen Karzinom, ist zum heutigen Stand noch unklar. Daher war es das Ziel dieser Arbeit, die Bedeutung von Foxp3 im Pankreaskarzinom und kolorektalen Karzinom weiter aufzuklären. Um seine prognostische Relevanz hinsichtlich der Tumorprogression sowie das Patienten-Überleben zu untersuchen, wurden Gen- und Proteinexpressionsanalysen in Tumorgeweben aus Patientenkohorten mit kolorektalem Karzinom durchgeführt. Die Ergebnisse aus den Tumorgeweben wurden mit klinikopathologischen Parametern und dem Gesamtüberleben der Patienten korreliert. Sowohl in den humanen Pankreaskarzinomzelllinien PANC1, PaCa DD 135, PaCa DD 159 und PaCa DD 185 als auch in den humanen Kolonkarzinomzelllinien SW480 und SW620 konnte tumorzellvermittelte Foxp3 Expression nachgewiesen werden. Zusätzlich wurden auch in den ex vivo Gewebeproben Foxp3-exprimierende Tumorzellen vorgefunden. Dabei nahm der Anteil an Foxp3-positiven Tumorzellen stadienabhängig von frühen zu fortgeschrittenen Tumorstadien (UICC I/II zu UICC III/IV) zu. Zudem waren Patienten mit einer starken Expression von Foxp3 im Vergleich zu Patienten mit niedrigem Foxp3-Expressionsprofil in den Tumorzellen von einer schlechten klinischen Prognose gekennzeichnet. Hohe bzw. niedrige Foxp3-Expressionen in tumorinfiltrierenden T-Zellen zeigten dagegen keinen signifikanten Einfluss auf das Gesamtüberleben der Patienten. In der Korrelationsanalyse ergab sich außerdem eine signifikante Verknüpfung von Foxp3-Expression mit der Expression der immunsuppressiven Zytokine IL-10 und TGF-β in den Tumorzellen. Diese Beobachtungen lassen vermuten, dass Foxp3-positive Tumorzellen durch die Sekretion von immunsuppressiven Zytokinen wie IL-10 und TGF-β im Tumormikromilieu die Aktivierung naiver T-Zellen inhibieren. Damit würden Antitumorimmunreaktionen unterdrückt und das Tumorwachstum begünstigt.
Chronische Entzündungsreaktionen sind wichtige epigenetische Faktoren in verschiedenen Tumorentitäten. Neuere Daten deuten darauf hin, dass Karzinogenese und Tumorprogression in Verbindung mit inflammationsinduzierter Aktivierung von Toll-like Rezeptoren (TLR) stehen. In dieser Arbeit wurde insbesondere der Einfluss der beiden Rezeptoren TLR7 und TLR8 auf die Tumorzellproliferation und Chemotherapieresistenz von gastrointestinalen Tumoren wie das kolorektale Karzinom und das Pankreaskarzinom untersucht. Mit Hilfe von Gen- und Proteinexpressionsanalysen wurde die tumorzellvermittelte Expression von TLR7 und TLR8 in vitro in verschiedenen humanen Kolon- als auch Pankreaskarzinomzelllinien nachgewiesen. Zusätzlich wurde verstärkte TLR7 und TLR8 Expression in Tumorgewebeproben aus Patienten mit Pankreaskarzinom als auch bei chronischer Pankreatitis vorgefunden, wobei die Expression in fortgeschrittenen Tumorstadien (UICC III) gegenüber früheren Stadien (UICC II) und chronischer Pankreatitis signifikant erhöht war. In vitro und in vivo Untersuchungen im xenogenen Tumormodell mit humanem Pankreaskarzinom zeigten für TLR7- und TLR8-exprimierende PANC1-Pankreaskarzinome signifikant gesteigerte Tumorproliferationen. Zusätzlich wurde durch die gezielte TLR7/8 Stimulation mit der Substanz R848 eine ausgeprägte Chemotherapieresistenz gegenüber 5-Fluorouracil (5-FU) induziert. Die Aktivierung von TLR7 und TLR8 führte darüber hinaus zu einer verstärkten Expression von NF-kB, COX-2, sowie den proinflammatorischen Zytokinen IL-1β, IL-8 und TNF-α. Diese Beobachtungen legen nahe, dass die TLR7/8 Signalgebung zu inflammatorischen, antiapoptotischen und proliferationsfördernden Prozessen im Tumormikromilieu beiträgt und unterstreichen die Bedeutung der Toll like Rezeptoren 7 und 8 als potentielle therapeutische Zielstrukturen in inflammationsassoziierten Tumorerkrankungen.
KW - Bauchspeicheldrüsenkrebs
KW - Foxp3
KW - TLR7
KW - TLR8
KW - Tumorerkrankungen
KW - gastrointestinal cancer
KW - Dickdarmkrebs
KW - Toll-like-Rezeptoren
KW - Regulatorischer T-Lymphozyt
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-125248
ER -
TY - JOUR
A1 - Sickel, Wiebke
A1 - Ankenbrand, Markus J.
A1 - Grimmer, Gudrun
A1 - Holzschuh, Andrea
A1 - Härtel, Stephan
A1 - Lanzen, Jonathan
A1 - Steffan-Dewenter, Ingolf
A1 - Keller, Alexander
T1 - Increased efficiency in identifying mixed pollen samples by meta-barcoding with a dual-indexing approach
JF - BMC Ecology
N2 - Background
Meta-barcoding of mixed pollen samples constitutes a suitable alternative to conventional pollen identification via light microscopy. Current approaches however have limitations in practicability due to low sample throughput and/or inefficient processing methods, e.g. separate steps for amplification and sample indexing.
Results
We thus developed a new primer-adapter design for high throughput sequencing with the Illumina technology that remedies these issues. It uses a dual-indexing strategy, where sample-specific combinations of forward and reverse identifiers attached to the barcode marker allow high sample throughput with a single sequencing run. It does not require further adapter ligation steps after amplification. We applied this protocol to 384 pollen samples collected by solitary bees and sequenced all samples together on a single Illumina MiSeq v2 flow cell. According to rarefaction curves, 2,000–3,000 high quality reads per sample were sufficient to assess the complete diversity of 95% of the samples. We were able to detect 650 different plant taxa in total, of which 95% were classified at the species level. Together with the laboratory protocol, we also present an update of the reference database used by the classifier software, which increases the total number of covered global plant species included in the database from 37,403 to 72,325 (93% increase).
Conclusions
This study thus offers improvements for the laboratory and bioinformatical workflow to existing approaches regarding data quantity and quality as well as processing effort and cost-effectiveness. Although only tested for pollen samples, it is furthermore applicable to other research questions requiring plant identification in mixed and challenging samples.
KW - pollination ecology
KW - next generation sequencing
KW - ITS2
KW - illumina MiSeq platform
KW - high throughput sequencing
KW - DNA barcoding
KW - NGS
KW - osmia
KW - palynolog
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-125730
VL - 15
IS - 20
ER -
TY - JOUR
A1 - Falibene, Agustina
A1 - Roces, Flavio
A1 - Rössler, Wolfgang
T1 - Long-term avoidance memory formation is associated with a transient increase in mushroom body synaptic complexes in leaf-cutting ants
JF - Frontiers in Behavioral Neuroscience
N2 - Long-term behavioral changes related to learning and experience have been shown to be associated with structural remodeling in the brain. Leaf-cutting ants learn to avoid previously preferred plants after they have proved harmful for their symbiotic fungus, a process that involves long-term olfactory memory. We studied the dynamics of brain microarchitectural changes after long-term olfactory memory formation following avoidance learning in Acromyrmex ambiguus. After performing experiments to control for possible neuronal changes related to age and body size, we quantified synaptic complexes (microglomeruli, MG) in olfactory regions of the mushroom bodies (MBs) at different times after learning. Long-term avoidance memory formation was associated with a transient change in MG densities. Two days after learning, MG density was higher than before learning. At days 4 and 15 after learning—when ants still showed plant avoidance—MG densities had decreased to the initial state. The structural reorganization of MG triggered by long-term avoidance memory formation clearly differed from changes promoted by pure exposure to and collection of novel plants with distinct odors. Sensory exposure by the simultaneous collection of several, instead of one, non-harmful plant species resulted in a decrease in MG densities in the olfactory lip. We hypothesize that while sensory exposure leads to MG pruning in the MB olfactory lip, the formation of long-term avoidance memory involves an initial growth of new MG followed by subsequent pruning.
KW - microglomeruli
KW - olfaction
KW - avoidance learning
KW - leaf-cutting ants
KW - acromyrmex ambiguus
KW - synaptic plasticity
KW - mushroom body
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-125522
VL - 9
IS - 84
ER -
TY - JOUR
A1 - Klammert, Uwe
A1 - Müller, Thomas D.
A1 - Hellmann, Tina V.
A1 - Wuerzler, Kristian K.
A1 - Kotzsch, Alexander
A1 - Schliermann, Anna
A1 - Schmitz, Werner
A1 - Kuebler, Alexander C.
A1 - Sebald, Walter
A1 - Nickel, Joachim
T1 - GDF-5 can act as a context-dependent BMP-2 antagonist
JF - BMC Biology
N2 - Background
Bone morphogenetic protein (BMP)-2 and growth and differentiation factor (GDF)-5 are two related transforming growth factor (TGF)-β family members with important functions in embryonic development and tissue homeostasis. BMP-2 is best known for its osteoinductive properties whereas GDF-5—as evident from its alternative name, cartilage derived morphogenetic protein 1—plays an important role in the formation of cartilage. In spite of these differences both factors signal by binding to the same subset of BMP receptors, raising the question how these different functionalities are generated. The largest difference in receptor binding is observed in the interaction with the type I receptor BMPR-IA. GDF-5, in contrast to BMP-2, shows preferential binding to the isoform BMPR-IB, which is abrogated by a single amino acid (A57R) substitution. The resulting variant, GDF-5 R57A, represents a “BMP-2 mimic” with respect to BMP receptor binding. In this study we thus wanted to analyze whether the two growth factors can induce distinct signals via an identically composed receptor.
Results
Unexpectedly and dependent on the cellular context, GDF-5 R57A showed clear differences in its activity compared to BMP-2. In ATDC-5 cells, both ligands induced alkaline phosphatase (ALP) expression with similar potency. But in C2C12 cells, the BMP-2 mimic GDF-5 R57A (and also wild-type GDF-5) clearly antagonized BMP-2-mediated ALP expression, despite signaling in both cell lines occurring solely via BMPR-IA. The BMP-2- antagonizing properties of GDF-5 and GDF-5 R57A could also be observed in vivo when implanting BMP-2 and either one of the two GDF-5 ligands simultaneously at heterotopic sites.
Conclusions
Although comparison of the crystal structures of the GDF-5 R57A:BMPR-IAEC- and BMP-2:BMPR-IAEC complex revealed small ligand-specific differences, these cannot account for the different signaling characteristics because the complexes seem identical in both differently reacting cell lines. We thus predict an additional component, most likely a not yet identified GDF-5-specific co-receptor, which alters the output of the signaling complexes. Hence the presence or absence of this component then switches GDF-5′s signaling capabilities to act either similar to BMP-2 or as a BMP-2 antagonist. These findings might shed new light on the role of GDF-5, e.g., in cartilage maintenance and/or limb development in that it might act as an inhibitor of signaling events initiated by other BMPs.
KW - growth and differentiation factor 5
KW - ligand-receptor complex
KW - crystal structure
KW - antagonist
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-125550
VL - 13
IS - 77
ER -
TY - JOUR
A1 - Subbarayal, Prema
A1 - Karunakaran, Karthika
A1 - Winkler, Ann-Cathrin
A1 - Rother, Marion
A1 - Gonzalez, Erik
A1 - Meyer, Thomas F.
A1 - Rudel, Thomas
T1 - EphrinA2 Receptor (EphA2) Is an Invasion and Intracellular Signaling Receptor for Chlamydia trachomatis
JF - PLoS Pathogens
N2 - The obligate intracellular bacterium Chlamydia trachomatis invades into host cells to replicate inside a membrane-bound vacuole called inclusion. Multiple different host proteins are recruited to the inclusion and are functionally modulated to support chlamydial development. Invaded and replicating Chlamydia induces a long-lasting activation of the PI3 kinase signaling pathway that is required for efficient replication. We identified the cell surface tyrosine kinase EphrinA2 receptor (EphA2) as a chlamydial adherence and invasion receptor that induces PI3 kinase (PI3K) activation, promoting chlamydial replication. Interfering with binding of C. trachomatis serovar L2 (Ctr) to EphA2, downregulation of EphA2 expression or inhibition of EphA2 activity significantly reduced Ctr infection. Ctr interacts with and activates EphA2 on the cell surface resulting in Ctr and receptor internalization. During chlamydial replication, EphA2 remains active accumulating around the inclusion and interacts with the p85 regulatory subunit of PI3K to support the activation of the PI3K/Akt signaling pathway that is required for normal chlamydial development. Overexpression of full length EphA2, but not the mutant form lacking the intracellular cytoplasmic domain, enhanced PI3K activation and Ctr infection. Despite the depletion of EphA2 from the cell surface, Ctr infection induces upregulation of EphA2 through the activation of the ERK pathway, which keeps the infected cell in an apoptosis-resistant state. The significance of EphA2 as an entry and intracellular signaling receptor was also observed with the urogenital C. trachomatis-serovar D. Our findings provide the first evidence for a host cell surface receptor that is exploited for invasion as well as for receptor-mediated intracellular signaling to facilitate chlamydial replication. In addition, the engagement of a cell surface receptor at the inclusion membrane is a new mechanism by which Chlamydia subverts the host cell and induces apoptosis resistance.
KW - membrane proteins
KW - chlamydia infection
KW - chlamydia trachomatis
KW - chlamydia
KW - HeLa cells
KW - apoptosis
KW - host cells
KW - membrane receptor signaling
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-125566
VL - 11
IS - 4
ER -
TY - JOUR
A1 - Gupta, Shishir K.
A1 - Kupper, Maria
A1 - Ratzka, Carolin
A1 - Feldhaar, Heike
A1 - Vilcinskas, Andreas
A1 - Gross, Roy
A1 - Dandekar, Thomas
A1 - Förster, Frank
T1 - Scrutinizing the immune defence inventory of Camponotus floridanus applying total transcriptome sequencing
JF - BMC Genomics
N2 - Background
Defence mechanisms of organisms are shaped by their lifestyle, environment and pathogen pressure. Carpenter ants are social insects which live in huge colonies comprising genetically closely related individuals in high densities within nests. This lifestyle potentially facilitates the rapid spread of pathogens between individuals. In concert with their innate immune system, social insects may apply external immune defences to manipulate the microbial community among individuals and within nests. Additionally, carpenter ants carry a mutualistic intracellular and obligate endosymbiotic bacterium, possibly maintained and regulated by the innate immune system. Thus, different selective forces could shape internal immune defences of Camponotus floridanus.
Results
The immune gene repertoire of C. floridanus was investigated by re-evaluating its genome sequence combined with a full transcriptome analysis of immune challenged and control animals using Illumina sequencing. The genome was re-annotated by mapping transcriptome reads and masking repeats. A total of 978 protein sequences were characterised further by annotating functional domains, leading to a change in their original annotation regarding function and domain composition in about 8 % of all proteins. Based on homology analysis with key components of major immune pathways of insects, the C. floridanus immune-related genes were compared to those of Drosophila melanogaster, Apis mellifera, and other hymenoptera. This analysis revealed that overall the immune system of carpenter ants comprises many components found in these insects. In addition, several C. floridanus specific genes of yet unknown functions but which are strongly induced after immune challenge were discovered. In contrast to solitary insects like Drosophila or the hymenopteran Nasonia vitripennis, the number of genes encoding pattern recognition receptors specific for bacterial peptidoglycan (PGN) and a variety of known antimicrobial peptide (AMP) genes is lower in C. floridanus. The comparative analysis of gene expression post immune-challenge in different developmental stages of C. floridanus suggests a stronger induction of immune gene expression in larvae in comparison to adults.
Conclusions
The comparison of the immune system of C. floridanus with that of other insects revealed the presence of a broad immune repertoire. However, the relatively low number of PGN recognition proteins and AMPs, the identification of Camponotus specific putative immune genes, and stage specific differences in immune gene regulation reflects Camponotus specific evolution including adaptations to its lifestyle.
KW - immune system
KW - transcriptome
KW - carpenter ant
KW - camponotus floridanus
KW - re-annotation
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-125279
VL - 16
IS - 540
ER -
TY - JOUR
A1 - Ott, Christine
A1 - Dorsch, Eva
A1 - Fraunholz, Martin
A1 - Straub, Sebastian
A1 - Kozjak-Pavlovic, Vera
T1 - Detailed Analysis of the Human Mitochondrial Contact Site Complex Indicate a Hierarchy of Subunits
JF - PLoS One
N2 - Mitochondrial inner membrane folds into cristae, which significantly increase its surface and are important for mitochondrial function. The stability of cristae depends on the mitochondrial contact site (MICOS) complex. In human mitochondria, the inner membrane MICOS complex interacts with the outer membrane sorting and assembly machinery (SAM) complex, to form the mitochondrial intermembrane space bridging complex (MIB). We have created knockdown cell lines of most of the MICOS and MIB components and have used them to study the importance of the individual subunits for the cristae formation and complex stability. We show that the most important subunits of the MIB complex in human mitochondria are Mic60/Mitofilin, Mic19/CHCHD3 and an outer membrane component Sam50. We provide additional proof that ApoO indeed is a subunit of the MICOS and MIB complexes and propose the name Mic23 for this protein. According to our results, Mic25/CHCHD6, Mic27/ApoOL and Mic23/ApoO appear to be periphery subunits of the MICOS complex, because their depletion does not affect cristae morphology or stability of other components.
KW - co-immunoprecipitation
KW - motor proteins
KW - mitochondria
KW - membrane potential
KW - membrane proteins
KW - protein complexes
KW - mitochondrial membrane
KW - outer membrane proteins
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-125347
VL - 10
IS - 3
ER -
TY - JOUR
A1 - Lichtenstein, Leonie
A1 - Sommerlandt, Frank M. J.
A1 - Spaethe, Johannes
T1 - Dumb and Lazy? A Comparison of Color Learning and Memory Retrieval in Drones and Workers of the Buff-Tailed Bumblebee, Bombus terrestris, by Means of PER Conditioning
JF - PLoS One
N2 - More than 100 years ago, Karl von Frisch showed that honeybee workers learn and discriminate colors. Since then, many studies confirmed the color learning capabilities of females from various hymenopteran species. Yet, little is known about visual learning and memory in males despite the fact that in most bee species males must take care of their own needs and must find rewarding flowers to obtain food. Here we used the proboscis extension response (PER) paradigm to study the color learning capacities of workers and drones of the bumblebee, Bombus terrestris. Light stimuli were paired with sucrose reward delivered to the insects’ antennae and inducing a reflexive extension of the proboscis. We evaluated color learning (i.e. conditioned PER to color stimuli) in absolute and differential conditioning protocols and mid-term memory retention was measured two hours after conditioning. Different monochromatic light stimuli in combination with neutral density filters were used to ensure that the bumblebees could only use chromatic and not achromatic (e.g. brightness) information. Furthermore, we tested if bees were able to transfer the learned information from the PER conditioning to a novel discrimination task in a Y-maze. Both workers and drones were capable of learning and discriminating between monochromatic light stimuli and retrieved the learned stimulus after two hours. Drones performed as well as workers during conditioning and in the memory test, but failed in the transfer test in contrast to workers. Our data clearly show that bumblebees can learn to associate a color stimulus with a sugar reward in PER conditioning and that both workers and drones reach similar acquisition and mid-term retention performances. Additionally, we provide evidence that only workers transfer the learned information from a Pavlovian to an operant situation.
KW - memory
KW - bumblebees
KW - behavioral conditioning
KW - honey bees
KW - flowers
KW - sucrose
KW - bees
KW - learning
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-125832
VL - 10
IS - 7
ER -
TY - JOUR
A1 - Strube-Bloss, Martin F.
A1 - Brown, Austin
A1 - Spaethe, Johannes
A1 - Schmitt, Thomas
A1 - Rössler, Wolfgang
T1 - Extracting the Behaviorally Relevant Stimulus: Unique Neural Representation of Farnesol, a Component of the Recruitment Pheromone of Bombus terrestris
JF - PLoS One
N2 - To trigger innate behavior, sensory neural networks are pre-tuned to extract biologically relevant stimuli. Many male-female or insect-plant interactions depend on this phenomenon. Especially communication among individuals within social groups depends on innate behaviors. One example is the efficient recruitment of nest mates by successful bumblebee foragers. Returning foragers release a recruitment pheromone in the nest while they perform a ‘dance’ behavior to activate unemployed nest mates. A major component of this pheromone is the sesquiterpenoid farnesol. How farnesol is processed and perceived by the olfactory system, has not yet been identified. It is much likely that processing farnesol involves an innate mechanism for the extraction of relevant information to trigger a fast and reliable behavioral response. To test this hypothesis, we used population response analyses of 100 antennal lobe (AL) neurons recorded in alive bumblebee workers under repeated stimulation with four behaviorally different, but chemically related odorants (geraniol, citronellol, citronellal and farnesol). The analysis identified a unique neural representation of the recruitment pheromone component compared to the other odorants that are predominantly emitted by flowers. The farnesol induced population activity in the AL allowed a reliable separation of farnesol from all other chemically related odor stimuli we tested. We conclude that the farnesol induced population activity may reflect a predetermined representation within the AL-neural network allowing efficient and fast extraction of a behaviorally relevant stimulus. Furthermore, the results show that population response analyses of multiple single AL-units may provide a powerful tool to identify distinct representations of behaviorally relevant odors.
KW - instinct
KW - plant-insect interactions
KW - pheromones
KW - bumblebees
KW - odorants
KW - principal component analysis
KW - neurons
KW - action potentials
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-125875
VL - 10
IS - 9
ER -
TY - JOUR
A1 - Naseem, Muhammad
A1 - Kunz, Meik
A1 - Dandekar, Thomas
T1 - Probing the unknowns in cytokinin-mediated immune defense in Arabidopsis with systems biology approaches
JF - Bioinformatics and Biology Insights
N2 - Plant hormones involving salicylic acid (SA), jasmonic acid (JA), ethylene (Et), and auxin, gibberellins, and abscisic acid (ABA) are known to regulate host immune responses. However, plant hormone cytokinin has the potential to modulate defense signaling including SA and JA. It promotes plant pathogen and herbivore resistance; underlying mechanisms are still unknown. Using systems biology approaches, we unravel hub points of immune interaction mediated by cytokinin signaling in Arabidopsis. High-confidence Arabidopsis protein-protein interactions (PPI) are coupled to changes in cytokinin-mediated gene expression. Nodes of the cellular interactome that are enriched in immune functions also reconstitute sub-networks. Topological analyses and their specific immunological relevance lead to the identification of functional hubs in cellular interactome. We discuss our identified immune hubs in light of an emerging model of cytokinin-mediated immune defense against pathogen infection in plants.
KW - plant hormones
KW - systems biology
KW - interaction networks
KW - gene expression
KW - cytokinin
Y1 - 2014
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-120199
SN - 1177-9322
VL - 8
ER -
TY - THES
A1 - Simann, Meike
T1 - Aufklärung der Effekte von Fibroblasten-Wachstumsfaktor 1 und 2 auf die Adipogenese und Osteogenese von primären humanen Knochenmark-Stroma-Zellen
T1 - Elucidation of fibroblast growth factor 1 and 2 effects on the adipogenesis and osteogenesis of primary human bone marrow stromal cells
N2 - Regulating and reverting the adipo-osteogenic lineage decision of trabecular human bone marrow stromal cells (hBMSCs) represents a promising approach for osteoporosis therapy and prevention. Fibroblast growth factor 1 (FGF1) and its subfamily member FGF2 were scored as lead candidates to exercise control over lineage switching processes (conversion) in favor of osteogenesis previously. However, their impact on differentiation events is controversially discussed in literature. Hence, the present study aimed to investigate the effects of these FGFs on the adipogenic and osteogenic differentiation and conversion of primary hBMSCs. Moreover, involved downstream signaling mechanisms should be elucidated and, finally, the results should be evaluated with regard to the possible therapeutic approach.
This study clearly revealed that culture in the presence of FGF1 strongly prevented the adipogenic differentiation of hBMSCs as well as the adipogenic conversion of pre-differentiated osteoblastic cells. Lipid droplet formation was completely inhibited by a concentration of 25 ng/µL. Meanwhile, the expression of genetic markers for adipogenic initiation, peroxisome proliferator-activated receptor gamma 2 (PPARg2) and CCAAT/enhancer binding protein alpha (C/EBPa), as well as subsequent adipocyte maturation, fatty acid binding protein 4 (FABP4) and lipoprotein lipase (LPL), were significantly downregulated. Yet, the genetic markers of osteogenic commitment and differentiation were not upregulated during adipogenic differentiation and conversion under FGF supplementation, not supporting an event of osteogenic lineage switching.
Moreover, when examining the effects on the osteogenic differentiation of hBMSCs and the osteogenic conversion of pre-differentiated adipocytic cells, culture in the presence of FGF1 markedly decreased extracellular matrix (ECM) mineralization. Additionally, the gene expression of the osteogenic marker alkaline phosphatase (ALP) was significantly reduced and ALP enzyme activity was decreased. Furthermore, genetic markers of osteogenic commitment, like the master regulator runt-related transcription factor 2 (RUNX2) and bone morphogenetic protein 4 (BMP4), as well as markers of osteogenic differentiation and ECM formation, like collagen 1 A1 (COL1A1) and integrin-binding sialoprotein (IBSP), were downregulated. In contrast, genes known to inhibit ECM mineralization, like ANKH inorganic pyrophosphate transport regulator (ANKH) and osteopontin (OPN), were upregulated. ANKH inhibition revealed that its transcriptional elevation was not crucial for the reduced matrix mineralization, perhaps due to decreased expression of ectonucleotide pyrophosphatase/phosphodiesterase 1 (ENPP1) that likely annulled ANKH upregulation. Like FGF1, also the culture in the presence of FGF2 displayed a marked anti-adipogenic and anti-osteogenic effect.
The FGF receptor 1 (FGFR1) was found to be crucial for mediating the described FGF effects in adipogenic and osteogenic differentiation and conversion. Yet, adipogenic conversion displayed a lower involvement of the FGFR1. For adipogenic differentiation and osteogenic differentiation/conversion, downstream signal transduction involved the extracellular signal-regulated kinases 1 and 2 (ERK1/2) and the mitogen-activated protein kinase (MAPK)/ERK kinases 1 and 2 (MEK1/2), probably via the phosphorylation of FGFR docking protein FGFR substrate 2a (FRS2a) and its effector Ras/MAPK. The c-Jun N-terminal kinase (JNK), p38-MAPK, and protein kinase C (PKC) were not crucial for the signal transduction, yet were in part responsible for the rate of adipogenic and/or osteogenic differentiation itself, in line with current literature.
Taken together, to the best of our knowledge, our study was the first to describe the strong impact of FGF1 and FGF2 on both the adipogenic and osteogenic differentiation and conversion processes of primary hBMSCs in parallel. It clearly revealed that although both FGFs were not able to promote the differentiation and lineage switching towards the osteogenic fate, they strongly prevented adipogenic differentiation and lineage switching, which seem to be elevated during osteoporosis. Our findings indicate that FGF1 and FGF2 entrapped hBMSCs in a pre-committed state. In conclusion, these agents could be applied to potently prevent unwanted adipogenesis in vitro. Moreover, our results might aid in unraveling a pharmacological control point to eliminate the increased adipogenic differentiation and conversion as potential cause of adipose tissue accumulation and decreased osteoblastogenesis in bone marrow during aging and especially in osteoporosis.
N2 - Die Regulation und Umkehr des adipogenen und osteogenen Commitments von trabekulären humanen Knochenmarks-Stroma Zellen (hBMSCs) stellt einen vielversprechenden Ansatz für die Prävention und Therapie der Knochenerkrankung Osteoporose dar. Der Fibroblasten-Wachstumsfaktor 1 (FGF1) und sein Proteinfamilien-Mitglied FGF2 wurden in einer vorhergehenden Studie als Hauptkandidaten bezüglich der Kontrolle einer Konversion (Schicksalsänderung) von hBMSCs in die osteogene Richtung bewertet. Der Effekt von FGF1 und FGF2 auf die Differenzierung von hBMSCs wird jedoch in der Literatur kontrovers diskutiert. Folglich zielte die aktuelle Studie darauf ab, die Effekte dieser Faktoren auf die adipogene und osteogene Differenzierung und Konversion von primären hBMSCs zu untersuchen. Außerdem sollten die nachgeschalteten Signalmechanismen aufgeklärt und die Ergebnisse abschließend bezüglich des angestrebten Therapieansatzes bewertet werden.
Die vorliegende Studie zeigte eindeutig, dass die adipogene Differenzierung von hBMSCs sowie die adipogene Konversion von vordifferenzierten osteoblastischen Zellen durch die Kultur in Gegenwart von FGF1 stark inhibiert wurden. Die typische Bildung von intrazellulären Fetttropfen war bei einer Konzentration von 25 ng/µL vollständig inhibiert, während die Genexpression von frühen und späten adipogenen Markern signifikant herunterreguliert war. Die osteogenen Marker waren jedoch während der adipogenen Differenzierung und Konversion unter FGF-Zugabe nicht hochreguliert, was eine etwaige Schicksalsänderung zugunsten der osteogenen Richtung nicht unterstützte.
Bei der Untersuchung der osteogenen Differenzierung von hBMSCs und der osteogenen Konversion von vordifferenzierten adipozytischen Zellen bewirkte die Zugabe von FGF1 zum Differenzierungsmedium eine deutliche Verminderung der Mineralisierung der extrazellulären Matrix (ECM). Darüber hinaus war die Genexpression der alkalischen Phosphatase (ALP) signifikant reduziert; außerdem wurde die ALP Enzymaktivität erniedrigt. Sowohl Marker des osteogenen Commitments einschließlich des osteogenen Master-Transkriptionsfaktors RUNX2 (Runt-related transcription factor 2), als auch Marker der weiterführenden osteogenen Differenzierung waren herunterreguliert. Im Kontrast dazu waren Inhibitoren der ECM-Mineralisierung hochreguliert. Die Hochregulation von ANKH (ANKH inorganic pyrophosphate transport regulator) schien hierbei jedoch keine direkte Auswirkung auf die Reduzierung der Mineralisierung zu haben; seine Wirkung wurde wahrscheinlich durch die Herunterregulation von ENPP1 (Ectonucleotide pyrophosphatase/ phosphodiesterase 1) aufgehoben. Wie FGF1 zeigte auch FGF2 eine anti-adipogene und anti-osteogene Wirkung.
Der FGF Rezeptor 1 (FGFR1) war für die Weiterleitung der beschriebenen FGF-Effekte entscheidend, wobei die adipogene Konversion eine erniedrigte Beteiligung dieses Rezeptors zeigte. Bei der adipogenen Differenzierung und der osteogenen Differenzierung und Konversion waren die nachgeschalteten Signalwege ERK1/2 (Extracellular signal-regulated kinases 1 and 2) bzw. MEK1/2 (Mitogenactivated protein kinase (MAPK)/ ERK kinases 1 and 2) involviert, vermutlich über eine Phosphorylierung des FGFR Substrats FRS2a (FGFR substrate 2a) und der Ras/MAP Kinase. Im Gegensatz dazu waren die c-Jun N-terminale Kinase (JNK), die p38-MAP Kinase und die Proteinkinase C (PKC) nicht an der Weiterleitung des FGF-Signals beteiligt. Sie zeigten sich jedoch, in Übereinstimmung mit der aktuellen Literatur, verantwortlich für das Ausmaß der adipogenen bzw. osteogenen Differenzierung selbst.
Zusammenfassend war die vorliegende Studie nach unserem besten Wissen die erste, die den starken Einfluss von FGF1 und FGF2 parallel sowohl auf die adipogene als auch die osteogene Differenzierung und Konversion von primären hBMSCs untersucht hat. Sie zeigte deutlich, dass, obwohl beide FGFs nicht die Differenzierung und Konversion zum osteogenen Zellschicksal hin unterstützen konnten, sie dennoch wirkungsvoll die adipogene Differenzierung und Konversion verhinderten, die während der Osteoporose erhöht zu sein scheinen. Unsere Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass hBMSCs durch FGF1 und FGF2 in einem Stadium vor dem Schicksals-Commitment festgehalten werden. Folglich könnten diese Proteine verwendet werden, um eine ungewollte Adipogenese in vitro zu verhindern. Außerdem könnten unsere Ergebnisse helfen, einen pharmakologischen Kontrollpunkt zur Eliminierung der gesteigerten adipogenen Differenzierung und Konversion aufzudecken, welche potentielle Gründe für die Fettakkumulation und die reduzierte Osteoblastogenese im Knochenmark während des Alterns und besonders in der Osteoporose sind.
KW - Mesenchymzelle
KW - Genexpression
KW - Fibroblastenwachstumsfaktor
KW - Osteoporose
KW - Fettzelle
KW - Bone marrow stromal cell (BMSC)
KW - Osteogenesis
KW - Adipogenesis
KW - Differentiation
KW - adipocytes
KW - Mesenchymale Stammzelle
Y1 - 2015
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-119322
ER -
TY - JOUR
A1 - Leonhardt, Sara D.
A1 - Kaltenpoth, Martin
T1 - Microbial Communities of Three Sympatric Australian Stingless Bee Species
JF - PLoS ONE
N2 - Bacterial symbionts of insects have received increasing attention due to their prominent role in nutrient acquisition and defense. In social bees, symbiotic bacteria can maintain colony homeostasis and fitness, and the loss or alteration of the bacterial community may be associated with the ongoing bee decline observed worldwide. However, analyses of microbiota associated with bees have been largely confined to the social honeybees (Apis mellifera) and bumblebees (Bombus spec.), revealing – among other taxa – host-specific lactic acid bacteria (LAB, genus Lactobacillus) that are not found in solitary bees. Here, we characterized the microbiota of three Australian stingless bee species (Apidae: Meliponini) of two phylogenetically distant genera (Tetragonula and Austroplebeia). Besides common plant bacteria, we find LAB in all three species, showing that LAB are shared by honeybees, bumblebees and stingless bees across geographical regions. However, while LAB of the honeybee-associated Firm4–5 clusters were present in Tetragonula, they were lacking in Austroplebeia. Instead, we found a novel clade of likely host-specific LAB in all three Australian stingless bee species which forms a sister clade to a large cluster of Halictidae-associated lactobacilli. Our findings indicate both a phylogenetic and geographical signal of host-specific LAB in stingless bees and highlight stingless bees as an interesting group to investigate the evolutionary history of the bee-LAB association.
KW - bacteria
KW - lactic acid bacteria
KW - sequence alignment
KW - insects
KW - lactobacillus
KW - sequence databases
KW - honey bees
Y1 - 2014
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-119341
VL - 9
IS - 8
ER -
TY - JOUR
A1 - Adelfinger, Marion
A1 - Gentschev, Ivaylo
A1 - de Guibert, Julio Grimm
A1 - Weibel, Stephanie
A1 - Langbein-Laugwitz, Johanna
A1 - Härtl, Barbara
A1 - Escobar, Hugo Murua
A1 - Nolte, Ingo
A1 - Chen, Nanhai G.
A1 - Aguilar, Richard J.
A1 - Yu, Yong A.
A1 - Zhang, Qian
A1 - Frentzen, Alexa
A1 - Szalay, Aladar A.
T1 - Evaluation of a New Recombinant Oncolytic Vaccinia Virus Strain GLV-5b451 for Feline Mammary Carcinoma Therapy
JF - PLoS ONE
N2 - Virotherapy on the basis of oncolytic vaccinia virus (VACV) infection is a promising approach for cancer therapy. In this study we describe the establishment of a new preclinical model of feline mammary carcinoma (FMC) using a recently established cancer cell line, DT09/06. In addition, we evaluated a recombinant vaccinia virus strain, GLV-5b451, expressing the anti-vascular endothelial growth factor (VEGF) single-chain antibody (scAb) GLAF-2 as an oncolytic agent against FMC. Cell culture data demonstrate that GLV-5b451 virus efficiently infected, replicated in and destroyed DT09/06 cancer cells. In the selected xenografts of FMC, a single systemic administration of GLV-5b451 led to significant inhibition of tumor growth in comparison to untreated tumor-bearing mice. Furthermore, tumor-specific virus infection led to overproduction of functional scAb GLAF-2, which caused drastic reduction of intratumoral VEGF levels and inhibition of angiogenesis.
In summary, here we have shown, for the first time, that the vaccinia virus strains and especially GLV-5b451 have great potential for effective treatment of FMC in animal model.
KW - antibodies
KW - cancer treatment
KW - carcinomas
KW - vaccinia virus
KW - oncolytic viruses
KW - viral replication
KW - cell cultures
KW - enzyme-linked immunoassays
Y1 - 2014
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-119387
VL - 9
IS - 8
ER -
TY - JOUR
A1 - Siegl, Christine
A1 - Prusty, Bhupesh K.
A1 - Karunakaran, Karthika
A1 - Wischhusen, Jörg
A1 - Rudel, Thomas
T1 - Tumor Suppressor p53 Alters Host Cell Metabolism to Limit Chlamydia trachomatis Infection
JF - Cell Reports
N2 - Obligate intracellular bacteria depend entirely on nutrients from the host cell for their reproduction. Here, we show that obligate intracellular Chlamydia downregulate the central tumor suppressor p53 in human cells. This reduction of p53 levels is mediated by the PI3K-Akt signaling pathway, activation of HDM2, and subsequent proteasomal degradation of p53. The stabilization of p53 in human cells severely impaired chlamydial development and caused the loss of infectious particle formation. DNA-damage-induced p53 interfered with chlamydial development through downregulation of the pentose phosphate pathway (PPP). Increased expression of the PPP key enzyme glucose-6-phosphate dehydrogenase rescued the inhibition of chlamydial growth induced by DNA damage or stabilized p53. Thus, downregulation of p53 is a key event in the chlamydial life cycle that reprograms the host cell to create a metabolic environment supportive of chlamydial growth.
KW - chlamydia trachomatis
KW - tumor
Y1 - 2014
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-118200
SN - 2211-1247
VL - 9
IS - 3
ER -
TY - JOUR
A1 - Naseem, Muhammad
A1 - Srivastava, Mugdha
A1 - Dandekar, Thomas
T1 - Stem-cell-triggered immunity safeguards cytokinin enriched plant shoot apexes from pathogen infection
JF - Frontiers in Plant Science
N2 - Intricate mechanisms discriminate between friends and foes in plants. Plant organs deploy overlapping and distinct protection strategies. Despite vulnerability to a plethora of pathogens, the growing tips of plants grow bacteria free. The shoot apical meristem (SAM) is among three stem cells niches, a self-renewable reservoir for the future organogenesis of leaf, stem, and flowers. How plants safeguard this high value growth target from infections was not known until now. Recent reports find the stem cell secreted 12-amino acid peptide CLV3p (CLAVATA3 peptide) is perceived by FLS2 (FLAGELLIN SENSING 2) receptor and activates the transcription of immunity and defense marker genes. No infection in the SAM of wild type plants and bacterial infection in clv3 and fls2 mutants illustrate this natural protection against infections. Cytokinins (CKs) are enriched in the SAM and regulate meristem activities by their involvement in stem cell signaling networks. Auxin mediates plant susceptibility to pathogen infections while CKs boost plant immunity. Here, in addition to the stem-cell-triggered immunity we also highlight a potential link between CK signaling and CLV3p mediated immune response in the SAM.
KW - auxin
KW - stem cell niche
KW - FLS2 receptor
KW - CLAVATA3
KW - cytokinins
Y1 - 2014
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-118247
SN - 1664-462X
VL - 5
ER -