TY  - THES
A1  - Castillo Cajas, Ruth
T1  - Evolution and diversity of cuticular hydrocarbon proﬁles of cuckoo wasps
T1  - Evolution und Diversität der Kohlenwasserstoffprofile der Goldwespen
N2  - Cuticular hydrocarbons (CHC) abound on the surface of arthropods. In spite of their simple structure (molecules of carbon and hydrogen atoms), they provide pivotal functions in insects: their hydrophobic properties confer the insects a means to regulate water balance and avoid desiccation, whereas their diversity has enhanced their use as signals and cues in a wide range of communication and recognition processes. Although the study of CHC in insects over the past two decades has provided great insight into the wide range of functions they play, there is still a gap in understanding how they diversify and evolve. In this thesis, I have used members of the family Chrysididae to explore patterns of diversiﬁcation of CHC. Most of the species of cuckoo wasps in this study are specialized parasitoids or kleptoparasites of mainly solitary hymenopteran hosts. Other hosts of the family include butterﬂies or stick insects. Cuckoo wasps are a particular interesting model to study the evolution of cuticular hydrocarbons because of their chemical adaptations that allow them to remain unrecognized by their hosts. Chemical insigniﬁcance (the reduction of the total amount of CHC on the cuticle) and chemical mimicry (the de novo production of CHC proﬁles resembling those of their female host) have been described in some representatives of the family and unpublished evidence suggests chemical deception is widespread in Chrysididae (Chapter 2). Nonetheless, to trace the evolution of any trait of interest, a reliable phylogenetic reconstruction of the family is required. Therefore, the ﬁrst study of this thesis constitutes the largest and to-date most reliable phylogenetic reconstruction of the family Chrysididae, which includes representatives of 186 species of cuckoo wasps. While the results of this phylogenetic reconstruction are consistent with previous ideas on the relationships of subfamilies and tribes, it shows the existence of several non-monophyletic genera (Chapter 3). CHC are involved in intraspeciﬁc recognition, often acting as contact sex pheromones. Nevertheless, it is not yet understood to what extent CHC proﬁles diﬀer between the two sexes and whether some compound classes are more prevalent in one or the other sex. So far, no comparison of CHC proﬁles of males and females has been done for more than a dozen of related species. In Chapter 4, I describe and compare CHC proﬁles of females and males of 58 species of cuckoo wasps in order to evaluate whether and to what extent CHC proﬁles of these species diﬀer between the sexes. I demonstrated that CHC proﬁles of cuckoo wasps are frequently (more than 90% of the species analyzed) and strongly dimorphic (both sexes of a given species tend to produce very diﬀerent CHC compounds). Methyl-branched compounds tend to be more prevalent in males (especially dimethyl-branched compounds) and unsaturated compounds prevail in females. Moreover, a sex-speciﬁc pattern in the distribution of the double bond position of alkenes was evident: internal double bond positions (> 11) occur predominantly in males, whereas alkenes with the doublé bond at position 9 were more abundant and frequent in females (Chapter4). In Chapter5, I investigated how CHC proﬁles of cuckoo wasps diﬀer across species. Are CHC proﬁles of cuckoo wasps species-speciﬁc, enabling their use as cues for species recognition? How do CHC proﬁles resemble phylogenetic relatedness? In Chapter 5, I try to answer these questions by comparing CHC proﬁles of 59 species of cuckoo wasps. CHC proﬁles of cuckoo wasps are shown to be species (and sex-) speciﬁc. I show that CHC proﬁles are useful as a complementary tool to help delimiting taxonomically diﬃcult sibling species. Moreover, the evaluation of CHC proﬁles of ﬁve commonly occurring species within a genus, showed little or no geographical variation. However, CHC proﬁles of closely related species may diﬀer strongly among each other, not being useful to track the evolutionary history of species (Chapter 5). Sexual selection is generally credited for generating striking sexual dimorphism by causing changes in male traits. Most often, sexual selection has a stronger eﬀect on males, who compete for access to and may be selected by females, thus male traits may rapidly evolve. Nevertheless, in cuckoo wasps, it appears that it is the female sex the one evolving faster changes, with females of very closely related species showing extremely divergent proﬁles. One plausible reason for this disparity is that natural selection acting on female’s CHC proﬁles may be stronger than sexual selection on males (Chapter 6). Since females of cuckoo wasps are most probably engaged in an evolutionary arms race with their female hosts, CHC proﬁles of female cuckoo wasps are likely rapidly evolving, thus explaining part of the strong observed sexual dimorphism of CHC (Chapter 6). In fact, Chapter 7 shows evidence of a possible ongoing evolutionary arms race between ﬁve cuckoo wasps of the genus Hedychrum and their hosts. Hedychrum species parasitize either Coleoptera-hunting or Hymenoptera-hunting digger wasps. Since the coleopteran prey of the former digger wasps is naturally better protected against fungus infestation, these wasps do not embalm their prey with alkene-enriched secretions as do the Hymenoptera-hunting digger wasps. Thus, Coleoptera-hunting digger wasps can apparently diversify their proﬁles to escape chemical mimicry. Interestingly, only female cuckoo wasps of these hosts have started producing the same compound classes and even the same CHC compounds as those of their hosts. Male cuckoo wasps, however retain an alkene-enriched CHC proﬁle that reﬂects the molecular phylogeny of the genus (Chapter 7). Whereas, a larger number of parasite-host comparisons may be needed to further conclude that an arms race between cuckoo wasps and their hosts is capable of generating sexual dimorphism of cuckoo wasps, this thesis constitutes the ﬁrst eﬀort towards this, providing a starting point for further studies. Finally, I provide some methodological tools that may help in speeding up the sometimes cumbersome process of analyzing and identifying CHC proﬁles. One of the most time-demanding steps in the processing of CHC data is the alignment of CHC chromatograms. This process is often done manually, because alignment programs are mostly designed for metabolomics or are just recently being developed. I analyzed CHC proﬁles using a combined approach with two freely available programs. I used AMDIS (Automated Mass Spectral Deconvolution and Identiﬁcation System, http://chemdata.nist.gov/mass-spc/amdis/) to deconvolute and automatically identify all CHC of interest present in a chromatogram. I then developed a series of R scripts to correct for potential, unavoidable errors while processing CHC chromatograms with AMDIS. Chapter 8 explains this procedure. In the next chapter, I developed a program that helps in the identiﬁcation of one commonly occurring class of hydrocarbons. The limited number of linear alkanes (only one per carbon atom) and their characteristic diagnostic ion allows a rapid and unambigous identiﬁcation of these substances. In opposition, unsaturated and methyl-branched compounds are more diﬃcult to identify, as a result of the much larger diversity of existing compounds. To identify unsaturated compounds a derivatization is necessary to determine the position of the double bond. Methyl-branched alkanes, however can be identiﬁed from the original chromatogram if their diagnostic ions are known. Nonetheless, polymethyl-branched alkanes (e.g., compounds with two or more methyl groups along the chain) are often diﬃcult to identify, because they may appear in mixes (e.g., 3,7 diMeC27 and 3,9 diMeC27), and tables containing the diagnostic ions are not easily available. Therefore, I developed a program that creates a table with all possiblemethyl-branched compounds containing up to 4 methyl groups, and that provides their diagnostic ions and a calculated retention index. This may allow a much faster identiﬁcation of the methyl-branched compound a researcher is dealing with, without having to lose time in the tedious calculations by hand. The program is able to correctly identify, or at least, greatly reduce the number of possible options for the identiﬁcation of an unknown methyl-branched compound. Thus, using this tool, most methyl-branched compounds can be readily identiﬁed (Chapter 9). This thesis ends with a general discussion (Chapter 10). Overall, this work provides a comprehensive overview of the diversity of cuticular hydrocarbons of cuckoo wasps. The analyses presented here shed light on the emergence and evolution of interspeciﬁc diversity and intraspeciﬁc sexual dimorphism of CHC proﬁles. In addition, two technical methods have been developed that could greatly facilitate the CHC analysis of insects.
N2  - Kutikulare Kohlenwasserstoﬀe (engl. „cuticular hydrocarbons“, CHC) sind Substanzen, die wir in größeren Mengen auf der Körperoberﬂäche von Arthropoden ﬁnden. Diese Moleküle aus Kohlenstoﬀ- und Wasserstoﬀatomen haben trotz ihrer einfachen Struktur entscheidende Funktionen bei Insekten: Ihre wasserabweisende Eigenschaften geben den Insekten die Möglichkeit, den Wasserhaushalt zu regulieren und Austrocknung zu vermeiden. Darüber hinaus ermöglicht die Vielfältigkeit der CHC ihre Verwendung als Signale für eine breite Palette von Kommunikations-und Erkennungsprozessen. Obwohl die Erforschung von CHC in den letzten zwei Jahrzehnten einen großen Einblick in die Funktionen bei Insekten ermöglicht hat, gibt es immer noch Verständnislücken bezüglich der Evolution und Diversiﬁzierung von CHC (Kapitel1). In der vorliegenden Dissertation habe ich anhand verschiedener Arten der Wespen Familie Chrysididae die Diversiﬁzierungsmuster von CHC erforscht. Die meisten der Goldwespenarten in dieser Studie sind spezialisierte Parasitoiden oder Kleptoparasiten von hauptsächlich solitären Hymenopteren. Wirte von anderen Goldwespen sind auch Phasmatodea und Lepidoptera. Goldwespen sind besonders interesante Modellorganismen, um die Evolution von CHC zu untersuchen. Denn sie haben auf ihrer Kutikula chemische Anpassungen an die chemischen Oberﬂächen ihrer Wirte entwickelt, um bei dem Wirt zu vermeiden, dass ihre eigenen chemischen Signale bei der Eiablage erkannt werden. Für einige Vertreter der Familie Chrysididae wurden chemische Unscheinbarkeit/Unsichtbarkeit („insigniﬁcance“) und chemische Mimikry beschrieben. Bei ersterem, handelt es sich um die Reduzierung der Gesamtmenge der CHC auf der Kutikula, bei letzterem um die Nachahmung des CHC Proﬁls des Wirtes. Zudem, deuten unveröﬀentlichte Daten darauf hin, dass chemische Nachahmung unter den Chrysididae weit verbreitet ist (Kapitel 2). Eine zuverlässige phylogenetische Rekonstruktion der Chrysididae ist notwendig, um die Evolution eines Merkmales, wie z.B. die Ausbildung eines CHC-Proﬁls, zu verfolgen. Daher stellt der erste Teil dieser Arbeit die größte und bis heute zuverlässigste phylogenetische Rekonstruktion der Familie Chrysididae dar, welche Vertreter von 186 Arten von Goldwespen umfasst. Die Ergebnisse dieser Phylogenie stehen in Übereinstimmung mit vorherigen Studien über die Beziehungen zwischen Subfamilien und Triben der Goldwespen. Die Phylogenie deutet jedoch auf die Existenz mehrerer nicht-monophyletischer Gattungen in Chrysididae hin (Kapitel 3). CHC sind an der innerartlichen Erkennung beteiligt und fungieren manchmal als Kontakt-Sex-Pheromonen. Es ist jedoch noch nicht klar, inwieweit die CHC-Proﬁle zwischen den beiden Geschlechtern diﬀerieren und ob einige Verbindungsklassen in dem einen Geschlecht häuﬁger als in dem anderen vorkommen. Bislang gibt es lediglich einen Vergleich von CHC-Proﬁlen zwischen Männchen und Weibchen für weniger alseinDutzendverwandterArten.In Kapitel 4 werden die CHC-Proﬁle von Weibchen und Männchen von 58 Goldwespenarten beschrieben und verglichen, um zu beurteilen, ob und in welchem Ausmaß, sich die CHC-Proﬁle dieser Arten zwischen den Geschlechtern unterscheiden. Ich konnte zeigen, dass CHC-Proﬁle von Goldwespen stark sexuell dimorph sind (Männchen und Weibchen der gleichen Art neigen dazu, sehr unterschiedliche CHC-Verbindungen zu produzieren), und dass dieser Dimorphismus sehr häuﬁg vorkommt (mehr als 90% der untersuchten Arten). Methylverzweigte Verbindungen (insbesondere dimethylverzweigte Verbindungen) waren tendenziel bei Männchen häuﬁger und bei Weibchen waren ungesättigte Verbindungen häuﬁger. Darüber hinaus war ein geschlechtsspeziﬁsches Muster in der Verteilung der Doppelbindungsposition von Alkenen oﬀensichtlich: interne Doppelbindungspositionen (>11) treten vorwiegend bei Männchen auf, während Alkene mit der Doppelbindung an Position 9 bei Weibchen häuﬁger vorkommen (Kapitel 4). Im darauf folgenden Kapitel meiner Arbeit, beschäftige ich mich mit der Frage wie unterschiedlich CHC-Proﬁle von Goldwespen zwischen Arten sind. Sind CHC-Proﬁle artspeziﬁsch, wie es zu erwarten wäre, wenn sie zur Arterkennung dienen? Gibt es Ähnlichkeiten in Bezug auf die phylogenetische Verwandtschaft der Arten? In Kapitel 5, versuche ich diese Fragen zu beantworten, indem ich die CHC-Proﬁle von 59 Goldwespenarten vergleiche. Ich zeige, dass CHC-Proﬁle von Goldwespen art- (und geschlechts-) speziﬁsch sind, und dass CHC-Proﬁle als ergänzendes Werkzeug zur Abgrenzung von taxonomisch schwierigen Geschwisterarten nützlich sind. Darüber hinaus zeigt die Beurteilung der CHC-ProﬁlevonfünfhäuﬁgvorkommendeArteninnerhalbeinerGattungwenigoder keine geograﬁsche Variation, was bei der Abgrenzung der Arten hilft. Allerdings können CHC-Proﬁle nah verwandter Arten sehr unterschiedlich sein. Somit sind sie kein geeignetes Merkmal um die Evolutionsgeschichte von Arten nachzuvollziehen (Kapitel 5). Im sich daran anschließenden Kapitel, geht es darum, zu verstehen warum CHCProﬁle der meisten Goldwespenarten so auﬀallend unterschiedliche CHC-Proﬁle zwischen Geschlechtern aufweisen. Beider sexuellen Selektion wird in der Regel erwartet, dass siedurch Veränderungen männlicher Merkmale zu einem auﬀälligen Sexualdimorphismus führt. Meistens wirkt die sexuelle Selektion stärker auf die Männchen aus als auf die Weibchen, weil sie um die Weibchen konkurrieren und von den Weibchen ausgewählt werden müssen. Daher wird erwartet, dass männliche Merkmale schneller evolvieren. Dennoch scheint das weibliche Geschlecht bei Goldwespen das Geschlecht zu sein, das schneller evolviert, was sich z. B. dadurch äußert, dass Weibchen sehr nah verwandter Arten extrem divergierende Proﬁle zeigen (Kapitel 6). Ein plausibler Grund für diese Verschiedenheit zwischen den Weibchen nah verwandter Arten ist, dass die natürliche Selektion, die auf die CHC-Proﬁle von Weibchen wirkt, stärker sein kann als die sexuelle Selektion bei den Männchen (Kapitel 6). Da die Weibchen der Goldwespen höchstwahrscheinlich in einem evolutionären Wettrüsten mit ihren weiblichen Wirten stehen, ist es möglich dass die CHC-Proﬁle von Weibchen schnell evolvieren und somit den stark beobachteten sexuellen Dimorphismus von CHC in Goldwespen erklären (Kapitel 6). In Kapitel 7, werden Hinweise auf ein mögliches fortwährendes Wettrüsten zwischen fünf Goldwespenarten der Gattung Hedychrum und ihren Wirten aufgezeigt. Arten dieser Gattung parasitieren entweder Grabwespen die Coleoptera oder Hymenoptera als Nahrung für ihre Nachkommen jagen. Da die Coleoptera-Beute natürlicherweise besser gegen Pilzbefall geschützt ist, balsamieren diese Wespen ihre Beute nicht mit durch Alkene angereicherte Sekrete ein, im Gegensatz zu der anderen Gruppe der Grabwespen, die Hymenopteren als Futter verwerten. Daher diversiﬁzieren Coleoptera-jagende Grabwespen oﬀenbar ihre Proﬁle stärker,um der chemischen Mimikry ihrer Parasitoiden zu entkommen. Interessanterweise haben nur weibliche Goldwespen dieser Coleoptera-jagende Wirte begonnen, die gleichen Substanzklassen und sogar die gleichen CHC-Verbindungen wie die ihrer Wirte zu produzieren. Männliche Goldwespen behalten jedoch ein durch Alkene angereichertes CHC-Proﬁl, das die molekulare Phylogenie der Gattung Hedychrum widerspiegelt. Um jedoch eindeutiger zu beweisen, dass ein Wettrüsten zwischen Goldwespen und ihren Wirten den Geschlechtsdimorphismus von Goldwespen hervorbringt, wäre eine größere Anzahl von Vergleichen zwischen Goldwespen und ihren Wirten nötig. Nichtsdestotrotz ist diese Arbeit ein erster Versuch, den Geschlechtsdimorphismus von CHC in Goldwespen zu erklären und ein Ausgangspunkt für weitere Studien. Abschließend stelle ich einige methodische Werkzeuge vor, die helfen können, den bisher umständlichen Prozess der Analyse und Identiﬁzierung von CHC-Proﬁlen zu beschleunigen. Einer der zeitaufwendigsten Schritte bei der Verarbeitung von CHC Daten ist die Alinierung von CHC-Chromatogrammen. Dieser Prozess wird oft manuell durchgeführt, da Alinierungsprogramme für die Metabolomik konzipiert sind oder gerade erst entwickelt werden. Meine CHC-Proﬁle habe ich mit einem kombinierten Ansatz mit zwei frei verfügbaren Programmen analysiert. Ich benutzte AMDIS (Automated Mass Spectral Deconvolution and Identiﬁcation System), um die CHC in einem Chromatogramm zu dekonvolutieren und automatisch zu identiﬁzieren. Ich habe weiterhin eine Reihe von R-Skripten entwickelt, um mögliche unvermeidbare Fehler bei der Verarbeitung von CHC-Chromatogrammen mit AMDIS zu korrigieren. In Kapitel 8 wird dieses Verfahren erläutert. Im darauffolgenden Kapitel stelle ich ein Programm vor, das ich für eine erleichterte Identiﬁzierung einer häuﬁg vorkommenden Verbindungsklasse von CHC entwickelt habe. Die begrenzte Anzahl von linearen Alkanen (nur eines pro Kohlenstoﬀatom) und ihre charakteristischen diagnostischen Ionen erlauben die schnelle und eindeutige Identiﬁzierung dieser Substanzen. Im Gegensatz dazu sind ungesättigte und methylverzweigte Verbindungen auf grund der viel größeren Vielfalt möglicher Verbindungen deutlich schwieriger zu identiﬁzieren. Für die Identiﬁzierung ungesättigter Verbindungen ist eine Derivatisierung notwendig, um die Position der Doppelbindung zu bestimmen. Methylverzweigte Alkane können jedoch theoretisch vom ursprünglichen Chromatogramm unterschieden werden, sofern die diagnostischen Ionen bekannt sind. Trotz alledem sind polymethylverzweigte Alkane (z.B. Verbindungen mit zwei oder mehr Methylgruppen entlang der Kette) oft schwer zu identiﬁzieren, da sie in Mischungen (z. B. 3,7 diMeC27 und 3,9 diMeC27) auftreten können. Ihre diagnostische Ionen müssen entweder berechnet werden oder in Tabellen, die nicht leicht verfügbar sind, gesucht werden. Ich entwickelte daher ein kleines Programm, das eine Tabelle erstellt mit allen möglichen methylverzweigten Verbindungen mit bis zu 4 Methylgruppen sowie deren diagnostischen Ionen und einem berechneten Retentionsindex. Dies erlaubt eine viel schnellere Identiﬁzierung der richtigen methylverzweigten Verbindung, ohne dass ein Wissenschaﬂter Zeit für die mühsamen Berechnungen von Hand verlieren muss. Das Programm ist in der Lage, die Anzahl möglicher Optionen einer unbekannten methylverzweigten Verbindung korrekt zu nennen oder zumindest die Auswahl stark einzugrenzen und damit die Identiﬁkation der Substanz stark zu erleichtern. Es ist daher zu erwarten, dass mit diesem Werkzeug die meisten methylverzweigten Verbindungen leicht identiﬁziert werden können (Kapitel9). Ich schließe meiner Dissertation mit einer allgemeinen Diskussion (Kapitel 10). Die vorliegende Arbeit stellt einen umfangreichen Überblick der Diversität von kutikularen Kohlenwasserstoﬀen von Goldwespen dar. Dieser Einblick kann uns helfen, die Bedeutung von CHC-Proﬁlen für Arthropoden im Allgemeinen besser zu verstehen. Konkret beleuchten die durchgeführten Analysen die Entstehung und Evolution von interspeziﬁscher Diverstität bzw. Ähnlichkeiten von CHC-Proﬁlen und intraspeziﬁschen sexuellen Dimorphismus von CHC-Proﬁlen. Darüber hinaus wurden technische Methoden entwickelt, die zukünftige Arbeiten zu CHC Analysen von verschiedenen Insekten stark erleichtern könnten.
KW  - Chrysididae
KW  - Cuticular hydrocarbons
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-173418
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Castañeda Londono, Paula Andrea
A1  - Banholzer, Nicole
A1  - Bannermann, Bridget
A1  - Kramer, Susanne
T1  - Is mRNA decapping activity of ApaH like phosphatases (ALPH’s) the reason for the loss of cytoplasmic ALPH’s in all eukaryotes but Kinetoplastida?
JF  - BMC Ecology and Evolution
N2  - Background: ApaH like phosphatases (ALPHs) originate from the bacterial ApaH protein and are present in eukaryotes of all eukaryotic super-groups; still, only two proteins have been functionally characterised. One is ALPH1 from the Kinetoplastid Trypanosoma brucei that we recently found to be the mRNA decapping enzyme of the parasite. mRNA decapping by ALPHs is unprecedented in eukaryotes, which usually use nudix hydrolases, but the bacterial ancestor protein ApaH was recently found to decap non-conventional caps of bacterial mRNAs. These findings prompted us to explore whether mRNA decapping by ALPHs is restricted to Kinetoplastida or more widespread among eukaryotes.

Results: We screened 824 eukaryotic proteomes with a newly developed Python-based algorithm for the presence of ALPHs and used the data to refine phylogenetic distribution, conserved features, additional domains and predicted intracellular localisation of ALPHs. We found that most eukaryotes have either no ALPH (500/824) or very short ALPHs, consisting almost exclusively of the catalytic domain. These ALPHs had mostly predicted non-cytoplasmic localisations, often supported by the presence of transmembrane helices and signal peptides and in two cases (one in this study) by experimental data. The only exceptions were ALPH1 homologues from Kinetoplastida, that all have unique C-terminal and mostly unique N-terminal extension, and at least the T. brucei enzyme localises to the cytoplasm. Surprisingly, despite of these non-cytoplasmic localisations, ALPHs from all eukaryotic super-groups had in vitro mRNA decapping activity.

Conclusions: ALPH was present in the last common ancestor of eukaryotes, but most eukaryotes have either lost the enzyme since, or use it exclusively outside the cytoplasm in organelles in a version consisting of the catalytic domain only. While our data provide no evidence for the presence of further mRNA decapping enzymes among eukaryotic ALPHs, the broad substrate range of ALPHs that includes mRNA caps provides an explanation for the selection against the presence of a cytoplasmic ALPH protein as a mean to protect mRNAs from unregulated degradation. Kinetoplastida succeeded to exploit ALPH as their mRNA decapping enzyme, likely using the Kinetoplastida-unique N- and C-terminal extensions for regulation.
KW  - ApaH like phosphatase
KW  - ApaH
KW  - ALPH
KW  - Trypanosoma brucei
KW  - mRNA decapping
KW  - m7G cap
KW  - mRNA cap
KW  - ALPH1
KW  - Kinetoplastida
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-261180
VL  - 21
ER  - 
TY  - THES
A1  - Carstensen, Anne Carola
T1  - Identification of novel N-MYC interacting proteins reveals N-MYC interaction with TFIIIC
T1  - Identifizierung von neuen N-MYC interagierenden Proteinen offenbart N-MYC's Interaktion mit TFIIIC
N2  - N-MYC is a member of the human MYC proto-oncogene family, which comprises three transcription factors (C-, N- and L-MYC) that function in multiple biological processes. Deregulated expression of MYC proteins is linked to tumour initiation, maintenance and progression. For example, a large fraction of neuroblastoma displays high N-MYC levels due to an amplification of the N-MYC encoding gene. MYCN-amplified neuroblastoma depend on high N-MYC protein levels, which are maintained by Aurora-A kinase. Aurora-A interaction with N-MYC interferes with degradation of N-MYC via the E3 ubiquitin ligase SCFFBXW7. However, the underlying mechanism of Aurora-A-mediated stabilisation of N-MYC remains to be elucidated.

To identify novel N-MYC interacting proteins, which could be involved in N-MYC stabilisation by Aurora-A, a proteomic analysis of purified N-MYC protein complexes was conducted. Since two alanine mutations in MBI of N-MYC, T58A and S62A (N-MYC mut), disable Aurora-A-mediated stabilisation of N-MYC, N-MYC protein complexes from cells expressing either N-MYC wt or mut were analysed. Proteomic analysis revealed that N-MYC interacts with two deubiquitinating enzymes, USP7 and USP11, which catalyse the removal of ubiquitin chains from target proteins, preventing recognition by the proteasome and subsequent degradation. Although N-MYC interaction with USP7 and USP11 was confirmed in subsequent immunoprecipitation experiments, neither USP7, nor USP11 was shown to be involved in the regulation of N-MYC stability. Besides USP7/11, proteomic analyses identified numerous additional N-MYC interacting proteins that were not described to interact with MYC transcription factors previously. Interestingly, many of the identified N-MYC interaction partners displayed a preference for the interaction with N-MYC wt, suggesting a MBI-dependent interaction. Among these were several proteins, which are involved in three-dimensional organisation of chromatin domains and transcriptional elongation by POL II. Not only the interaction of N-MYC with proteins functioning in elongation, such as the DSIF component SPT5 and the PAF1C components CDC73 and CTR9, was validated in immunoprecipitation experiments, but also with the POL III transcription factor TFIIIC and topoisomerases TOP2A/B. ChIP-sequencing analysis of N-MYC and TFIIIC subunit 5 (TFIIIC5) revealed a large number of joint binding sites in POL II promoters and intergenic regions, which are characterised by the presence of a specific motif that is highly similar to the CTCF motif. Additionally, N-MYC was shown to interact with the ring-shaped cohesin complex that is known to bind to CTCF motifs and to assist the insulator protein CTCF. Importantly, individual ChIP experiments demonstrated that N-MYC, TFIIIC5 and cohesin subunit RAD21 occupy joint binding sites comprising a CTCF motif.

Collectively, the results indicate that N-MYC functions in two biological processes that have not been linked to MYC biology previously. Furthermore, the identification of joint binding sites of N-MYC, TFIIIC and cohesin and the confirmation of their interaction with each other suggests a novel function of MYC transcription factors in three-dimensional organisation of chromatin.
N2  - N-MYC ist ein Mitglied der humanen MYC proto-Onkogen Familie, welche drei Transkriptionsfaktoren umfasst (C-,N- und L-MYC), die in zahlreichen biologischen Prozessen fun-gieren. Deregulierte Expression der MYC Proteine ist mit Tumorinitiierung, -erhalt und -progression verbunden. Zum Beispiel zeigt ein großer Anteil an Neuroblastomen aufgrund einer Amplifizierung des N-MYC kodierenden Gens hohe N-MYC Level. MYCN-amplifizierte Neuroblastome hängen von den hohen N-MYC Protein Leveln ab, die durch die Aurora-A Kinase erhalten werden. Die Interaktion von Aurora-A mit N-MYC behindert den Abbau von N-MYC durch die E3 Ubiquitin Ligase SCFFBXW7. Allerdings muss der zugrunde liegende Mechanismus der Aurora-A vermittelten Stabilisierung von N-MYC noch aufgedeckt werden.

Um neue N-MYC interagierende Proteine zu identifizieren, welche in der N-MYC Stabilisierung durch Aurora-A involviert sind, wurde eine Proteom Analyse der aufgereinigten N-MYC Proteinkomplexe durchgeführt. Da zwei Alanin-Mutationen in MBI von N-MYC, T58A und S62A (N-MYC mut), die Aurora-A vermittelte Stabilisierung von N-MYC verhindern, wurden N-MYC Protein-Komplexe von Zellen, die entweder N-MYC wt oder mut exprimieren analysiert. Die Proteom Analyse offenbarte, dass N-MYC mit zwei Deubiquitinierenden Enzymen, USP7 und USP11, interagiert, welche das Entfernen von Ubiquitinketten von Zielproteinen katalysieren und dadurch die Erkennung durch das Proteasom und den darauf folgenden Abbau verhindern. Obwohl die Interaktion von N-MYC mit USP7 und USP11 in darauf folgenden Immunpräzipitationsexperimenten bestätigt wurde, konnnte weder für USP7, noch für USP11 gezeigt werden, dass es in die Regulierung der Stabilität von N-MYC involviert ist. Neben USP7/11 wurden in der Proteom Analyse zusätzlich zahlreiche mit N-MYC interagierende Proteine identifiziert, die zuvor noch nicht beschrieben wurden mit MYC Transkriptionsfaktoren zu interagieren. Interessanterweise zeigten viele der identifizierten N-MYC Interaktionspartner eine Präferenz für die Interaktion mit N-MYC wt, was eine MBI-abhängige Interaktion suggeriert. Unter diesen waren einige Proteine, die in die drei-dimensionale Organisation von Chromatindomänen und transkriptioneller Elongation durch POL II involviert sind. Nicht nur die Interaktion von N-MYC mit Proteinen, die in der Elongation agieren, wie die DSIF Komponente SPT5 und die PAF1C Komponenten CDC73 und CTR9, wurden in Immunpräzipitationsexperimenten bestätigt, sondern auch mit dem POL III Transkriptionsfaktor TFIIIC und den Topoisomerasen TOP2A/B. Analyse von ChIP-Sequenzierungsexperimenten für N-MYC und TFIIIC Untereinheit 5 (TFIIIC5) offenbarte eine große Anzahl von gemeinsamen Bindungsstellen in POL II Promotoren und intergenen Regionen, welche durch das Vorkommen eines speziellen Motivs gekennzeichent waren, das dem CTCF Motiv sehr ähnlich ist. Zusätzlich wurde gezeigt, dass N-MYC mit dem ringförmigen Cohesin Komplex interagiert, der dafür bekannt ist an CTCF Motive zu binden und dem Insulator Protein CTCF zu assistieren. Entscheidender Weise zeigten individuelle ChIP Experimente, dass N-MYC, TFIIIC5 und die Cohesin Untereinheit RAD21 gemeinsame Bindungstellen haben, die ein CTCF Motiv enthalten.

Zusammenfassend weisen die Ergebnisse darauf hin, dass N-MYC in zwei biologischen Prozessen fungiert, die zuvor nicht mit der Biologie von MYC verbunden wurden. Zudem suggeriert die Identifizierung von gemeinsamen Bindungstellen von N-MYC, TFIIIC und Cohesin und die Bestätigung der Interaktion untereinander eine neue Funktion von MYC Transkriptionsfaktoren in der drei-dimensionalen Organisation von Chromatin.
KW  - Biologie
KW  - Transkriptionsfaktor
KW  - Onkogen
KW  - N-MYC
KW  - neuroblastoma
KW  - TFIIIC
KW  - Aurora-A
KW  - mass spectrometry
KW  - cohesin
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-143658
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Carradec, Quentin
A1  - Pelletier, Eric
A1  - Da Silva, Corinne
A1  - Alberti, Adriana
A1  - Seeleuthner, Yoann
A1  - Blanc-Mathieu, Romain
A1  - Lima-Mendez, Gipsi
A1  - Rocha, Fabio
A1  - Tirichine, Leila
A1  - Labadie, Karine
A1  - Kirilovsky, Amos
A1  - Bertrand, Alexis
A1  - Engelen, Stefan
A1  - Madoui, Mohammed-Amin
A1  - Méheust, Raphaël
A1  - Poulain, Julie
A1  - Romac, Sarah
A1  - Richter, Daniel J.
A1  - Yoshikawa, Genki
A1  - Dimier, Céline
A1  - Kandels-Lewis, Stefanie
A1  - Picheral, Marc
A1  - Searson, Sarah
A1  - Jaillon, Olivier
A1  - Aury, Jean-Marc
A1  - Karsenti, Eric
A1  - Sullivan, Matthew B.
A1  - Sunagawa, Shinichi
A1  - Bork, Peer
A1  - Not, Fabrice
A1  - Hingamp, Pascal
A1  - Raes, Jeroen
A1  - Guidi, Lionel
A1  - Ogata, Hiroyuki
A1  - de Vargas, Colomban
A1  - Iudicone, Daniele
A1  - Bowler, Chris
A1  - Wincker, Patrick
T1  - A global ocean atlas of eukaryotic gene
JF  - Nature Communications
N2  - While our knowledge about the roles of microbes and viruses in the ocean has increased tremendously due to recent advances in genomics and metagenomics, research on marine microbial eukaryotes and zooplankton has benefited much less from these new technologies because of their larger genomes, their enormous diversity, and largely unexplored physiologies. Here, we use a metatranscriptomics approach to capture expressed genes in open ocean Tara Oceans stations across four organismal size fractions. The individual sequence reads cluster into 116 million unigenes representing the largest reference collection of eukaryotic transcripts from any single biome. The catalog is used to unveil functions expressed by eukaryotic marine plankton, and to assess their functional biogeography. Almost half of the sequences have no similarity with known proteins, and a great number belong to new gene families with a restricted distribution in the ocean. Overall, the resource provides the foundations for exploring the roles of marine eukaryotes in ocean ecology and biogeochemistry.
KW  - genomics
KW  - marine biology
KW  - microbial ecology
KW  - water microbiology
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-222250
VL  - 9
ER  - 
TY  - THES
A1  - Cardoso e Castro, Inês Sofia
T1  - Epigenetic switch induced by MYC in Non-Small-Cell Lung Cancer
T1  - Durch MYC induzierte epigenetische Veränderung im Nichtkleinzelligen Bronchialkarzinom
N2  - Non–Small-Cell Lung Cancer (NSCLC) is the most frequent human lung cancer and a major cause of death due to its high rate of metastasis1. These facts emphasize the urgent need for the investigation of new targets for anti-metastatic therapy. Up to now a number of genes and gene products have been identified that positively or negatively affect the probability of established human tumor cell lines to metastasize2. Previously, together with the group of Professor Ulf Rapp, we have described the first conditional mouse model for metastasis of NSCLC and identified a gene, c-MYC, that is able to orchestrate all steps of this process. We could identify potential markers for detection of metastasis and highlighted GATA4, which is exclusively expressed during lung development, as a target for future therapeutic intervention2. However, the mechanism underlying this metastatic conversion remained to be identified, and was therefore the focus of the present work. Here, GATA4 is identified as a MYC target in the development of metastasis and epigenetic alterations at the GATA4 promoter level are shown after MYC expression in NSCLC in vivo and in vitro. Such alterations include site-specific demethylation that accompanies the displacement of the MYC-associated zinc finger protein (MAZ) from the GATA4 promoter, which leads to GATA4 expression. Histone modification analysis of the GATA4 promoter revealed a switch from repressive histone marks to active histone marks after MYC binding, which corresponds to active GATA4 expression. This work identifies a novel epigenetic mechanism by which MYC activates GATA4 leading to metastasis in NSCLC, suggesting novel potential targets for the development of anti-metastatic therapy.
N2  - Das nichtkleinzellige Bronchialkarzinom (Non-Small-Cell Lung Cancer/NSCLC) ist die häufigste Form des Lungenkrebs und ist aufgrund seiner hohen Metastasierungsrate für die meisten krebsbedingten Todesfälle verantwortlich1. Bisher konnte eine Vielzahl von Genen und Genprodukten identifiziert werden, die einen Einfluss auf das Metastasierungspotenzial von humanen Tumorzelllinien in vitro haben2. Vor kurzem gelang es uns unter der Leitung von Prof. Ulf R. Rapp das erste konditionelle Modell der Metastasierung von NSCLC zu beschreiben. Wir identifizierten u.a. das Gen c-MYC, welches in der Lage ist, in alle Schritte des Prozesses manipulierend einzugreifen. Im Rahmen dieser Arbeit konnten wir potentielle Marker zur Detektion der Metastasierung identifizieren. Unser Hauptaugenmerk lag dabei auf GATA4, ein Gen, das nur während der Lungenentwicklung exprimiert wird. Als potentielles Ziel für spätere therapeutische Eingriffe erscheint es daher besonders geeignet2. Die der Metastasierung zugrunde liegenden Mechanismen sind bisher weitestgehend ungeklärt und stellen daher einen Fokus dieser Arbeit dar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde GATA4 als ein von MYC regulierter Faktor identifiziert, der an der Entwicklung von Metastasen beteiligt ist. Epigenetische Veränderungen am GATA4-Promotor nach der Expression von MYC konnten sowohl in vitro als auch in vivo nachgewiesen werden. Die Veränderungen beinhalten ortsspezifische Methylierungen, die einhergehen mit der Dislokation des MYC-assoziierten zinc finger protein (MAZ), die zur Expression von GATA4 führt. Die Analyse der Histon-Modifikationen am GATA4-Promotor ergab, dass nach der Bindung von MYC ein Wechsel von reprimierenden Histon-Markierungen zu aktiven stattfindet, der mit der GATA4-Expression korreliert. Im Rahmen dieser Arbeit konnte also ein neuartiger epigenetischer Mechanismus identifiziert werden, mit dem MYC GATA4 aktiviert und auf diese Weise zur Metastasenbildung bei NSCLC führt. Gleichzeitig wurden dadurch neue potentielle Zielstrukturen für die Entwicklung von anti-metastasierenden Therapeutika gefunden.
KW  - Nicht-kleinzelliges Bronchialkarzinom
KW  - Metastase
KW  - Gen
KW  - Myc
KW  - Epigenese
KW  - Non-Small Cell Lung Cancer
KW  - Epigenetic
KW  - MYC
KW  - GATA4
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-76713
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Caliskan, Aylin
A1  - Dangwal, Seema
A1  - Dandekar, Thomas
T1  - Metadata integrity in bioinformatics: bridging the gap between data and knowledge
JF  - Computational and Structural Biotechnology Journal
N2  - In the fast-evolving landscape of biomedical research, the emergence of big data has presented researchers with extraordinary opportunities to explore biological complexities. In biomedical research, big data imply also a big responsibility. This is not only due to genomics data being sensitive information but also due to genomics data being shared and re-analysed among the scientific community. This saves valuable resources and can even help to find new insights in silico. To fully use these opportunities, detailed and correct metadata are imperative. This includes not only the availability of metadata but also their correctness. Metadata integrity serves as a fundamental determinant of research credibility, supporting the reliability and reproducibility of data-driven findings. Ensuring metadata availability, curation, and accuracy are therefore essential for bioinformatic research. Not only must metadata be readily available, but they must also be meticulously curated and ideally error-free. Motivated by an accidental discovery of a critical metadata error in patient data published in two high-impact journals, we aim to raise awareness for the need of correct, complete, and curated metadata. We describe how the metadata error was found, addressed, and present examples for metadata-related challenges in omics research, along with supporting measures, including tools for checking metadata and software to facilitate various steps from data analysis to published research.

Highlights
• Data awareness and data integrity underpins the trustworthiness of results and subsequent further analysis.
• Big data and bioinformatics enable efficient resource use by repurposing publicly available RNA-Sequencing data.
• Manual checks of data quality and integrity are insufficient due to the overwhelming volume and rapidly growing data.
• Automation and artificial intelligence provide cost-effective and efficient solutions for data integrity and quality checks.
• FAIR data management, various software solutions and analysis tools assist metadata maintenance.
KW  - meta-data
KW  - error
KW  - annotation
KW  - error-transfer
KW  - wrong labelling
KW  - patient data
KW  - control group
KW  - tools overview
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-349990
SN  - 2001-0370
VL  - 21
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Caliskan, Aylin
A1  - Crouch, Samantha A. W.
A1  - Giddins, Sara
A1  - Dandekar, Thomas
A1  - Dangwal, Seema
T1  - Progeria and aging — Omics based comparative analysis
JF  - Biomedicines
N2  - Since ancient times aging has also been regarded as a disease, and humankind has always strived to extend the natural lifespan. Analyzing the genes involved in aging and disease allows for finding important indicators and biological markers for pathologies and possible therapeutic targets. An example of the use of omics technologies is the research regarding aging and the rare and fatal premature aging syndrome progeria (Hutchinson-Gilford progeria syndrome, HGPS). In our study, we focused on the in silico analysis of differentially expressed genes (DEGs) in progeria and aging, using a publicly available RNA-Seq dataset (GEO dataset GSE113957) and a variety of bioinformatics tools. Despite the GSE113957 RNA-Seq dataset being well-known and frequently analyzed, the RNA-Seq data shared by Fleischer et al. is far from exhausted and reusing and repurposing the data still reveals new insights. By analyzing the literature citing the use of the dataset and subsequently conducting a comparative analysis comparing the RNA-Seq data analyses of different subsets of the dataset (healthy children, nonagenarians and progeria patients), we identified several genes involved in both natural aging and progeria (KRT8, KRT18, ACKR4, CCL2, UCP2, ADAMTS15, ACTN4P1, WNT16, IGFBP2). Further analyzing these genes and the pathways involved indicated their possible roles in aging, suggesting the need for further in vitro and in vivo research. In this paper, we (1) compare “normal aging” (nonagenarians vs. healthy children) and progeria (HGPS patients vs. healthy children), (2) enlist genes possibly involved in both the natural aging process and progeria, including the first mention of IGFBP2 in progeria, (3) predict miRNAs and interactomes for WNT16 (hsa-mir-181a-5p), UCP2 (hsa-mir-26a-5p and hsa-mir-124-3p), and IGFBP2 (hsa-mir-124-3p, hsa-mir-126-3p, and hsa-mir-27b-3p), (4) demonstrate the compatibility of well-established R packages for RNA-Seq analysis for researchers interested but not yet familiar with this kind of analysis, and (5) present comparative proteomics analyses to show an association between our RNA-Seq data analyses and corresponding changes in protein expression.
KW  - progeria
KW  - aging
KW  - omics
KW  - RNA sequencing
KW  - bioinformatics
KW  - sun exposure
KW  - HGPS
KW  - IGFBP2
KW  - ACKR4
KW  - WNT
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-289868
SN  - 2227-9059
VL  - 10
IS  - 10
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Caliskan, Aylin
A1  - Caliskan, Deniz
A1  - Rasbach, Lauritz
A1  - Yu, Weimeng
A1  - Dandekar, Thomas
A1  - Breitenbach, Tim
T1  - Optimized cell type signatures revealed from single-cell data by combining principal feature analysis, mutual information, and machine learning
JF  - Computational and Structural Biotechnology Journal
N2  - Machine learning techniques are excellent to analyze expression data from single cells. These techniques impact all fields ranging from cell annotation and clustering to signature identification. The presented framework evaluates gene selection sets how far they optimally separate defined phenotypes or cell groups. This innovation overcomes the present limitation to objectively and correctly identify a small gene set of high information content regarding separating phenotypes for which corresponding code scripts are provided. The small but meaningful subset of the original genes (or feature space) facilitates human interpretability of the differences of the phenotypes including those found by machine learning results and may even turn correlations between genes and phenotypes into a causal explanation. For the feature selection task, the principal feature analysis is utilized which reduces redundant information while selecting genes that carry the information for separating the phenotypes. In this context, the presented framework shows explainability of unsupervised learning as it reveals cell-type specific signatures. Apart from a Seurat preprocessing tool and the PFA script, the pipeline uses mutual information to balance accuracy and size of the gene set if desired. A validation part to evaluate the gene selection for their information content regarding the separation of the phenotypes is provided as well, binary and multiclass classification of 3 or 4 groups are studied. Results from different single-cell data are presented. In each, only about ten out of more than 30000 genes are identified as carrying the relevant information. The code is provided in a GitHub repository at https://github.com/AC-PHD/Seurat_PFA_pipeline.
KW  - single cell analysis
KW  - machine learning
KW  - explainability of machine learning
KW  - principal
KW  - feature analysis
KW  - model reduction
KW  - feature selection
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-349989
SN  - 2001-0370
VL  - 21
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bötzl, Fabian Alexander
T1  - The influence of crop management and adjacent agri-environmental scheme type on natural pest control in differently structured landscapes
T1  - Der Effekt von Feldkultur und angrenzenden Agrarumweltmaßnahmen auf natürliche Schädlingskontrolle in unterschiedlich strukturierten Landschaften
N2  - Summary

Chapters I & II: General Introduction & General Methods	

Agriculture is confronted with a rampant loss of biodiversity potentially eroding ecosystem service potentials and adding up to other stressors like climate change or the consequences of land-use change and intensive management. To counter this ‘biodiversity crisis’, agri-environment schemes (AES) have been introduced as part of ecological intensification efforts. These AES combine special management regimes with the establishment of tailored habitats to create refuges for biodiversity in agricultural landscapes and thus ensure biodiversity mediated ecosystem services such as pest control. However, little is known about how well different AES habitats fulfil this purpose and whether they benefit ecosystem services in adjacent crop fields. Here I investigated how effective different AES habitats are for restoring biodiversity in different agricultural landscapes (Chapter V) and whether they benefit natural pest control in adjacent oilseed rape (Chapter VI) and winter cereal fields (Chapter VII). I recorded biodiversity and pest control potentials using a variety of different methods (Chapters II, V, VI & VII). Moreover, I validated the methodology I used to assess predator assemblages and predation rates (Chapters III & IV). 

Chapter III: How to record ground dwelling predators?

Testing methodology is critical as it ensures scientific standards and trustworthy results. Pitfall traps are widely used to record ground dwelling predators, but little is known about how different trap types affect catches. I compared different types of pitfall traps that had been used in previous studies in respect to resulting carabid beetle assemblages. While barrier traps collected more species and deliver more complete species inventories, conventional simple pitfall traps provide reliable results with comparatively little handling effort. Placing several simple pitfall traps in the field can compensate the difference while still saving handling effort.
 
Chapter IV: How to record predation rates?

A plethora of methods has been proposed and used for recording predation rates, but these have rarely been validated before use. I assessed whether a novel approach to record predation, the use of sentinel prey cards with glued on aphids, delivers realistic results. I compared different sampling efforts and showed that obtained predation rates were similar and could be linked to predator (carabid beetle) densities and body-sizes (a proxy often used for food intake rates). Thus, the method delivers reliable and meaningful predation rates.

Chapter V: Do AES habitats benefit multi-taxa biodiversity?
The main goal of AES is the conservation of biodiversity in agricultural landscapes. I investigated how effectively AES habitats with different temporal continuity fulfil this goal in differently structured landscapes. The different AES habitats investigated had variable effects on local biodiversity. Temporal continuity of AES habitats was the most important predictor with older, more temporally continuous habitats harbouring higher overall biodiversity and different species assemblages in most taxonomic groups than younger AES habitats. Results however varied among taxonomic groups and natural enemies were equally supported by younger habitats. Semi-natural habitats in the surrounding landscape and AES habitat size were of minor importance for local biodiversity and had limited effects. This stresses that newly established AES habitats alone cannot restore farmland biodiversity. Both AES habitats as well as more continuous semi-natural habitats synergistically increase overall biodiversity in agricultural landscapes. 

Chapter VI: The effects of AES habitats on predators in adjacent oilseed rape fields

Apart from biodiversity conservation, ensuring ecosystem service delivery in agricultural landscapes is a crucial goal of AES. I therefore investigated the effects of adjacent AES habitats on ground dwelling predator assemblages in oilseed rape fields. I found clear distance decay effects from the field edges into the field centres on both richness and densities of ground dwelling predators. Direct effects of adjacent AES habitats on assemblages in oilseed rape fields however were limited and only visible in functional traits of carabid beetle assemblages. Adjacent AES habitats doubled the proportion of predatory carabid beetles indicating a beneficial role for pest control.  My results show that pest control potentials are largest close to the field edges and beneficial effects are comparably short ranged.

Chapter VII: The effects of AES habitats on pest control in adjacent cereal fields

Whether distance functions and potential effects of AES habitats are universal across crops is unknown. Therefore, I assessed distance functions of predators, pests, predation rates and yields after crop rotation in winter cereals using the same study design as in the previous year. Resulting distance functions were not uniform and differed from those found in oilseed rape in the previous year, indicating that the interactions between certain adjacent habitats vary with habitat and crop types. Distance functions of cereal-leaf beetles (important cereal pests) and parasitoid wasps were moreover modulated by semi-natural habitat proportion in the surrounding landscapes. Field edges buffered assemblage changes in carabid beetle assemblages over crop rotation confirming their important function as refuges for natural enemies. My results emphasize the beneficial role of field edges for pest control potentials. These findings back the calls for smaller field sizes and more diverse, more heterogeneously structured agricultural landscapes. 

Chapter VIII: General Discussion	

Countering biodiversity loss and ensuring ecosystem service provision in agricultural landscapes is intricate and requires strategic planning and restructuring of these landscapes. I showed that agricultural landscapes could benefit maximally from (i) a mixture of AES habitats and semi-natural habitats to support high levels of overall biodiversity and from (ii) smaller continuously managed agricultural areas (i.e. smaller field sizes or the insertion of AES elements within large fields) to maximize natural pest control potentials in crop fields. I propose a mosaic of younger AES habitats and semi-natural habitats to support ecosystem service providers and increase edge density for ecosystem service spillover into adjacent crops. The optimal extent and density of this network as well as the location in which AES and semi-natural habitats interact most beneficially with adjacent crops need further investigation. My results provide a further step towards more sustainable agricultural landscapes that simultaneously allow biodiversity to persist and maintain agricultural production under the framework of ecological intensification.
N2  - Zusammenfassung

Kapitel I & II: Allgemeine Einleitung & Allgemeine Methodik

Die Landwirtschaft sieht sich einem gravierenden Verlust an biologischer Vielfalt gegenüber, der möglicherweise Ökosystemdienstleistungen erodiert und zusätzlich zu anderen Stressoren wirkt, wie etwa dem globalen Klimawandel oder den Folgen veränderter Landnutzung und intensiven Managements. Um dieser ‚Biodiversitätskrise‘ entgegen zu wirken wurden im Rahmen der ökologischen Intensivierung Agrarumweltmaßnahmen (AES) eingeführt. Diese AES verbinden spezielle Managementregime mit der Schaffung designter Habitate, die als Refugien für Biodiversität in Agrarlandschaften deinen und dadurch Ökosystemdienstleistungen, die auf Biodiversität beruhen, wie natürliche Schädlingskontrolle, sicherstellen sollen. Wie gut verschiedene AES jedoch diese Ziele erfüllen und ob Ökosystemdienstleistungen in angrenzenden Feldern tatsächlich davon profitieren, ist weitgehend unbekannt. In meiner Doktorarbeit untersuche ich wie effektiv verschiedene AES Habitate darin sind, Biodiversität in unterschiedlichen Agrarlandschaften wieder her zu stellen (Kapitel V) und ob diese natürliche Schädlingskontrolle in angrenzenden Rapsfeldern (Kapitel VI) und Wintergetreidefeldern (Kapitel VII) von diesen Habitaten profitiert. Biodiversität und Potentiale natürlicher Schädlingskontrolle wurden mit diversen unterschiedlichen Methoden erfasst (Kapitel II, V, VI & VII). Zusätzlich habe ich Methoden, die ich zur Erfassung von Räubergesellschaften und Prädationsraten verwendet habe, validiert (Kapitel III & IV).  

Kapitel III: Wie erfasst man bodenaktive Räuber?

Das Testen von Methoden ist essenziell, da es wissenschaftliche Standards und vertrauenswürdige Ergebnisse sicherstellt. Bodenfallen werden häufig verwendet, um bodenaktive Prädatoren zu erfassen, aber wie verschiedene Bodenfallentypen das Fangergebnis beeinflussen ist weitgehend unbekannt. Ich habe verschiedene, in früheren Studien verwendete, Bodenfallentypen hinsichtlich der resultierenden Laufkäfergesellschaften verglichen. Während Fallen mit Leitschienen die meisten Arten fingen und dadurch die vollständigsten Artenlisten ergaben, lieferten einfache Bodenfallen verlässliche Ergebnisse bei vergleichsweise geringem Aufwand. Das Platzieren einiger einfacher Bodenfallen kann bei immer noch geringerem Aufwand die Unterschiede kompensieren.

Kapitel IV: Wie erfasst man Prädationsraten?

Eine Fülle verschiedener Methoden zur Erfassung von Prädationsraten wurde vorgeschlagen und verwendet, jedoch wurden diese meist nicht validiert, bevor sie verwendet wurden. Ich habe getestet ob eine neuartige Methode zur Erfassung von Prädationsraten, die Verwendung von Prädationskarten mit aufgeklebten Blattläusen, realistische Resultate liefert. Dazu wurden verschiedene Karten mit unterschiedlichem Aufwand getestet. Die resultierenden Prädationsraten waren vergleichbar und durch Räuber- (Laufkäfer-) Dichten sowie deren mittlere Körpergröße (ein oft genutzter Indikator für Nahrungsaufnahmeraten) erklärt werden konnten. Daher liefert diese Methode verlässliche und sinnvolle Prädationsraten. 

Kapitel V: Profitiert multi-Taxa Biodiversität von AES?

Das Hauptziel von AES ist der Erhalt der Biodiversität in Agrarlandschaften. Ich habe untersucht, wie effektiv AES Habitate mit verschiedener zeitlicher Kontinuität dieses Ziel in unterschiedlich strukturierten Landschaften erfüllen. Die verschiedenen AES Habitate hatten variierende Effekte auf die lokale Biodiversität. Zeitliche Kontinuität der AES Habitate war der wichtigste Einfluss da ältere, kontinuierlichere Habitate eine höhere Gesamtbiodiversität und in den meisten taxonomischen Gruppen andere Artengemeinschaften beherbergten als jüngere AES Habitate. Die Ergebnisse variierten jedoch zwischen den taxonomischen Gruppen und natürliche Feinde von Agrarschädlingen wurden auch durch jüngere AES Habitate gleichwertig unterstützt. Halbnatürliche Habitate in der Landschaft sowie die Größe des AES Habitats waren von geringerer Bedeutung für die lokale Biodiversität und hatten lediglich begrenzte Effekte. Diese Ergebnisse betonen, dass neu angelegte AES Habitate allein die Biodiversität in der Agrarlandschaft nicht wiederherstellen können. AES Habitate wirken synergistisch zusammen mit kontinuierlicheren halbnatürlichen Habitaten und sichern mit diesen ein Maximum an biologischer Vielfalt in Agrarlandschaften

Kapitel VI: Die Effekte von AES Habitaten auf Räuber in angrenzenden Rapsfeldern 

Neben dem Erhalt der Artenvielfalt ist das Sicherstellen von Ökosystemdienstleistungen in Agrarlandschaften ein essenzielles Ziel von AES. Ich untersuchte daher die Effekte angrenzender AES Habitate auf bodenaktive Prädatoren in Rapsfeldern. Für die Artenvielfalt als auch für die Dichten von bodenaktiven Prädatoren zeigten sich klare Distanzfunktionen von den Feldrändern abnehmend zur Feldmitte. Direkte Effekte angrenzender AES auf die Räubergesellschaften in Rapsfeldern waren hingegen limitiert und nur auf der Ebene der funktionellen Merkmale von Laufkäfergesellschaften festzustellen. Angrenzende AES Habitate verdoppelten den Anteil räuberischer Laufkäfer in den Gesellschaften, was auf einen positiven Effekt auf natürliche Schädlingsbekämpfung schließen lässt. Meine Ergebnisse deuten darauf hin, dass Potentiale natürlicher Schädlingsbekämpfung nahe den Feldrändern am größten sind und nicht relativ weit ins Feld hinein reichen. 

Kapitel VII: Die Effekte von AES Habitaten auf natürliche Schädlingskontrolle in angrenzenden Getreidefeldern 
Es ist allerdings noch gänzlich unbekannt, ob Distanzfunktionen und potenzielle Effekte angrenzender AES Habitate universell auf andere Feldfrüchte übertragbar sind. Ich habe daher im gleichen Studiendesign wie im vorangegangenen Jahr Distanzfunktionen von natürlichen Feinden, Schädlingen, Prädationsraten und Erträgen nach dem Fruchtwechsel in Wintergetreide erfasst.  Die gefundenen Distanzfunktionen waren verschieden und unterschieden sich von den im Vorjahr im Raps erfassten Distanzfunktionen, was darauf schließen lässt, dass die Interaktion zwischen verschiedenen Feldfrüchten und Nachbarhabitaten variieren. Distanzfunktionen von Getreidehähnchen (wichtigen Getreideschädlingen) und parasitoiden Wespen waren zusätzlich durch den Anteil halbnatürlicher Habitate in der Landschaft moduliert. Feldränder pufferten die Veränderungen in Laufkäfergesellschaften über den Fruchtwechsel ab, was deren wichtige Funktion als Refugialhabitate für natürliche Schädlingsbekämpfer verdeutlicht. Meine Ergebnisse betonen die Rolle von Feldrändern für die natürliche Schädlingsbekämpfung. Die Ergebnisse stärken die Forderung nach kleineren Feldgrößen und diverseren, heterogener strukturierten Agrarlandschaften. 

Kapitel VIII: Allgemeine Diskussion

Der Kampf gegen den Verlust der biologischen Vielfalt und das Sicherstellen von Ökosystemdienstleistungen in Agrarlandschaften ist komplex und erfordert ein strategisches Planen und eine Transformation dieser Landschaften. Ich habe gezeigt, dass Agrarlandschaften von (i) einer Mischung aus AES Habitaten und halbnatürlichen Habitaten, die zusammen ein große Artenvielfalt unterstützen, und von (ii) einer geringeren kontinuierlich bewirtschafteten Agrarfläche (d.h. kleineren Feldgrößen oder dem Einfügen von AES Habitaten in bestehende große Felder) um natürliche Schädlingskontrolle zu maximieren, profitieren würden. Ich schlage vor ein Mosaik aus jüngeren AES Habitaten und halbnatürlichen Habitaten zu schaffen, um Ökosystemdienstleister zu unterstützen und das Netzwerk an Feldrändern zu vergrößern wodurch Ökosystemdienstleistungen in angrenzenden Feldkulturen maximiert werden könnten. Um die optimale Ausdehnung und Dichte dieses Netzwerks wie auch die optimale Platzierung, in der AES und halbnatürliche Habitate die größtmöglichen Effekte auf angrenzende Feldkulturen haben, zu klären, bedarf es weiterer Forschung. Meine Ergebnisse liefern einen weiteren Schritt hin zu nachhaltigeren Agrarlandschaften die im Rahmen der ökologischen Intensivierung gleichzeitig sowohl ein Fortbestehen der Biodiversität als auch landwirtschaftliche Produktion erlauben.
KW  - Ökologie
KW  - Ecology
KW  - Natural pest control
KW  - Biodiversity conservation
KW  - Ecosystem services
KW  - Carabid beetles
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-241400
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Börtlein, Charlene
A1  - Draeger, Annette
A1  - Schoenauer, Roman
A1  - Kuhlemann, Alexander
A1  - Sauer, Markus
A1  - Schneider-Schaulies, Sybille
A1  - Avota, Elita
T1  - The neutral sphingomyelinase 2 is required to polarize and sustain T Cell receptor signaling
JF  - Frontiers in Immunology
N2  - By promoting ceramide release at the cytosolic membrane leaflet, the neutral sphingomyelinase 2 (NSM) is capable of organizing receptor and signalosome segregation. Its role in T cell receptor (TCR) signaling remained so far unknown. We now show that TCR-driven NSM activation is dispensable for TCR clustering and initial phosphorylation, but of crucial importance for further signal amplification. In particular, at low doses of TCR stimulatory antibodies, NSM is required for Ca\(^{2+}\) mobilization and T cell proliferation. NSM-deficient T cells lack sustained CD3ζ and ZAP-70 phosphorylation and are unable to polarize and stabilize their microtubular system. We identified PKCζ as the key NSM downstream effector in this second wave of TCR signaling supporting dynamics of microtubule-organizing center (MTOC). Ceramide supplementation rescued PKCζ membrane recruitment and MTOC translocation in NSM-deficient cells. These findings identify the NSM as essential in TCR signaling when dynamic cytoskeletal reorganization promotes continued lateral and vertical supply of TCR signaling components: CD3ζ, Zap70, and PKCζ, and functional immune synapses are organized and stabilized via MTOC polarization.
KW  - neutral sphingomyelinase 2
KW  - T cells
KW  - ceramides
KW  - PKCζ,
KW  - the microtubule-organizing center
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-176572
VL  - 9
IS  - 815
ER  - 
TY  - THES
A1  - Böll, Susanne
T1  - Ephemere Laichgewässer: Anpassungsstrategien und physiologische Zwänge der Gelbbauchunke (Bombina variegata) in einem Lebensraum mit unvorhersehbarem Austrocknungsrisiko
T1  - Temporary ponds: Adaptations and physiological constraints of the yellow-bellied toad (Bombina variegata) living in a habitat with an unpredictable risk of desiccation
N2  - Die Gelbbauchunke Bombina variegata gilt als eine typische Pionierart, die bevorzugt vegetationslose, ephemere Gewässer mit hohem Austrocknungsrisiko als Laichgewässer nutzt. Kleinstgewässer dieser Art zeichnen sich durch hohe Fluktuationen abiotischer (Temperatur, Ionenkonzentration, Wasserstand), aber auch biotischer Faktoren (Dichte, Räuberdruck) aus. In Anpassung an das zeitlich und räumlich unvorhersehbare Auftreten dieser Gewässer hat die Gelbbauchunke eine für eine temperate Art außergewöhnlich lange Fortpflanzungsperiode (April - August). Die Weibchen zeigten während der Saison eine kontinuierliche Eientwicklung, die es ihnen erlaubt, opportunistisch mehrfach abzulaichen und damit eine zeitliche Risikostreuung der Gelege zu betreiben. Darüber hinaus nutzt Bombina variegata alle Möglichkeiten der räumlichen Risikostreuung, indem sie ihre Gelege in kleinen Portionen innerhalb von Pfützen, aber auch auf verschiedene Pfützen verteilt. Die hohe Variabilität in den produzierten Eigrößen, besonders zwischen den Gelegen verschiedener Weibchen, ließ auf den ersten Blick eine weitere Strategie zur Risikostreuung vermuten; allerdings war die Eigröße von der Kondition der Weibchen abhängig: während gut konditionierte Weibchen in der Lage waren, sowohl größere Eier als auch größere Gelege zu produzieren, gingen schlechter konditionierte Weibchen einen „trade-off“ zugunsten einer möglichst hohen Fekundität ein. Unter günstigen Bedingungen greift diese Strategie, während die Produktion überdurchschnittlich großer Eier unter Austrocknungsbedingungen von Vorteil ist: Kaulquappen großer Eier hatten eine entsprechend größere Schlupfgröße und zeigten gegenüber Quappen kleinerer Eier eine beschleunigte Entwicklung. Auch bei den Labor- und Freilanduntersuchungen, die sich mit der Frage be-schäftigten, wie Bombina variegata auf kritische Veränderungen des Wasservo-lumens reagiert, war eine enorme Variabilität in den Wachstums- und Entwicklungsverläufen der Kaulquappen der verschiedenen Ansätze zu beobachten, die sich nur bedingt auf abweichende Versuchsbedingungen zurückführen ließ; vielmehr dürfte die qualitative Ausstattung der Quappen eine wesentliche Rolle gespielt haben. Dabei kristallisierten sich in den verschiedenen Versuchen zwei unterschiedliche Entwicklungsstrategien heraus: Kaulquappen, die eine insgesamt relativ lange Entwicklungszeit benötigten, zeigten eine hohe phänotypische Plastizität und reagierten adaptiv auf abnehmende Wasserstände, indem sie ihre Entwicklung auf Kosten ihres Wachstums beschleunigten. Bei Quappen, die im Durchschnitt eine wesentlich schnellere Entwicklungszeit besaßen, war diese per se günstige hohe Entwicklungsrate dagegen fixiert, unabhängig davon, während welcher Entwicklungsphase die Quappen auf veränderte Bedingungen umgestellt wurden. Unter verschlechterten Bedingungen zeigten sie lediglich Wachstumseinbußen. Ähnlich reagierten Kaulquappen auf zunehmende Ionenkonzentrationen bzw. sinkende Wasserstände. Dagegen wirkte sich Ammoniak, Exkretionsprodukt von Amphibienlarven, in erhöhten Konzentrationen stark negativ aus und beeinträchtigte sowohl das Wachstum als auch die Entwicklung der Quappen. Auf Räuber, die im Vergleich zum Austrocknungsrisiko temporärer Gewässer eine eher untergeordnete Rolle spielen, reagierten Bombina variegata-Quappen nur bedingt. Erst nach Fütterung der Libellenlarven mit Unkenquappen schränkten sie vorübergehend ihre Aktivität ein und mieden den räubernahen Bereich, ohne dass dadurch die Entwicklungsgeschwindigkeit oder das Wachstum der Quappen beeinträchtigt wurde; allerdings war eine erhöhte Mortalität zu beobachten.
N2  - The yellow-bellied toad, Bombina variegata, lives in highly dynamic habitats, where she predominantly uses shallow pools with no vegetation as breeding sites. These temporary ponds have a high risk of desiccation and show strong fluctuations in abiotic (e.g. temperature, ion concentration, water level) as well as biotic factors (e.g. density, predation pressure). In accordance with the unpredictability of breeding sites in time and space, Bombina variegata has an unusually long breeding season for a temperate zone species lasting from April to August. During this period females showed continuous egg development, allowing for repeated opportunistic spawning bouts as a temporal risk spreading strategy. Besides, B. variegata uses all opportunities of spacial risk spreading by distributing her eggs within as well as between different pools. A high variability of egg sizes, especially between clutches of different females was observed indicating another risk spreading strategy. However, mean egg size was dependent on the condition of the female: while females with an above average condition were able to produce both, large eggs as well as large clutches, females of lower condition were forced to undergo a trade-off, aiming at a high fecundity but at the cost of reduced egg size. This is a successful strategy under favourable conditions, however under drying conditions the pro-duction of large eggs is of major advantage: tadpoles from large eggs had larger hatching sizes and metamorphosed earlier than tadpoles from small eggs. Furthermore, an enormous variability in mean size at metamorphosis and devel-opmental time was observed in a series of lab and field experiments where tad-poles were exposed to varying water volumes. These findings cannot fully be attributed to differences in experimental design, but rather indicate inherent differences of tadpoles of different cohorts. Basically, two developmental strategies were observed: tadpoles exhibiting a long larval period had a high phenotypic plasticity and showed an adaptive trade-off under decreasing water levels, ac-celerating their development at the cost of reduced growth. On the other hand, tadpoles that developed at a faster rate in the first place showed a fixed devel-opment and merely reduced their growth, no matter at which developmental stage the change to unfavourable conditions occurred. Similar results were ob-tained when tadpoles were exposed to increases in ion concentrations or to wa-ter level reductions. However, increased levels of ammonia, the excretion prod-uct of tadpoles, led to a major negative impact on both, growth and development of the tadpoles. In comparison to the risk of desiccation, predators play only a minor role in temporary ponds. Accordingly, Bombina variegata tadpoles reduced their activity and avoided the area of the dragonfly larvae only temporarily, after these were fed with tadpoles. Neither growth nor development of the larvae were impaired; however, a higher mortality was observed.
KW  - Bombina variegata
KW  - Risikostreuung
KW  - phänotypsche Plastizität
KW  - Entwicklungsgeschwindigkeit
KW  - Räuberdruck
KW  - Bombina variegata
KW  - risk spreading
KW  - phenotypic plasticity
KW  - developmental time
KW  - predation pressure
Y1  - 2002
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-5268
ER  - 
TY  - THES
A1  - Böhme, Linda
T1  - Cellular response to double-stranded RNA in Chlamydia trachomatis-infected human host cells
T1  - Zelluläre Antwort auf doppelsträngige RNA in Chlamydia trachomatis-infizierten humanen Wirtszellen
N2  - Chlamydien sind Gram-negative, obligat-intrazelluläre Bakterien, die für ein weites Spektrum an relevanten Krankheiten verantwortlich sind. Auf Grund ihres zweiphasigen Entwicklungszyklusses sind Chlamydien von einer intakten Wirtszelle abhängig, um sich erfolgreich vermehren und im Organismus ausbreiten zu können. Daher haben Chlamydien anspruchsvolle Strategien entwickelt, um das Immunsystem des Wirtes auszuschalten oder den programmierten Zelltod ihrer Wirtszelle zu verhindern. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, ob eine Infektion mit C. trachomatis einen Einfluss auf die zelluläre Antwort auf dsRNA nehmen kann. Die Synthese von dsRNA ist ein charakteristisches Merkmal der Replikation von Viren, welche sowohl die Apoptose induzieren als auch das Immunsystem aktivieren kann. Um eine chlamydiale und virale Co-Infektion zu simulieren, wurden Chlamydien-infizierte Epithelzellen mit der synthetischen dsRNA Polyinosin-Polycytidinsäure (polyI:C) transfiziert. Im ersten Teil der Arbeit wurde untersucht, ob Chlamydien die durch dsRNA eingeleitete Apoptose verhindern können. Eine signifikante Reduktion der dsRNA-induzierten Apoptose konnte in infizierten Zellen beobachtet werden. Es zeigte sich, dass die Prozessierung der Initiator-Caspase-8 in infizierten Zellen unterblieb. Dies war von der frühen bakteriellen Proteinsynthese abhängig und für die dsRNA-vermittelte Apoptose spezifisch, da der durch TNFalpha bewirkte Zelltod nicht auf der Ebene der Caspase-8 verhindert werden konnte. Die Aktivierung von zellulären Faktoren, die bei der Apoptoseinduzierung eine wichtige Rolle spielen, beispielsweise PKR und RNase L, war in infizierten Zellen jedoch unverändert. Stattdessen konnte durch RNA Interferenz-vermittelte Depletion gezeigt werden, dass der zelluläre Caspase-8-Inhibitor cFlip eine entscheidende Rolle bei der chlamydialen Blockierung der dsRNA-vermittelten Apoptose spielt. Mittels Co-Immunopräzipitation konnte ein erster Hinweis darauf gefunden werden, dass C. trachomatis eine Anreicherung von cFlip im dsRNA-induzierten Komplex von Caspase-8 und FADD bewirkt. Im zweiten Teil der Arbeit wurde untersucht, ob Chlamydien die Immunantwort auf virale Infektionen beeinflussen, welche vor allem die Expression von Interferonen und Interleukinen beinhaltet. Es stellte sich heraus, dass die Aktivierung des Interferon regulatory factor 3 (IRF-3) und des zur Familie von NF-kappaB Trankriptionsfaktoren gehörenden p65, zwei zentralen Regulatoren der Immunantwort auf dsRNA, in infizierten Epithelzellen verändert war. Die Degradation von IkappaB-alpha, des Inhibitors von NF-kappaB, war in infizierten Zellen beschleunigt, begleitet von einer Veränderung der Translokation des Transkriptionsfaktors in den Zellkern. Im Gegensatz dazu wurde die nukleäre Translokation von IRF-3 durch die Infektion signifikant verhindert. Die hier vorgestellten Daten zeigen erstmals, dass eine Infektion mit C. trachomatis die zelluläre Antwort auf dsRNA signifikant verändern kann und implizieren einen Einfluss von chlamydialen Infektionen auf den Ausgang von viralen Superinfektionen.
N2  - Chlamydia are Gram-negative obligate intracellular bacteria responsible for a wide spectrum of relevant diseases. Due to their biphasic developmental cycle Chlamydia depend on an intact host cell for replication and establishment of an acute infection. Chlamydia have therefore evolved sophisticated strategies to inhibit programmed cell death (PCD) induced by a variety of stimuli and to subvert the host immune system. This work aimed at elucidating whether an infection with C. trachomatis can influence the cellular response to double-stranded RNA (dsRNA). The synthesis of dsRNA is a prominent feature of viral replication inside infected cells that can induce both PCD and the activation of a cellular innate immune response. In order to mimic chlamydial and viral co-infections, Chlamydia-infected cells were transfected with polyinosinic:polycytidylic acid (polyI:C), a synthetic dsRNA. In the first part of this work it was investigated whether C. trachomatis-infected host cells could resist apoptosis induced by polyI:C. A significant reduction in apoptosis, determined by PARP cleavage and DNA fragmentation, could be observed in infected cells. It could be shown that processing of the initiator caspase-8 was inhibited in infected host cells. This process was dependent on early bacterial protein synthesis and was specific for dsRNA because apoptosis induced by TNFalpha was not blocked at the level of caspase-8. Interestingly, the activation of cellular factors involved in apoptosis induction by dsRNA, most importantly PKR and RNase L, was not abrogated in infected cells. Instead, RNA interference experiments revealed the crucial role of cFlip, a cellular caspase-8 inhibitor, for chlamydial inhibition of dsRNA-induced apoptosis. First data acquired by co-immunoprecipitation experiments pointed to an infection-induced concentration of cFlip in the dsRNA-induced death complex of caspase-8 and FADD. In the second part of this work, the chlamydial influence on the first line of defense against viral infections, involving expression of interferons and interleukins, was examined. Activation of the interferon regulatory factor 3 (IRF-3) and the NF-kappaB transcription factor family member p65, both central regulators of the innate immune response to dsRNA, was altered in Chlamydia-infected epithelial cells. polyI:C-induced degradation of IkappaB-alpha, the inhibitor of NF-kappaB, was accelerated in infected cells which was accompanied by a change in nuclear translocation of the transcription factor. Translocation of IRF-3, in contrast, was significantly blocked upon infection. Together the data presented here demonstrate that infection with C. trachomatis can drastically alter the cellular response to dsRNA and imply an impact of chlamydial infections on the outcome of viral super-infections.
KW  - Chlamydia trachomatis
KW  - Signaltransduktion
KW  - Immunreaktion
KW  - Doppelhelix
KW  - RNS
KW  - Apoptosis
KW  - Apoptose
KW  - doppelsträngige RNA
KW  - Immunantwort
KW  - Apoptosis
KW  - Chlamydia trachomatis
KW  - double-stranded RNA
KW  - innate immunity
KW  - signal transduction
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-46474
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bögelein, Anna
T1  - Einfluss systemischer Therapeutika auf die CXCR4-Expression von Myelomzellen
T1  - Influence of therapeutic agents on CXCR4 expression of myeloma cells
N2  - Im Zuge der Bemühungen um neue, tumorspezifische Therapieansätze für die Myelomerkrankung hat sich der C-X-C-Chemokinrezeptor 4 (CXCR4) aufgrund seiner zentralen Rolle in der Tumorgenese als vielversprechender Angriffspunkt hervorgetan. Im Sinne eines theranostischen Konzepts wird der Rezeptor mithilfe eines radioaktiv markierten Liganden quantifiziert und anschließend von rezeptorspezifischen Radiotherapeutika als Zielstruktur genutzt. Die CXCR4-Expression ist allerdings ein höchst dynamischer Prozess mit großer inter- und intraindividueller Heterogenität, der u.a. durch eine begleitende Chemotherapie beeinflusst werden kann. Ob sich therapieinduzierte Veränderungen der Rezeptorexpression gezielt nutzen lassen, um die CXCR4-Expression zu optimieren und so die Effektivität der CXCR4-gerichteten Strategien zu steigern, wurde bislang nicht untersucht.
Vor diesem Hintergrund wurden in der vorliegenden Arbeit verschiedene, in der Myelomtherapie etablierte Substanzen sowohl einzeln als auch in Kombination hinsichtlich ihres Einflusses auf die CXCR4-Expression von MM-Zelllinien und primären MM-Zellen unter in vitro Bedingungen analysiert.
In den durchgeführten Experimenten zeigte sich eine hohe Variabilität der CXCR4-Expression der MM-Zellen nach Therapieinduktion, die sich als substanz-, dosis- und zeitabhängig herausstellte. Die Ergebnisse bestätigten das große Potenzial der therapieinduzierten Modulation der CXCR4-Expression. Im weiteren Verlauf sind translationale Forschungsansätze gerechtfertigt, die die Übertragbarkeit der in vitro gewonnenen Ergebnisse auf die komplexen Vorgänge im lebenden Organismus überprüfen. Langfristiges Ziel ist der Entwurf eines patientenzentrierten, multimodalen Therapiekonzepts, welches das CXCR4-gerichtete theranostische Konzept mit einer individuell angepassten, medikamentösen MM-Therapie kombiniert.
N2  - In the course of developing new tumor specific therapeutic approaches for non-yet curable myeloma disease C-X-C chemokine receptor 4 (CXCR4) has emerged as a promising target due to its crucial role in myeloma tumorigenesis. Within a theranostic concept CXCR4 is quantified using radioactively labeled ligands and afterwards targeted by receptor-specific radiopharmaceuticals. However, CXCR4 expression is a very dynamic process with a high inter- and intraindividual heterogeneity which can be influenced by concomitant chemotherapy. Whether therapy induced changes in receptor expression can be used to enhance CXCR4 expression and thus to improve efficacy of CXCR4-based theranostics has not been examined so far.
In this context the present study evaluated the effect of several anti-myeloma drugs (bortezomib, cyclophosphamide, dexamethasone, doxorubicin, lenalidomide) on CXCR4 expression of different human myeloma cell lines as well as patient-derived CD138+ plasma cells under in vitro conditions.
Findings disclosed a high variability of CXCR4 expression on myeloma cells after drug application which turned out to be substance-, dose- and time-dependent. The results confirmed the high potential of therapy-induced modulation of CXCR4 expression. In further course, translational research approaches are justified to verify the transferability of the in vitro findings to the complex macro- and microenvironment in vivo. Long-term goal is the development of a patient-centered, multimodal therapy concept which combines CXCR4 based theranostics with a personalized drug-based therapy.
KW  - Plasmozytom
KW  - In vitro
KW  - Multiples Myelom
KW  - Theranostik
KW  - CXCR4
KW  - Gallium-68 Pentixafor
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-241746
ER  - 
TY  - THES
A1  - Böck, Julia
T1  - Differenzielle Methylierungsanalysen mittels verschiedener Next-Generation Sequencing-basierter Techniken: Die Bedeutung von differenziell methylierten Regionen in der menschlichen Hirnevolution und bei der Krebsentstehung
T1  - Differential methylation analysis via various next-generation sequencing technologies: The impact of differentially methylated regions on human brain evolution and cancer development
N2  - Die Evolution der Primaten zeigt eine Verbindung zwischen der zunehmenden Komplexität des sozialen Verhaltens und der Vergrößerung des humanen Gehirns, insbesondere des präfrontalen Cortex. Deshalb stellt der präfrontale Cortex bezüglich der Evolution des Menschen eine der interessantesten Strukturen im humanen Gehirn dar. Es wird angenommen, dass nicht allein die Größe, sondern auch die Funktion, vor allem das Zusammenspiel von Neuronen und nicht-neuronalen Zellen, wie z.B. Gliazellen, zur Differenzierung des menschlichen Gehirns von dem rezenter Primaten geführt hat. Daraus lässt sich schließen, dass die Gehirnfunktionen über eine ausgeglichene und gut aufeinander abgestimmte transkriptionelle Landschaft kontrolliert werden, die durch ein zugrundeliegendes genetisches und epigentisches Rückgrat organisiert ist. In dieser Studie wurden das Methylierungsprofil neuronaler und nicht-neuronaler Zellen des präfrontalen Cortex (Brodmann-Areal 10) von drei Menschen und drei Schimpansen miteinander verglichen. Die intra- und interspezifischen differenziell methylierten Regionen (DMRs) waren in bestimmten genomischen Regionen angereichert. Intraspezifische Methylierungsunterschiede zwischen neuronalen und nicht-neuronalen Zellen konnten dreimal häufiger beobachtet werden als interspezifische Unterschiede in den einzelnen Zelltypen. Rund 90% der humanen intraspezifischen DMRs wiesen eine Hypomethylierung in den neuronalen Zellen im Vergleich zu den nicht-neuronalen Zellen auf. In den intraspezifischen DMRs (Mensch und Schimpanse) waren Gene angereichert, die mit verschiedenen neuropsychiatrischen Erkrankungen assoziiert sind. Der Vergleich zwischen Menschen und Schimpanse in den neuronalen und nicht-neuronalen Zelltypen zeigte eine Anreicherung von Genen mit human-spezifischer Histonsignatur. In den nicht-neuronalen Zellen konnten mehr interspezifische DMRs (n=666) detektiert werden als in den neuronalen Zellen (n=96). Ungefähr 95% der nicht-neuronalen interspezifischen DMRs waren im Menschen, im Vergleich zum Schimpansen, hypermethyliert. Daraus ergibt sich der Eindruck, dass mehrere hundert der nicht-neuronalen Gene während der humanen Gehirnevolution einer Methylierungswelle unterlagen. Dies führt zu der Annahme, dass der Einfluss dieser Veränderungen in den nicht-neuronalen Zellen auf die Vergößerung des menschlichen Gehirns bisher stark unterschätzt wurde.

Die bekannteste genetische Ursache für erblichen Brust- und Eierstockkrebs sind Mutationen in den Tumorsuppressorgenen (TSG) BRCA1 und BRCA2. Dennoch können nur rund 20-25% der familiären Brustkrebserkrankungen über Keimbahnmutationen in BRCA1/BRCA2 erklärt werden, besonders bei Frauen, deren Erkrankung vor dem vierzigsten Lebensjahr auftritt. Epigenetische Veränderungen, die zu einer aberranten Genexpression führen, spielen ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Karzinogenese und der Entwicklung einer Brustkrebserkrankung. Es ist bekannt, dass TSG nicht nur durch den Verlust der Heterozygotie (engl. loss of heterozygosity, LOH) oder homozygote Deletionen, sondern auch durch transkriptionelle Stilllegung via DNA-Methylierung inaktiviert werden können. Im Rahmen dieser Arbeit wurde überprüft, welchen Einfluss aberrante Methylierungsmuster im Promotorbereich von TSG auf die Brustkrebskarzinogenese und die Expression der Gene haben. Für die Quantifizierung der Epimutationen wurden die Promotorbereiche von acht TSG (BRCA1, BRCA2, RAD51C, ATM, PTEN, TP53, MLH1, RB1) und des estrogene receptor (ESR1) Gens, welches eine Rolle in der Tumorprogression spielt, mittels Deep Bisulfite Amplicon Sequencing (DBAS) analysiert. Es wurden Blutproben von zwei unabhängigen BRCA1/BRCA2-mutationsnegativen Brustkrebs (BC)-Patientenkohorten, sowie von zwei unabhängigen alters-gematchten, gesunden Kontrollkohorten untersucht. BC-Kohorte 1 beinhaltet early-onset (EO) BC-Patientinnen. Kohorte 2 enthält BC-Patientinnen mit einem Risiko von >95% eine heterozygote Mutation in BRCA1/BRCA2 (high-risk, HR) zu tragen. Allele mit >50% methylierten CpGs werden als funktionell relevante Epimutationen erachtet, da bekannt ist, dass TSG über eine Methylierung im Promotorbereich transkriptionell stillgelegt werden. Im Vergleich zu ESR1 (Ø Methylierung, 3%), welches die Methylierungslevel eines durchschnittlichen Promotors wiederspiegelt, zeigten die TSG sehr geringe durchschnittliche Methylierungswerte von weniger als 1%. Zudem waren die durchschnittlichen Epimutationsraten (EMR; <0,0001-0,1%) der TSG sehr gering. Mit der Ausnahme von BRCA1, welches eine erhöhte EMR in der BC-Kohorte verglichen zu den Kontrollen (0,31% gegen 0,06%) zeigte, gab es keine signifikanten Gruppenunterschiede zwischen BC-Patientinnen und Kontrollen. Eine von 36 HR BC-Patientinnen zeigte im Vergleich zu den restlichen Proben eine stark erhöhte EMR von 14,7% in BRCA1. Rund ein Drittel (15/44) der EO BC-Patientinnen wiesen eine erhöhte Rate an Einzel-CpG Fehlern in mehreren TSG auf. Die nachfolgenden Expressionsanalysen ergaben eine erniedrigte Expression vieler TSG je analysierter Patientin. Diese Ergebnisse führen zu der Annahme, dass epigenetische Veränderungen in normalen Körperzellen als ein möglicher Indikator für einen gestörten Mechanismus, der für die Aufrechterhaltung des unmethylierten Status und der daraus resultierenden normalen Genexpression zuständig ist, angesehen werden können. Dies kann mit einem erhöhten BC-Risiko assoziiert werden.
N2  - The increasing complexity of social behavior along the ascending scale of primates, peaking in human spoken language, is accompanied by an impressive expansion of the human brain, particularly of the prefrontal cortex. Hence, prefrontal cortex appears to be one of the most interesting structures of the human brain, at least from an evolutionary perspective. But not only size but also function, in particular the interplay of neurons and glia cells, are suspected to distinguish the human brain from great apes and other primates. It is plausible to assume that proper brain function is controlled by a coordinated and well balanced transcriptional landscape, orchestrated by the underlying genetic and epigenetic backbone. Using reduced representation bisulfite sequencing (RRBS), we have compared the methylation profiles of neuronal and non-neuronal cells from three human and three chimpanzee prefrontal cortices (Brodmann area 10). Bioinformatic analyses revealed a genome-wide significant enrichment of differentially methylated regions (DMRs) in specific genomic areas. Intraspecific methylation differences between neuronal and non-neuronal cells are about three times more abundant than the interspecific methylation differences. More than 90% of human intraspecific DMRs were hypomethylated in neuronal cells, compared to non-neuronal cells. Intraspecific DMRs showed enrichment of genes associated with different neuropsychiatric disorders. Comparison between humans and chimpanzees yielded enrichments of genes showing human-specific brain histon modification. Interspecific DMRs were much more frequent in non-neuronal cells (n=666) than in neurons (n=96). Approximately 95% of interspecific DMRs in non-neuronal cells were hypermethylated in humans, compared to chimpanzees. It can be assumed that several hundreds of non-neuronal genes underwent a wave of methylation during human brain evolution. The impact of these changes in non-neuronal cells on the extension of the human brain may have been largely underestimated so far.

The most prominent genetic cause for inherited breast and ovarian cancer are mutations in the BRCA1 and BRCA2 tumor suppressor genes (TSG). However, BRCA1/BRCA2 germline mutations explain less than 50% of all familial breast cancers, even for women diagnosed before the age of 40 years. It has also been reported that epigenetic abnormalities, which contribute to changes in gene expression, play an important role in carcinogenesis and breast cancer development. To rapidly quantify the number of epimutations in different TSG, in both a qualitative and quantitative manner, we have developed a deep bisulfite sequencing assay targeting the promoter regions of eight TSG (BRCA1, BRCA2, RAD51C, ATM, PTEN, TP53, MLH1 and RB1) and the estrogene receptor (ESR1) gene, which plays a role in tumor progression. We have analyzed blood samples of two independent BRCA1/BRCA2-mutation negative breast cancer (BC) cohorts and two independent age-matched healthy control cohorts. BC cohort 1 represents patients with early-onset BC and BC cohort 2 patients with a high risk to carry a heterozygous mutation. Since it is well known that tumor suppressor genes are transcriptionally silenced by promoter methylation, alleles with >50% methylated CpGs are considered as functionally relevant epimutations. Compared to ESR1, which is representative for an average promoter, TSG exhibited very low (<1%) average methylation levels and also very low mean epimutation rates (EMR; <0.0001% to 0.1%). With exception of BRCA1, which showed an increased EMR in BC (0.31% vs. 0.06%), there was no significant difference between patients and controls detectable. One of 36 HR BC patients showed a dramatically increased EMR (14.7%) in BRCA1. We identified in approximately one third (15 of 44) of EO BC patients increased rates of single CpG methylation errors in multiple TSG. Both EO and HR BC patients exhibited global underexpression of blood TSG. We propose that epigenetic abnormalities in normal body cells are indicative of disturbed mechanisms for maintaining low methylation and appropriate expression levels and may be associated with an increased BC risk.
KW  - Epigenetik
KW  - Gehirn
KW  - Brustkrebs
KW  - differenzielle Methylierung
KW  - familiärer Brustkrebs
KW  - Next-Generation Sequencing
KW  - Methylierung
KW  - Evolution
KW  - menschliche Hirnevolution
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-164220
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Bässler, Claus
A1  - Brandl, Roland
A1  - Müller, Jörg
A1  - Krah, Franz S.
A1  - Reinelt, Arthur
A1  - Halbwachs, Hans
T1  - Global analysis reveals an environmentally driven latitudinal pattern in mushroom size across fungal species
JF  - Ecology Letters
N2  - Although macroecology is a well‐established field, much remains to be learned about the large‐scale variation of fungal traits. We conducted a global analysis of mean fruit body size of 59 geographical regions worldwide, comprising 5340 fungal species exploring the response of fruit body size to latitude, resource availability and temperature. The results showed a hump‐shaped relationship between mean fruit body size and distance to the equator. Areas with large fruit bodies were characterised by a high seasonality and an intermediate mean temperature. The responses of mutualistic species and saprotrophs were similar. These findings support the resource availability hypothesis, predicting large fruit bodies due to a seasonal resource surplus, and the thermoregulation hypothesis, according to which small fruit bodies offer a strategy to avoid heat and cold stress and therefore occur at temperature extremes. Fruit body size may thus be an adaptive trait driving the large‐scale distribution of fungal species.
KW  - Fungal traits
KW  - global biomes
KW  - latitudinal gradient
KW  - mean fruit body size
KW  - saprobic and ectomycorrhizal basidiomycetes
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-239808
VL  - 24
IS  - 4
SP  - 658
EP  - 667
ER  - 
TY  - THES
A1  - Busold, Christian
T1  - Facilitating functional interpretation of microarray data by integration of gene annotations in Correspondence Analysis
T1  - Verbesserte funktionelle Analyse von Microarraydaten mittels Integration von Gen-Annotationen in Korrespondenzanalyse
N2  - DNS-Chips (’Microarrays’) haben sich zu einer der Standardmethoden zur Erstellung von genomweiten Expressionsstudien entwickelt. Mittlerweile wurden dazu eine Vielzahl von Methoden zur Identifizierung von differentiell regulierten Genen veröffentlicht. Ungeachtet dessen stellt die abschliessende funktionelle Interpretation der Ergebnisse einen der Engpässe in der Analyse von Chip-Daten dar. Die Mehrzahl der Analysemethoden stellt die signifikant regulierten Gene in Listen dar, aus denen in einem weiteren Schritt gemeinsame funktionelle Eigenschaften abgeleitet werden müssen. Dies stellt nicht nur eine arbeitsintensive Arbeit dar, die mit steigender Anzahl an experimentellen Konditionen immer weniger praktikabel wird, sondern ist auch fehleranfällig, da diese Auswertung im allgemeinen auf dem visuellen Vergleich von Listen beruht. In der vorliegenden Arbeit wurden Methoden für eine rechnergestützte Auswertung von funktionellen Geneigenschaften entwickelt und validiert. Hierzu wurde die ’Gene Ontology’ als Quelle für die Annotationsdaten ausgewählt, da hier die Daten in einem Format gespeichert sind, das sowohl eine leichte menschliche Interaktion sowie die statistische Analyse der Annotationen ermöglicht. Diese Genannotation wurden als Zusatzinformationen in die Korrespondenzanalyse integriert, welches eine simultane Darstellung von Genen, Hybridisierungen und funktionellen Kategorien in einer Grafik ermöglicht. Aufgrund der ständig wachsenden Anzahl an verfügbaren Annotationen und der Tatsache, daß zwischen den meisten experimentellen Bedingungen nur wenige funktionelle Prozesse differentiell reguliert sind, wurden Filter entwickelt, die die Anzahl der dargestellten Annotationen auf eine im gegebenen experimentellen Kontext relevante Gruppe reduzieren. Die Anwendbarkeit der Visualisierung und der Filter wurde auf Datensätzen unterschiedlicher Komplexität getestet: beginnend mit dem gut verstandenen Glukosestoffwechsel im Modellorganismus S. cerevisiae, bis hin zum Vergleich unterschiedlicher Tumortypen im Menschen. In beiden Fällen generierte die Methode gut zu interpretierende Grafiken, in denen die funktionellen Hauptunterschiede durch die dargestellten Annotationen gut beschrieben werden [90]. Während die Integration von Annotationsdaten wie GO die funktionelle Interpretation vereinfacht, fehlt die Möglichkeit zur Identifikation einzelner relevanter Schlüsselgene. Um eine solche Analyse zu ermöglichen, wurden Daten zum Vorkommen von Transskriptionsfaktorbindestellen in den 5’-Bereichen von Genen integriert. Auch diese Methode wurde an Datensätzen von S. cerevisiae und vergleichenden Studien von humanen Krebszelllinien validiert.In beiden Fällen konnten Transkriptionsfaktoren identifiziert werden, die für die beobachteten transkriptionellen Unterschiede von entscheidender Bedeutung sind [206]. Zusammenfassend, ermöglicht die Integration von Zusatzinformationen in die Korrespondenzanalyse eine simultane Visualisierung von Genen, Hybridisierungen und Annotationsdaten in einer einzigen, gut zu interpretierenden Grafik. Dies erlaubt auch in komplexen experimentellen Bedingungen eine intuitive Identifizierung von relevanten Annotationen. Der hier vorgestellte Ansatz, ist nicht auf die gezeigten Datenstrukturen beschränkt, sondern kann auf die Mehrzahl der verfügbaren Annotationsdaten angewendet werden.
N2  - DNA microarrays have become a standard technique to assess the mRNA levels for complete genomes. To identify significantly regulated genes from these large amounts of data a wealth of methods has been developed. Despite this, the functional interpretation (i.e. deducing biological hypothesis from the data) still remains a major bottleneck in microarray data analysis. Most available methods display the set of significant genes in long lists, from which common functional properties have to be extracted. This is not only a tedious and time-consuming task, which becomes less and less feasible with increasing numbers of experimental conditions, but is also prone to errors, since it is commonly done by eye. In the course of this work methods have been developed and tested, that allow for a computerbased analysis of functional properties being relevant in the given experimental setting. To this end the Gene Ontology was chosen as an appropriate source of annotation data, because it combines human-readability with computer-accessibility of the annotations term and thus allows for a statistical analysis of functional properties. Here the gene-annotations are integrated in a Correspondence Analysis which allows to visualize genes, hybridizations and functional categories in a single plot. Due to the increasing amounts of available annotations and the fact that in most settings only few functional processes are differentially regulated, several filter criteria have been developed to reduce the number of displayed annotations to a set being relevant in the given experimental setting. The applicability of the presented visualization and filtering have both been validated on datasets of varying complexity. Starting from the well studied glucose-pathway in S. cerevisiae up to the comparison of different tumor types in human. In both settings the method generated well interpretable plots, which allowed for an immediate identification of the major functional differences between the experimental conditions [90]. While the integration of annotation data like GO facilitates functional interpretation, it lacks the capability to identify key regulatory elements. To facilitate such an analysis, the occurrence of transcription factor binding sites in upstream regions of genes has been integrated to the analysis as well. Again this methodology was biologically validated on S. cerevisiae as well human cancer data sets. In both settings TFs known to exhibit central roles for the observed transcriptional changes were plotted in marked positions and thus could be immediately identified [206]. In essence, integration of supplementary information in Correspondence Analysis visualizes genes, hybridizations and annotation data in a single, well interpretable plot. This allows for an intuitive identification of relevant annotations even in complex experimental settings. The presented approach is not limited to the shown types of data, but is generalizable to account for the majority of the available annotation data.
KW  - Microarray
KW  - DNS
KW  - Genexpression
KW  - Auswertung
KW  - Microarray Analyse
KW  - GO-Annotationen
KW  - funktionelle Analyse
KW  - Korrespondenzanalyse
KW  - microarray data analysis
KW  - GO-annotations
KW  - functional interpretation
KW  - correspondence analysis
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-21150
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TY  - THES
A1  - Busch, Sebastian
T1  - Morphologie und Organisation individueller oktopaminerger Neurone im Gehirn von Drosophila m.
T1  - Morphology and Organization of individual octopaminergic neurons in the Drosophila brain
N2  - Das biogene Amin Oktopamin moduliert verschiedene Verhaltensweisen in Invertebraten. In verschiedenen Insektenspezies, wie Heuschrecken, Grillen oder Schaben, ist die Funktion und die Architektur des peripheren oktopaminergen Systems auf Einzelzellebene bekannt. Um die zelluläre Grundlage für die verschiedenen Funktionen von Oktopamin im Zentralnervensystem zu verstehen, ist eine detaillierte Analyse der Architektur des zentralen oktopaminergen Systems notwendig. Innerhalb meiner Doktorarbeit fertigte eine anatomische Karte individueller oktopaminerger Neurone des adulten Hirns von Drosophila an. Ich nutzte die Flp-out Technik, um einzelne oktopaminerge Neurone anzufärben. Anhand ihrer Projektionsmuster konnte ich 28 verschiedene Zelltypen in vier Oktopamin-immunoreaktiven Zellclustern identifizieren. Ihre Morphologie sowie die Verteilung genetischer Marker zeigte, dass die meisten Zelltypen mehrere Neuropile innervieren und dabei eine klare Trennung von Prä- und Postsynaptischen Regionen aufweisen. Die Mehrheit der Zelltypen bildet dendritische Verzweigungen in einer bestimmten Region, der posterioren Slope. Jedoch innerviert jeder Zelltyp stereotyp eine bestimmte Kombination von Zielregionen im Gehirn. Das deutet stark darauf hin, dass oktopaminerge Neurone kombinatorisch organisiert sind: Jedes individuelle Neuron scheint Komponente eines spezifischen neuronalen Schaltkreises zu sein. Dabei könnte jeder Zelltyp eine Art “Modul” darstellen, das selektiv bestimmte Funktionen in den jeweiligen Zielregionen moduliert. Das oktopaminerge Mittelliniencluster des Subösophagealen Ganglions zeigt eine besondere zelluläre Organisation. Es besteht aus gepaarten und ungepaarten Neuronen, die des Zentralgehirn mit extensiven Verzweigungen versorgen. Um die Ordnung hinter dieser komplexen Organisation zu verstehen, wurden die segmentale Organistion der Mittellinienneurone auf Einzelzellebene analysiert und ihre embryonalen Anlagen verglichen. Letzteres ermöglichte die morphologische Analyse von einzelnen oktopaminergen Mittellinienklonen. OA-VPM und OA-VUM Neurone bilden zusammen drei Subcluster im Subösophagealen Ganglion, die wahrscheinlich die drei gnathalen Neuromere repräsentieren. Alle OA-VUM Neurone stammen von der embryonalen Mittellinie ab. In den mandibularen und maxillaren Neuromeren formen sie morphologisch identische Zelltypen, mit stereotypen Innervationsmustern. OA-VPM Neurone gehen nicht aus der embryonalen Mittellinie hervor und sind nicht segmental dupliziert. Diese Arbeit vermittelt nicht nur einen Eindruck über die Architektur individueller oktopaminerger Neurone, sondern auch über die Organisation des oktopaminergen Systems auf Einzelzellebene.
N2  - The biogenic amine octopamine modulates divers behaviors in invertebrates. In different insect species, such as locusts, crickets, or cockroaches, the function and organization of the peripheral octopaminergic system is understood at single cell level. To understand the basis for the divers octopamine functions within the central nervous system, a detailed morphological analysis of central octopaminergic neurons is necessary. In my Ph.D. I generated an anatomical map of individual octopaminergic neurons in the Drosophila brain. I utilized the Flp-out technique, to label individual octopaminergic neurons. By their projection pattern I categorized 28 different cell types in four octopamine-immunoreactive cell clusters. Their morphology and the distribution of genetic markers indicates that most of the cell types innervate multiple neuropiles and exhibit a clear separation of dendritic and presynaptic regions: The majority of cell types forms spiny ramifications in one particular brain region, the posterior slope. However, each cell type stereotypically innervates a distinct set of target regions throughout the brain. This suggests that octopaminergic neurons are organized in a combinatorial way. Each individual neuron seems to be a component of a specif neuronal circuitry. This way each cell type could represent a modul, which selectively modulates neuronal processes in its respective target regions. The octopaminergic midline cluster of the suboesophageal ganglion shows a special cellular organization. It consists of paired and unpaired neurons, which supply the central brain with extensive ramifications. To understand the rule behind this complex organization, the segmental organization and developmental origin of midline neurons was analyzed at single cell level. The latter was achieved by analyzing the morphology of individual octopaminergic midline clones. OA-VPM and OA-VUM neurons form three subclusters in the suboesophageal ganglion, which most likely represent the three gnathal neuromeres. All OA-VUM neurons derive from the embryonic midline. In the mandibular and maxillary neuromere they form morphologically identical cell types with stereotypic Innervation patterns. OA-VPM neurons do not derive from the embryonic midline and are not segmentally duplicated. This study not only gives an impression of the architecture of individual octopaminergic neurons, but also about the organization of the octopaminergic system at single cell level.
KW  - Drosophila
KW  - Gehirn
KW  - Octopamin
KW  - Neuroanatomie
KW  - Nervennetz
KW  - Drosophila
KW  - Brain
KW  - Octopamine
KW  - Neuroanatomy
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-36203
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TY  - THES
A1  - Busch, Rhoda
T1  - Redundancy and indispensability of NFATc1-isoforms in the adaptive and innate immune system
T1  - Redundanz und Unentbehrlichkeit der NFATc1-Isoformen im adaptiven und natürlichen Immunsystem
N2  - Peritonitis is a common disease in man, frequently caused by fungi, such as Candida albicans; however, in seldom cases opportunistic infections with Saccharomyces cerevisiae are described. Resident peritoneal macrophages (prMΦ) are the major group of phagocytic cells in the peritoneum. They express a broad range of surface pattern recognition receptors (PRR) to recognize invaders. Yeast infections are primarily detected by the Dectin-1 receptor, which triggers activation of NFAT and NF-κB pathways. 
The transcription of the Nfatc1 gene is directed by the two alternative promoters, inducible P1 and relatively constitutive P2 promoter. While the role of P1-directed NFATc1α-isoforms to promote survival and proliferation of activated lymphocytes is well-established, the relevance of constitutively generated NFATc1β-isoforms, mainly expressed in resting lymphocytes, myeloid and non-lymphoid cells, remains unclear. Moreover, former work at our department indicated different roles for NFATc1α- and NFATc1β-proteins in lymphocytes. 
Our data revealed the functional role of NFATc1 in peritoneal resident macrophages. We demonstrated that the expression of NFATc1β is required for a proper immune response of prMΦ during fungal infection-induced acute peritonitis. We identified Ccl2, a major chemokine produced in response to fungal infections by prMΦ, as a novel NFATc1 target gene which is cooperatively regulated through the NFAT- and canonical NF-κB pathways. Consequently, we showed that NFATc1β deficiency in prMΦ results in a decreased infiltration of inflammatory monocytes, leading to a delayed clearance of peritoneal fungal infection. 
We could further show that the expression of NFATc1β-isoforms is irrelevant for homeostasis of myeloid and adaptive immune system cells and that NFATc1α- (but not β-) isoforms are required for a normal development of peritoneal B1a cells. In contrast to the situation in myeloid cells, NFATc1β deficiency is compensated by increased expression of NFATc1α-isoforms in lymphoid cells. As a consequence, NFATc1ß is dispensable for activation of the adaptive immune system. 
Taken together our results illustrate the redundancy and indispensability of NFATc1-isoforms in the adaptive and innate immune system, indicating a complex regulatory system for Nfatc1 gene expression in different compartments of the immune system and likely beyond that.
N2  - Peritonitis ist eine alltägliche Erkrankung des Menschen, die häufig durch Pilze wie Candida albicans verursacht wird. In seltenen Fällen sind opportunistische Infektionen mit Saccharomyces cerevisiae beschrieben. Residente peritoneale Makrophagen (prMΦ) stellen die größte Gruppe phagozytischer Zellen im Peritoneum dar. Sie exprimieren eine Vielzahl an Oberflächenrezeptoren (PRR), mit denen sie Eindringlinge erkennen. Hefeinfektionen werden dabei vorrangig durch den Dectin-1 Rezeptor erkannt, der die Signalkaskaden von NFAT und NF-κB aktiviert.
Die Transkription des Nfatc1 Gens wird von zwei Promotoren gelenkt, dem induzierbaren P1-Promotor und dem relativ konstitutiven P2-Promotor. Während die Funktionen der vom P1-Promotor erzeugten NFATc1α-Isoformen beim Überleben und der Proliferation von aktivierten Lymphozyten wohl bekannt sind, blieb die Rolle der NFATc1β-Isoformen, die vor allem in ruhenden lymphoiden, myeloiden und nicht-lymphoiden Zellen exprimiert sind, bisher ungeklärt. Unser Labor konnte zudem zeigen, dass NFATc1α- und NFATc1β- Proteine unterschiedliche Funktionen in Lymphozyten haben.
Unsere Daten lassen die Funktion von NFATc1 in peritonealen Makrophagen erkennen. Wir konnten zeigen, dass während einer pilzinduzierten Peritonitis die Expression von NFATc1β für eine vollständige Immunantwort der prMΦ erforderlich ist. Wir haben Ccl2, das am stärksten von prMΦ als Antwort auf Pilzinfektionen produzierte Chemokin, als neues NFATc1 Zielgen identifiziert, welches kooperativ von den NFATc1- und NF-κB-Signalwegen reguliert wird. Folglich konnten wir zeigen, dass das Fehlen von NFATc1β in prMΦ zu einer Abnahme der eindringenden entzündlichen Monozyten führt, was eine verspätete Abwehr von peritonealen Pilzinfektionen zur Folge hat.
Des Weiteren konnten wir zeigen, dass die Expression von NFATc1β-Isoformen irrelevant für die Homöostase von myeloiden und adaptiven Immunzellen ist, und dass NFATc1α- (aber nicht β-) Isoformen für die normale Entwicklung von B1a-Zellen erforderlich sind. In lymphoiden Zellen wird das Fehlen von NFATc1β, im Gegensatz zur Situation in myeloiden Zellen, durch eine erhöhte Expression von NFATc1α kompensiert. Demzufolge ist NFATc1β entbehrlich für die Aktivierung des adaptiven Immunsystems.
Zusammengenommen zeigen unsere Ergebnisse die Redundanz und die Unentbehrlichkeit der NFATc1-Isoformen im adaptiven und natürlichen Immunsystem, welche auf ein komplexes regulatorisches System der Genexpression von NFATc1 in den verschiedenen Kompartimenten des Immunsystems und wahrscheinlich darüber hinaus hinweist.
KW  - Immunsystem
KW  - NFATc1
KW  - fungal infection
KW  - Ccl2
KW  - Bauchfellentzündung
KW  - Mykose
KW  - Transkriptionsfaktor
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-91096
ER  - 
TY  - THES
A1  - Burgert, Anne
T1  - Untersuchung von Sphingolipiden und anderen Membrankonjugaten mittels hochauflösender Fluoreszenzmikroskopie
T1  - Analysis of sphingolipids and other membrane conjugates with super-resolution fluorescence microscopy
N2  - Methoden der Fluoreszenz-Lokalisationsmikroskopie (engl. single-molecule localization microscopy, SMLM) ermöglichen es Moleküle zu quantifizieren und deren Verteilung zu analysieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Membranmoleküle auf unterschiedlichen eukaryotischen Zellen, aber auch auf Prokaryoten mit dSTORM (engl. direct stochastic optical reconstruction microscopy) oder PALM (engl.: photoactivated localization microscopy) aufgenommen und quantifiziert. Bevor jedoch diese hochauflösende fluoreszenzbasierte Technik für biologische Fragestellungen angewendet werden konnten, mussten zunächst potentielle Artefakt-auslösende Quellen identifiziert und Strategien gefunden werden, um diese zu eliminieren. 
Eine mögliche Artefakt-Quelle ist eine zu niedrige Photonenzahl, die von Fluorophoren emittiert wird. Werden zu wenige Photonen detektiert, kann die Lokalisation eines Fluorophors weniger präzise bestimmt werden. Dies kann zu einer falschen Abbildung von Strukturen führen oder zu falschen Rückschlüssen über die Verteilung von Molekülen. Eine Möglichkeit die Anzahl der emittierten Photonen zu erhöhen, ist chemische Additive als Triplettlöscher einzusetzen. Sie bewirken, dass die Fluorophore wieder in den Grundzustand relaxieren und somit wieder angeregt werden können. Es wurden verschiedene Additive, die in der Literatur als Triplettlöscher beschrieben sind, getestet. Dazu wurden zunächst ihre Auswirkungen auf den Triplettzustand verschiedener Fluorophore (Alexa Fluor (Al) 488, 532 und 647 und Atto655) mit Hilfe von Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie (FCS) untersucht. Cyclooctatetraen (COT) bewirkte dabei eine Abnahme der Triplettausbeute von Al488, Al532 und Al647 um ~ 40-60%, bei Atto655 veränderte sie sich nicht. Obwohl die Ergebnisse der FCS-Messungen darauf hindeuten, dass COT in einer erhöhten Anzahl an emittierten Photonen resultiert, konnte dies bei dSTORM-Messungen nicht bestätigt werden. Hier hatte COT nur einen größeren positiven Effekt auf das Fluorophor Al647 (Zunahme um ~ 60%). Eine Erklärung für diese Widersprüchlichkeit zu den Ergebnissen aus den FCS-Messungen, könnte das Vorhandensein des Schaltpuffers bei dSTORM-Messungen sein. Dieser bewirkt den Übergang der Fluorophore in den Aus-Zustand bzw. entzieht dem Puffer Sauerstoff. 
Bei der Zugabe von 5 mM Kaliumiodid (KI) nahm die Triplettamplitude bei FCS-Messungen nur bei Al488 ab (um ~ 80%). Eine geringe Steigerung (um ~ 10%) der Intensität von Al488 mit KI konnte bei dSTORM-Messungen mit niedrigen Konzentrationen (~ 0,5 mM) erzielt werden. Bei einer Konzentration von 5 mM sank die Intensität jedoch wieder um 40%.
Deuteriumoxid (D2O) soll, anders als die Triplettlöscher, eine Verbesserung der Photonenausbeute dadurch bewirken, dass strahlungslose Relaxationsprozesse minimiert werden. Mit dSTORM-Messungen konnte gezeigt werden, dass Atto655 und Al647 in D2O zwar pro An-Zustand mehr Photonen emittieren als in Schaltpuffer ohne D2O, da die Fluorophore hier jedoch schneller bleichen, letztendlich die gleiche Anzahl an Photonen detektiert werden. 
Um die Anzahl an emittierten Photonen zu erhöhen, eignet sich also nur COT bei dSTORM-Messungen mit AL647 und KI in sehr geringen Konzentrationen bei Al488. D2O kann eingesetzt werden, wenn eine Probe schnell vermessen werden muss, wie zum Beispiel bei Lebendzellmessungen. 
Nicht nur eine zu niedrige Photonenzahl, auch eine zu geringe Photoschaltrate kann Artefakte bei dSTORM-Messungen erzeugen. Dies wurde anhand von verschiedenen biologischen Strukturen, die mit unterschiedlichen Anregungsintensitäten aufgenommen wurden, deutlich gemacht. Besonders die Aufnahmen von Plasmamembranen sind anfällig für die Generierung von Artefakten. Sie weisen viele inhomogene und lokal dichte Regionen auf. Wenn nun mehr als ein Emitter pro µm² gleichzeitig an ist, erzeugt das Auswertungsprogramm große artifizielle Cluster. Die hier durchgeführten Messungen machen deutlich, wie wichtig es ist, dSTORM-Bilder immer auf mögliche Artefakte hin zu untersuchen, besonders wenn Moleküle quantifiziert werden sollen. Dafür müssen die unbearbeiteten Rohdaten sorgfältig gesichtet werden und notfalls die Messungen mit einer höheren Laserleistung wiederholt werden. Da dSTORM mittlerweile immer mehr zur Quantifizierung eingesetzt wird und Clusteranalysen durchgeführt werden, wäre es sinnvoll bei Veröffentlichungen die Rohdaten von entscheidenden Aufnahmen der Öffentlichkeit zur Verfügung zu stellen.
Die Färbemethode ist ein weiterer Punkt, durch den Artefakte bei der Abbildung von Molekülen mittels SMLM entstehen können. Häufig werden Antikörper zum Markieren verwendet. Dabei sollte darauf geachtet werden, dass möglichst kleine Antikörper oder Antikörperfragmente verwendet werden, besonders wenn Clusteranalysen durchgeführt werden sollen. Anderenfalls leidet die Auflösung darunter, bzw. erhöht sich die Gefahr der Kreuzvernetzung von Molekülen. 

Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit, wurden Plasmamembran-Ceramide untersucht. Ceramide gehören zu den Sphingolipiden und regulieren diverse zelluläre Prozesse. Verschiedene Stimuli bewirken eine Aktivierung von Sphingomyelinasen (SMasen), die Ceramide in der Plasmamembran synthetisieren. Steigt die Konzentration von Ceramiden in der Plasmamembran an, kondensieren diese zu Ceramid-reichen Plattformen (CRPs). Bisher ist noch wenig über die Verteilung der Ceramide und die Größe der CRPs bekannt. Sie wurden hier über IgG-Antikörper in der Plasmamembran von Jurkat-, U2OS-, HBME- und primären T-Zellen angefärbt und erstmals mit dSTORM hochaufgelöst, um sie dann zu quantifizieren. Unabhängig von der Zelllinie befanden sich 50% aller Ceramidmoleküle in ~ 75 nm großen CRPs. Im Mittel bestanden die CRPs aus ~ 20 Ceramiden. Mit Hilfe einer Titrationsreihe konnte ausgeschlossen werden, dass diese Cluster nur durch die Antikörper-Färbung artifiziell erzeugt wurden. Bei Inkubation der Zellen mit Bacillus cereus Sphingomyelinase (bSMase) stieg die Gesamtkonzentration der Ceramide in der Plasmamembran an, ebenso wie die Ceramidanzahl innerhalb der CRPs, außerdem die Anzahl und Größe der CRPs. Dies könnte zu einer Veränderung der Löslichkeit von Membrankomponenten führen, was wiederum eine Akkumulation bestimmter Rezeptoren oder eine Kompartimentierung bestimmter Proteine erleichtern könnte. Die Anhäufung der Ceramide in den CRPs könnte ebenfalls die lokale Interaktion mit anderen Membranmolekülen erleichtern und dadurch möglicherweise die Reaktivität von Rezeptoren verändern. 
Mittels Azid-modifizierten Ceramidanaloga und kupferfreier Click-Chemie wurden Plasmamembran-Ceramide auch in lebenden Jurkat-Zellen mit Hilfe konfokaler Laser-Raster-Mikroskopie (CLSM, engl. confocal laser scanning microscopy) und Strukturierter Beleuchtungsmikroskopie (SIM, engl. structured illumination microscopy) untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Fettsäure-Kettenlänge und die Position des Azids bei den Ceramidanaloga eine entscheidende Rolle spielt, wie hoch das detektierte Signal in der Plasmamembran letztendlich ist. Die Versuche machen auch deutlich, dass die klickbaren Ceramidanaloga lebendzellkompatibel sind, sodass sie eine hervorragende Möglichkeit darstellen, zelluläre Reaktionen zu verfolgen.
Es wurden hier nicht nur Ceramide in eukaryotischen Zellen analysiert, sondern auch in Bakterien. Neisseria meningitidis (N. meningitidis) sind gramnegative Bakterien, die im Menschen eine Sepsis oder eine Meningitis auslösen können. Es wurde mittels immunhistochemischen Färbungen mit dem anti-Ceramid IgG-Antikörper, aber auch mit den klickbaren Ceramidanaloga, ein Signal in der Membran erhalten, was mit dSTORM hochaufgelöst wurde. In anderen Bakterien wurden ebenfalls schon Sphingolipide nachgewiesen. Studien zu Ceramiden in N. meningitidis wurden bisher jedoch noch nicht veröffentlicht. Im Rahmen dieser Arbeit konnten erstmals Ergebnisse erhalten werden, die darauf hinweisen, dass N. meningitidis ebenfalls Ceramide besitzen könnten.

In einem dritten Projekt wurde die Interaktion zwischen NK-Zellen und Aspergillus fumigatus untersucht. Der Schimmelpilz kann eine Invasive Aspergillose in immunsupprimierten Menschen auslösen, was zum Tod führen kann. Verschiedene Studien konnten schon zeigen, dass NK-Zellen eine wichtige Rolle bei der Bekämpfung des Pilzes spielen. Der genaue Mechanismus ist jedoch noch unbekannt. Im Rahmen dieser Arbeit konnte nachgewiesen werden, dass der NK-Zell-Marker CD56 entscheidend für die Pilzerkennung ist. Mit immunhistochemischen Färbungen und LSM-, aber auch dSTORM-Messungen, konnte gezeigt werden, dass die normalerweise homogen verteilten CD56-Rezeptoren auf der Plasmamembran von NK-Zellen aktiv an die Interaktionsstelle zu A. fumigatus transportiert werden. Mit der Zeit akkumulieren hier immer mehr CD56-Proteine, während das Signal in der restlichen Membran immer weiter abnimmt. Es konnte erstmals CD56 als wichtiger Erkennungsrezeptor für A. fumigatus identifiziert werden.

In dem letzten bearbeiteten Projekt, wurde die Bindung von Anti-N-Methyl-D-Aspartat (NMDA)-Rezeptor Enzephalitis Autoantikörper an Neuronen untersucht. Bei einer Anti-NMDA-Rezeptor Enzephalitis bilden die Patienten Autoantikörper gegen die NR1-Untereinheit ihrer eigenen postsynaptischen NMDA-Rezeptoren. Da die Krankheit oft sehr spät erkannt wird und die Behandlungsmöglichkeiten noch sehr eingeschränkt sind, führt sie noch oft zum Tod. Sie wurde erst vor wenigen Jahren beschrieben, sodass der genaue Mechanismus noch unbekannt ist. Im Rahmen dieser Arbeit, konnten erste Färbungen mit aufgereinigten Antikörper aus Anti-NMDA-Rezeptor Enzephalitis Patienten an NMDA-Rezeptor-transfizierte HEK-Zellen und hippocampalen Maus-Neuronen durchgeführt und mit dSTORM hochaufgelöst werden. Mit den Messungen der HEK-Zellen konnte bestätigt werden, dass die Autoantikörper an die NR1-Untereinheit der Rezeptoren binden. Es konnten erstmals auch die Bindung der Antikörper an Neuronen hochaufgelöst werden. Dabei wurde sichtbar, dass die Antikörper zum einen dicht gepackt in den Synapsen vorliegen, aber auch dünner verteilt in den extrasynaptischen Regionen. Basierend auf der Ripley’s H-Funktion konnten in den Synapsen große Cluster von ~ 90  nm Durchmesser und im Mittel ~ 500 Lokalisationen und extrasynaptisch kleinere Cluster mit einem durchschnittlichen Durchmesser von ~ 70 nm und ~ 100 Lokalisationen ausgemacht werden. Diese ersten Ergebnisse legen den Grundstein für weitere Messungen, mit denen der Mechanismus der Krankheit untersucht werden kann.
N2  - With single molecule localization microscopy (SMLM) quantification of molecules and the analysis of their distribution becomes possible. In this work various plasma membrane molecules of different eukaryotic and prokaryotic cells were imaged with dSTORM (direct stochastic optical reconstruction microscopy) or PALM (photoactivated localization microscopy) and quantified. To use these super-resolution fluorescence microscopy techniques and answer elaborate biological questions, potential sources of artifacts were identified and strategies to circumvent them developed. 
A possible source of artifacts is an insufficient number of photons emitted by fluorophores. If less photons are detected, determining the localization of one fluorophore is less precise. This can cause a wrong reconstruction of structures or might lead to false conclusions about the distribution of molecules. One possibility to increase the number of photons is to use chemical additives which quench the triplet state of fluorophores. They ensure that the fluorophores relax into the ground state allowing them to become excited again. Different additives, described in literature as triplet quenchers, were tested. The effects of these additives on the triplet state of different fluorophores (Alexa Fluor (Al) 488, 532 und 647 und Atto655) were analyzed with fluorescence correlation spectroscopy (FCS). Cyclooctatetraene (COT) resulted in a decrease of triplet state yield of Al488, Al532 and Al647 by ~ 40-60%, yet the triplet state of Atto655 was unaffected. FCS measurements indicated that COT results in an increased number of emitted photons, but dSTORM measurements could not confirm this finding. Here, COT only revealed a positive effect on the intensity of Al647 (increase by ~ 60%). An explanation for this inconsistency with the FCS results might be the presence of the switching buffer in dSTORM measurements. The buffer is designed to cause a transition of the fluorophores to and stabilize the off-state by removing oxygen from the sample, counteracting the effect of COT. 
On addition of 5 mM potassium iodide (KI) only Al488 fluorophores showed a decreased triplet state rate (~ 80%) in FCS measurements. This finding was confirmed by dSTORM measurements with low concentrations (~ 0.5 mM) of KI which resulted in a slight intensity increase (~ 10%) of Al488. Higher KI concentration (5 mM) on the other hand showed a reversed effect, resulting in a drop in intensity by ~ 40%. 
Deuterium oxide (D2O) isn’t a triplet quencher but should minimize non-radiative processes. DSTORM measurements with Atto665 and Al647 revealed, that D2O does not affect the total number of emitted photons per fluorophore. Instead, D2O increased the amount of emitted photons per time.
In a nutshell, these results show that dSTORM measurements with Al647 can be improved using COT, and measurements with Al488 by using very low concentrations of KI. If needed, D2O can speed up dSTORM acquisition time considerably, e.g. for life cell measurements.
In addition to an insufficient number of collected photons, inappropriate photoswitching rates can induce artifacts in dSTORM measurements as well. This was shown using various biological reference structures. Especially the imaging of plasma membranes is prone to generate artifacts. Plasma membranes exhibit a lot of intrinsically three-dimensional structures with high local emitter densities. In these regions of higher fluorophore densities the likelihood of two close fluorophores emitting at the same time is increased. This in turn can result in large artificial clusters due to misinterpretation by the reconstruction software. Taken together, the performed experiments show how important it is to prove dSTORM images and minimize possibility image artifacts. Thus, raw data movies need to be examined carefully and, if necessary, measurements must be repeated with adapted imaging conditions. Since dSTORM is increasingly used for quantification and cluster analysis it is recommended to publish raw data in the Supporting information of the manuscript.
Another source of artifacts when imaging molecules with SMLM is the staining procedure. Usually antibodies are used to label biological structures for dSTORM. In the interest of resolution, small antibodies or just fragments of antibodies should be used, especially if cluster analysis is performed. Otherwise reduced resolution or an increase in cross-linking of molecules might occur. 

In the second part of this study plasma membrane ceramides were investigated. Sphingolipid ceramides regulate various cellular processes. Different stimuli initiate activation of sphingomyelinases (SMase) which synthesize ceramides at the plasma membrane. A rise in ceramide concentration leads to a condensation of them in ceramide-rich platforms (CRPs). So far, only little is known about the distribution and the size of CRPs. Here, plasma membrane ceramides of Jurkat-, U2OS-, HBME- and primary T-cells were stained with an IgG-antibody, imaged using dSTORM and their distribution quantitatively analyzed. Independent of the analyzed cell line, ~ 50% of all ceramides detected in the plasma membrane formed CRPs with a size of ~ 75 nm. On average one CRP consisted of ~ 20 ceramide molecules. Using a titration series the possibility of artificial cluster generation due to antibody staining was ruled out. Treatment of cells with Bacillus cereus sphingomyelinase (bSMase) increased the overall ceramide concentration in the plasma membrane, the number of ceramides in the CRPs as well as the quantity and the size of CRPs. This might result in a higher solubility of membrane components in CRPs which in turn could facilitate accumulation or compartmentation of certain proteins. Accumulation of ceramides in the CRPs could also enable local interaction with other molecules and possibly change the reactivity of some receptors.
To investigate plasma membrane ceramides in living cells azido-modified ceramides and copper-free click chemistry were used for labeling. Imaging was performed using confocal laser-scanning microscopy (LSM) and structured illumination microscopy. It was shown that the length of fatty acid chains and the position of the azido group of ceramide analogues play a decisive role in the magnitude of the detected signal in the plasma membrane. These results demonstrate that azido-functionalized ceramides are live-cell compatible, making them an excellent tool to follow cellular reactions. 
In this study, ceramides were not only analyzed in eukaryotic cells but in bacteria as well. Neisseria meningitidis (N. meningitidis) are gram-negative bacteria triggering sepsis or meningitis in humans. Using both immunolabeling with anti-ceramide IgG-antibodies and azido-modified ceramides, ceramides were detected for the first time in the membrane of N. meningitidis by dSTORM. Although sphingolipids were reported to exist in various bacterial membranes, studies about ceramides in N. meningitidis have not yet been published. The results obtained here suggest the presence of ceramides in N. meningitidis.
The third part of this thesis addresses the interaction between NK cells and Aspergillus fumigatus. The mold can cause invasive aspergillosis in immunocompromised patients which can lead to death. Various studies have already shown that NK cells play a crucial role in the clearance of the fungal infection. Still, the exact mechanism remains unknown. As part of this work the NK cell marker CD56 was identified as a decisive receptor in recognition of the mold. Using LSM and dSTORM measurements in combination with immunocytochemical staining an active transport of the usually homogenous distributed CD56 receptors to the interaction site of NK cells and fungus was detected. Over time CD56 proteins accumulate at these interaction sites while the signal in the rest of the membrane continuously decreases. For the first time this study was able to identify CD56 as an important recognition receptor for A. fumigatus. 
In the last project binding of anti-N-Methyl-D-aspartate (NMDA) receptor encephalitis autoantibodies were investigated in neurons. Patients with this form of encephalitis generate autoantibodies against the NR1 subunit of their own postsynaptic NMDA receptors. Since NMDA receptor encephalitis is often diagnosed too late and treatment options are limited the disease often proves to be fatal. Anti-NMDA receptor encephalitis was described quite recently, explaining why the exact mechanism remains still unknown. For this study purified antibodies from anti-NMDA receptor encephalitis patients were used to stain NMDA receptor transfected HEK cells and hippocampal mouse neurons. These samples were subsequently imaged with dSTORM and analyzed. Measurements on HEK cells confirmed that the autoantibodies bind to the NR1 subunit. Using dSTORM, the binding sites of these antibodies at the neurons were imaged for the first time with super-resolution microscopy. The receptors are densely localized in synapses and more equally distributed at lower density in extrasynaptic regions. Based on Ripley’s H function synaptic clusters with a diameter of ~ 90 nm and ~ 500 localizations were determined while the extrasynaptic smaller clusters have a median diameter of ~ 70 nm and ~ 100 localizations per cluster. These first results form the basis for further investigations on the mechanism of anti-NMDA receptor encephalitis.
KW  - Ceramide
KW  - Fluoreszenzmikroskopie
KW  - Aspergillus fumigatus
KW  - NMDA
KW  - Neisseria meningitidis
KW  - Lokalisationsmikroskopie
KW  - dSTORM
KW  - Plasmamembran
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-145725
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bujok, Brigitte
T1  - Thermoregulation im Brutbereich der Honigbiene Apis mellifera carnica
T1  - Thermoregulation in the brood region of honeybees (Apis mellifera carnica)
N2  - Honigbienen (Apis mellifera carnica) regulieren die Temperatur ihrer Brut in einem sehr engen Temperaturfenster, da vor allem die gedeckelte Brut sehr temperaturempfindlich reagiert (Groh et al. 2004). Die Thermoregulation ist nicht – wie lange angenommen – Beiprodukt von alltäglichen Arbeiten der Bienen im Brutbereich, sondern eine aktive und Energie- und Zeitaufwändige eigene Tätigkeit. Arbeiterinnen ziehen sich mit ihren Beinen an die Brutoberfläche, drücken ihren warmen Thorax auf die Brutdeckel und verharren so für einige Minuten um mit der eigenen Körperwärme die Brut zu temperieren (Bujok et al. 2002). Wie erwartet korrelierte die Thoraxtemperatur einer Arbeiterin mit der Frequenz der abdominalen Atembewegungen, bei sehr hohen Thoraxtemperaturen (über 40°C) erreichten die Bienen Atemfrequenzen von über 8Hz. Eine weitere Methode die Brut effektiv zu wärmen übten Bienen aus, die leere Zellen im gedeckelten Brutbereich besuchen (Kleinhenz et al. 2003). Arbeiterinnen gingen dabei bevorzugt in Zellen, die von möglichst vielen gedeckelten Zellen umgeben waren. Sowohl die Dauer der Zellbesuche, als auch die mittlere Thoraxtemperatur bei Ein- und Austritt der Zelle korrelierten mit der Anzahl der benachbarten Brutzellen – je mehr Brutzellen eine leere Zelle in ihrer direkten Nachbarschaft hatte umso länger dauerte der Besuch einer Biene und umso höher ist die Ein- bzw. Austrittstemperatur der Biene. Mindestes 48 Stunden alte Bienen unterschieden sich signifikant in ihrem Wärmeverhalten von jüngeren Bienen. Tote gedeckelte Brut wurde in manchen Fällen über viele Tage (durchgehend bis 10 Tage) gewärmt, sie unterschied sich in ihrer Temperatur nicht von unbehandelter gedeckelter Brut. In weiteren Versuchen lag die Bruttemperatur von toter Brut zwar unter der eines Kontrollbereiches, die Temperatur lag aber weiterhin im optimalen Bereich von 33,5 bis 35°C (Groh et al. 2004). In diesen Versuchen wurde die tote Brut vor dem Einsetzen in den Beobachtungsstock wieder auf 35°C erwärmt. Wachskegel in gedeckelten Zellen wurden erkannt und ausgeräumt. Aktive Signale, die von der Brut ausgehen scheinen also nicht notwendig für die effektive Bruttemperaturregulierung zu sein. Untersuchungen mittels Laser-Doppler-Vibrometrie zeigten auch keine Hinweise auf eine mechanische Kommunikation zwischen den Puppen und den Arbeiterinnen. Das Brutwärmen scheint eine Aktion zu sein, die von den Bienen nur in Gemeinschaft sinnvoll durchgeführt werden kann. In einigen Fällen kam es während der Puppenphase zu unerklärlichen Abfällen in der Bruttemperatur, die nur durch einen positiven Rückkopplungseffekt seitens der Arbeiterinnen erklärt werden kann. Beim Brutwärmen spielen die Antennen der Arbeiterinnen wahrscheinlich eine wichtige Rolle. Während sich die Bienen beim aktiven Brutwärmen den Brutdeckel annähern sind die Antennenspitzen immer auf die Brutdeckel gerichtet. Fehlen den Arbeiterinnen die Antennen, dann ist die Thermoregulation eingeschränkt oder unzureichend. Die Bruttemperatur korreliert mit der Anzahl der abgetrennten Antennensegmente, je mehr Antennensegmente fehlen, desto weniger gut wird die Temperatur im Brutbereich hoch und konstant gehalten. Zusätzlich scheint es eine Lateralität in der Antennenfunktion zu geben, wurde die rechte Antenne gekürzt wärmten die Bienen die Brut signifikant schlechter, als beim Kürzen der linken Antenne. Durch das Kürzen der Antennen änderte sich auch das Verhalten der Tiere: Kontrollbienen verharrten ruhig im Brutbereich, während Bienen mit gekürzten Antennen teilweise ähnlich warm waren, aber nicht mehr das oben beschriebene aktive Brutwärmeverhalten zeigten.
N2  - Honey bees (Apis mellifera carnica) precisely regulate brood temperature in a range between 33 to 35°C, as the development of the larvae, especially the capped brood stages are very sensitive to temperature changes. The heat used for thermoregulation in the brood area is not a by-product of work, but an active time and energy consuming task called brood heating behaviour: worker bees pull their warm thoraces towards the brood caps and remain in that position for about 10 minutes to transfer their body heat to the brood caps and the brood (Bujok et al. 2002). As expected, thoracic temperatures of bees correlated with frequency of abdominal breathing movements; bees with high thoracic temperatures (above 40°C) showed abdominal movements of up to slightly over 8Hz. Honey bee workers use empty cells neighbouring the capped brood cells for brood heating (Kleinhenz et al. 2003). Therefore, bees preferred visiting cells neighboured by numerous brood cells. Both duration of cell visits and thoracic temperature of the bee correlated with the number of neighboured brood cells. Older bees (at least 48h) showed significantly higher thoracic temperatures than younger bees (up to 48h old) immediately before and after their cell visits. Dead capped brood were heated over several days and showed equivalent temperatures to living brood warmed by worker bees. In other cases, the brood temperature was lower, but still in the optimal temperature range of 33.5 to 35°C (Groh et al. 2004). In the experiments, the dead brood was killed by cold then warmed up again to 35°C before putting it into the observation hive. Capped brood cells filled with wax dummies were not heated and immediately cleared out. Mechanical signals from the brood seemed not to be important for the brood heating behaviour of the worker bees; observations with laser-vibrometry showed no signals coming from the brood demanding thermoregulation. The antennae of the bees seem to be very important for effective brood heating, since during brood heating behaviour the antennae point to the capped brood surface. Worker bees with shortened antennae showed inferior brood heating behaviour, while brood temperature correlated with number of missing antenna segments. Additionally, the effectiveness of brood heating seems to be linked to a underlying laterality of the antennas function, when parts of the right antenna were amputated, brood heating was worse than when parts of the left antenna were amputated. With the amputation of the antenna the behaviour of the bees changed: control bees remained very quiet in the capped brood area, while bees with amputated antenna with similarly warm thoraces did not show the typical brood heating behaviour anymore. In some observations brood temperature dropped for some hours and increased again in a way that can only be explained by positive feedback of brood heating of the worker bees. Brood heating appears to be a collective action.
KW  - Biene
KW  - Brutbiologie
KW  - Thermoregulation
KW  - Honigbiene
KW  - Temperaturregulierung
KW  - Brut
KW  - Thermographie
KW  - honey bee
KW  - temperature regulation
KW  - brood
KW  - thermography
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-15903
ER  -