TY  - JOUR
A1  - Paponov, Ivan A.
A1  - Dindas , Julian
A1  - Król , Elżbieta
A1  - Friz, Tatyana
A1  - Budnyk, Vadym
A1  - Teale, William
A1  - Paponov, Martina
A1  - Hedrich , Rainer
A1  - Palme, Klaus
T1  - Auxin-Induced plasma membrane depolarization is regulated by Auxin transport and not by AUXIN BINDING PROTEIN1
JF  - Frontiers in Plant Science
N2  - Auxin is a molecule, which controls many aspects of plant development through both transcriptional and non-transcriptional signaling responses. AUXIN BINDING PROTEIN1 (ABP1) is a putative receptor for rapid non-transcriptional auxin-induced changes in plasma membrane depolarization and endocytosis rates. However, the mechanism of ABP1-mediated signaling is poorly understood. Here we show that membrane depolarization and endocytosis inhibition are ABP1-independent responses and that auxin-induced plasma membrane depolarization is instead dependent on the auxin influx carrier AUX1. AUX1 was itself not involved in the regulation of endocytosis. Auxin-dependent depolarization of the plasma membrane was also modulated by the auxin efflux carrier PIN2. These data establish a new connection between auxin transport and non-transcriptional auxin signaling.
KW  - auxin
KW  - ABP1
KW  - plasma membrane depolarization
KW  - AUX1
KW  - endocytosis
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-195914
SN  - 1664-462X
VL  - 9
ER  - 
TY  - THES
A1  - Frank, Erik Thomas
T1  - Behavioral adaptations in the foraging behaviour of \(Megaponera\) \(analis\)
T1  - Verhaltensanpassungen im Furagierverhalten von \(Megaponera\) \(analis\)
N2  - An efficient foraging strategy is one of the most important traits for the fitness of animals. The theory of optimal foraging tries to predict foraging behaviour through the overarching question: how animals should forage so as to minimize costs while maximizing profits? Social insects, having occupied nearly every natural niche through widely different strategies, offer themselves as an ideal group to study how well optimal foraging theory can explain their behaviour and success. 
Specialization often leads to unique adaptations in morphology and behaviour. I therefore decided to investigate the behaviour of Megaponera analis. This ponerine ant species is specialized on hunting only termites of the subfamily Macrotermitinae at their foraging sites. Their foraging behaviour is regulated by a handful of individual scouts (10-20) that search for termite foraging sites before returning to the nest to recruit a large number of nestmates (200-500 ants). These ants then follow the scout in a column formation to the termites and after the hunt return together to the nest, these raids occur two to five times per day.
Predators of highly defensive prey likely develop cost reducing adaptations. The evolutionary arms race between termites and ants led to various defensive mechanisms in termites, e.g. a caste specialized in fighting predators. As M. analis incurs high injury/mortality risks when preying on termites, some risk mitigating adaptations have evolved. I show that a unique rescue behaviour in M. analis, consisting of injured nestmates being carried back to the nest, reduces combat mortality. These injured ants “call for help” with pheromones present in their mandibular gland reservoirs. A model accounting for this rescue behaviour identifies the drivers favouring its evolution and estimates that rescuing allows for maintaining a 29% larger colony size. Heavily injured ants that lost too many legs during the fight on the other hand are not helped. Interestingly, this was regulated not by the helper but by the uncooperativeness of the injured ant.  I further observed treatment of the injury by nestmates inside the nest through intense allogrooming directly at the wound. Lack of treatment increased mortality from 10% to 80% within 24 hours, with the cause of death most likely being infections.
Collective decision-making is one of the main mechanisms in social insects through which foraging is regulated. However, individual decision-making can also play an important role, depending on the type of foraging behaviour. In M. analis only a handful of individuals (the scouts) hold all the valuable information about foraging sites. I therefore looked at predictions made by optimal foraging theory to better understand the interplay between collective and individual decision-making in this obligate group-raiding predator. I found a clear positive relation between raid size and termite abundance at the foraging site. Furthermore, selectivity of the food source increased with distance. The confirmation of optimal foraging theory suggests that individual scouts must be the main driver behind raid size, choice and raiding behaviour. Therefore most central place foraging behaviours in M. analis were not achieved by collective decisions but rather by individual decisions of scout ants. Thus, 1% of the colony (10–20 scouts) decided the fate and foraging efficiency of the remaining 99%. 
Division of labour is one of the main reasons for the success of social insects. Worker polymorphism, age polyethism and work division in more primitive ants, like the ponerines, remain mostly unexplored though. Since M. analis specializes on a defensive prey, adaptations to reduce their foraging costs can be expected. I found that the work division, task allocation and column-formation during the hunt were much more sophisticated than was previously thought. The column-formation was remarkably stable, with the same ants resuming similar positions in subsequent raids and front ants even returning to their positions if displaced in the same raid. Most of the raid tasks were not executed by predetermined members of the raid but were filled out as need arose during the hunt, with a clear preference for larger ants to conduct most tasks. 
I show that specialization towards a highly defensive prey can lead to very unique adaptations in the foraging behaviour of a species.  I explored experimentally the adaptive value of rescue behaviour focused on injured nestmates in social insects. This was not only limited to selective rescuing of lightly injured individuals by carrying them back (thus reducing predation risk) but moreover includes a differentiated treatment inside the nest. These observations will help to improve our understanding of the evolution of rescue behaviour in animals. I further show that most optimal foraging predictions are fulfilled and regulated by a handful of individuals in M. analis. Lastly, I propose that the continuous allometric size polymorphism in M. analis allows for greater flexibility in task allocation, necessary due to the unpredictability of task requirements in an irregular system such as hunting termites in groups. All of my observations help to further understand how a group-hunting predator should forage so as to minimize costs while maximizing profits.
N2  - Ein effizientes Furagierverhalten ist eine der wesentlichsten Voraussetzungen für die Überlebensfähigkeit von Tieren. Die Theorie des „Optimal Foraging“ versucht, das Furagierverhalten durch die übergreifende Frage zu verstehen: Wie sollten Tiere nach Futter suchen/jagen, um die Kosten zu minimieren und gleichzeitig die Gewinne zu maximieren? Soziale Insekten, die fast jede natürliche Nische durch diverse Strategien besetzt haben, bieten sich als ideale Gruppe an, um zu untersuchen, wie gut „Optimal Foraging“ ihr Verhalten und ihren Erfolg erklären kann.
Da Spezialisierung oft zu einzigartigen Anpassungen in Morphologie und Verhalten führt, war das Jagdverhalten von Megaponera analis diesbezüglich sehr vielversprechend. Diese Ponerinae Ameisenart ist spezialisiert auf die Jagd von Termiten der Unterfamilie Macrotermitinae an ihren Futterstellen. Ihr Jagdverhalten wird durch eine Handvoll von einzelner Späher (10-20) geregelt, die nach Termiten-Futterstellen suchen, bevor sie zum Nest zurückkehren, um eine große Anzahl von Nestgenossinnen (200-500 Ameisen) zu rekrutieren. Die Ameisen folgen dann dem Späher in einer Kolonne zu den Termiten und zurück, diese Überfälle finden zwei bis fünf Mal am Tag statt.
Es ist wahrscheinlich, dass Prädatoren von defensiver Beute kostenreduzierende Anpassungen entwickeln. Das evolutionäre Wettrüsten zwischen Termiten und Ameisen führte zu verschiedenen Abwehrmechanismen bei Termiten, z.B. eine Soldaten-Kaste, die sich auf die Bekämpfung von Raubtieren spezialisiert hat. Da M. analis ein hohes Verletzungsrisiko durch Termitensoldaten hat, haben sich bei ihr einige kostenreduzierende Anpassungen entwickelt. Ich zeige, dass ein einzigartiges Rettungsverhalten bei M. analis, bestehend aus verletzten Nestgenossinnen, die zum Nest zurückgetragen werden, die Mortalität reduziert. Diese verletzten Ameisen „rufen“ um Hilfe mit Pheromonen, die in ihren mandibularen Drüsenreservoirs vorhanden sind. Ein Modell, das dieses Rettungsverhalten berücksichtigt, hilft dabei die wichtigsten Faktoren zu identifizieren, welche die Evolution dieses Rettungsverhaltens begünstigen. Ferner wird schwerverletzten Ameisen, die während des Kampfes zu viele Beine verloren haben, nicht geholfen. Interessanterweise wird dies nicht durch den Helfer reguliert, sondern durch die mangelnde Kooperation der verletzten Ameise. Des Weiteren beobachtete ich die Behandlung der Verletzten durch Nestgenossinnen im Nest durch intensives „Allogrooming“/lecken direkt an der Wunde. Eine Unterbindung der Behandlung erhöhte die Mortalität von 10% auf 80% innerhalb von 24 Stunden, höchstwahrscheinlich aufgrund von Infektionen.
Die kollektive Entscheidungsfindung ist einer der Hauptmechanismen bei sozialen Insekten, durch die die Futtersuche reguliert wird. Allerdings spielt die individuelle Entscheidungsfindung, je nach Art des Furagierverhaltens, auch eine wichtige Rolle. In M. analis haben nur eine Handvoll von Individuen (die Späher) alle Informationen über die Futterstellen. Ich betrachtete daher die Vorhersagen, die durch „Optimal Foraging“ gemacht werden, um das Zusammenspiel von kollektiver und individueller Entscheidungsfindung bei diesem obligaten Gruppenjäger besser zu verstehen. Ich fand eine klare positive Beziehung zwischen Raubzugsgröße und Termitenabundanz an der Futterstelle. Außerdem erhöhte sich die Selektivität der Futterstelle mit der Entfernung zum Nest. Die Bestätigung der „Optimalen Foraging“ Theorie deutet darauf hin, dass einzelne Späher der Haupttreiber hinter Raubzugsgröße, Wahl und Raubzugsverhalten sein müssen. Dies bedeutet, dass in M. analis das Furagierverhalten nicht durch kollektive Entscheidungen, sondern durch individuelle Entscheidungen der Späher reguliert wird. So entschied 1% der Kolonie (10-20 Späher) das Schicksal und die Furagier-Effizienz der restlichen 99%.
Die Arbeitsteilung ist einer der Hauptgründe des Erfolgs sozialer Insekten. Arbeiterpolymorphismus, Alterspolyethismus und Arbeitsteilung bei primitiveren Ameisen, wie den Ponerinen, blieben bisher jedoch meist unerforscht. Da M. analis sich auf eine defensive Beute spezialisiert hat, sind Anpassungen zur Reduzierung ihrer Furagierkosten zu erwarten. Ich zeige, dass die Arbeitsteilung und Kolonnenformation während der Jagd viel anspruchsvoller ist, als bisher angenommen. Die Kolonnenformation war bemerkenswert stabil: dieselben Ameisen nahmen ähnliche Positionen in späteren Raubzügen ein und die vorderen Ameisen kehrten sogar zu ihrer Position zurück, wenn diese absichtlich verändert wurde. Dies weist auf unbekannte Regulationsmechanismen für die Bildung der Kolonne hin. Darüber hinaus wurden die meisten der Raubzugsaufgaben nicht von vorgegebenen Mitgliedern des Raubzugs ausgeführt, sondern wurden je nach Bedarf während der Jagd verteilt.
Meine Versuche zeigen, dass die Spezialisierung auf eine hoch defensive Beute zu sehr einzigartigen Anpassungen im Furagierverhalten einer Art führen kann. Ich erforschte experimentell den adaptiven Wert eines Rettungsverhaltens, das auf verletzte Nestgenossinnen bei sozialen Insekten fokussiert war. Dies beschränkte sich nicht nur auf die selektive Rettung von leicht verletzten Individuen, welche zurückgetragen wurden (wodurch das Prädationsrisiko reduziert wurde), sondern umfasst darüber hinaus eine differenzierte Behandlung im Nest. Ich zeige weiter, dass die meisten „Optimal Foraging“ Vorhersagen von einer Handvoll Individuen in M. analis erfüllt und reguliert werden. Schließlich postuliere ich die Hypothese, dass der kontinuierliche allometrische Größenpolymorphismus in M. analis eine größere Flexibilität bei der Aufgabenverteilung ermöglicht, die aufgrund der Unberechenbarkeit der Aufgabenanforderungen in einem unregelmäßigen System wie dem Jagen von Termiten in Gruppen Erforderlich ist. Alle meine Beobachtungen verbessern unser Verständnis des Verhaltens eines Gruppenjägers, das während der Jagd die Kosten zu minimieren und die Gewinne zu maximieren hat.
KW  - Stechameisen
KW  - Nahrungserwerb
KW  - Verhalten
KW  - Optimal foraging
KW  - Rescue behaviour
KW  - Myrmecology
KW  - Behaviour
KW  - Ecology
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-156544
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - El-Hawary, Seham S.
A1  - Sayed, Ahmed M.
A1  - Mohammed, Rabab
A1  - Hassan, Hossam M.
A1  - Rateb, Mostafa E.
A1  - Amin, Elham
A1  - Mohammed, Tarek A.
A1  - El-Mesery, Mohamed
A1  - Bin Muhsinah, Abdullatif
A1  - Alsayari, Abdulrhman
A1  - Wajant, Harald
A1  - Anany, Mohamed A.
A1  - Abdelmohsen, Usama Ramadan
T1  - Bioactive brominated oxindole alkaloids from the Red Sea sponge Callyspongia siphonella
JF  - Marine Drugs
N2  - In the present study, LC-HRESIMS-assisted dereplication along with bioactivity-guided isolation led to targeting two brominated oxindole alkaloids (compounds 1 and 2) which probably play a key role in the previously reported antibacterial, antibiofilm, and cytotoxicity of Callyspongia siphonella crude extracts. Both metabolites showed potent antibacterial activity against Gram-positive bacteria, Staphylococcus aureus (minimum inhibitory concentration (MIC) = 8 and 4 µg/mL) and Bacillus subtilis (MIC = 16 and 4 µg/mL), respectively. Furthermore, they displayed moderate biofilm inhibitory activity in Pseudomonas aeruginosa (49.32% and 41.76% inhibition, respectively), and moderate in vitro antitrypanosomal activity (13.47 and 10.27 µM, respectively). In addition, they revealed a strong cytotoxic effect toward different human cancer cell lines, supposedly through induction of necrosis. This study sheds light on the possible role of these metabolites (compounds 1 and 2) in keeping fouling organisms away from the sponge outer surface, and the possible applications of these defensive molecules in the development of new anti-infective agents.
KW  - Callyspongia siphonella
KW  - LC-HRESIMS
KW  - metabolomic profiling
KW  - oxindole alkaloids
KW  - tisindoline
KW  - antibacterial
KW  - antibiofilm
KW  - antitrypanosomal
KW  - anticancer
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-201485
VL  - 17
IS  - 8
ER  - 
TY  - INPR
A1  - Dandekar, Thomas
T1  - Biological heuristics applied to cosmology suggests a condensation nucleus as start of our universe and inflation cosmology replaced by a period of rapid Weiss domain-like crystal growth
N2  - Cosmology often uses intricate formulas and mathematics to derive new theories and concepts. We do something different in this paper: We look at biological processes and derive from these heuristics so that the revised cosmology agrees with astronomical observations but does also agree with standard biological observations. We show that we then have to replace any type of singularity at the start of the universe by a condensation nucleus and that the very early period of the universe usually assumed to be inflation has to be replaced by a period of rapid crystal growth as in Weiss magnetization domains.
Impressively, these minor modifications agree well with astronomical observations including removing the strong inflation perturbations which were never observed in the recent BICEP2 experiments. Furthermore, looking at biological principles suggests that such a new theory with a condensation nucleus at start and a first rapid phase of magnetization-like growth of the ordered, physical laws obeying lattice we live in is in fact the only convincing theory of the early phases of our universe that also is compatible with current observations.
We show in detail in the following that such a process of crystal creation, breaking of new crystal seeds and ultimate evaporation of the present crystal readily leads over several generations to an evolution and selection of better, more stable and more self-organizing crystals. Moreover, this explains the “fine-tuning” question why our universe is fine-tuned to favor life: Our Universe is so self-organizing to have enough offspring and the detailed physics involved is at the same time highly favorable for all self-organizing processes including life.
This biological theory contrasts with current standard inflation cosmologies. The latter do not perform well in explaining any phenomena of sophisticated structure creation or self-organization. As proteins can only thermodynamically fold by increasing the entropy in the solution around them we suggest for cosmology a condensation nucleus for a universe can form only in a “chaotic ocean” of string-soup or quantum foam if the entropy outside of the nucleus rapidly increases. We derive an interaction potential for 1 to n-dimensional strings or quantum-foams and show that they allow only 1D, 2D, 4D or octonion interactions. The latter is the richest structure and agrees to the E8 symmetry fundamental to particle physics and also compatible with the ten dimensional string theory E8 which is part of the M-theory. Interestingly, any other interactions of other dimensionality can be ruled out using Hurwitz compositional theorem. Crystallization explains also extremely well why we have only one macroscopic reality and where the worldlines of alternative trajectories exist: They are in other planes of the crystal and for energy reasons they crystallize mostly at the same time, yielding a beautiful and stable crystal. This explains decoherence and allows to determine the size of Planck´s quantum h (very small as separation of crystal layers by energy is extremely strong).
Ultimate dissolution of real crystals suggests an explanation for dark energy agreeing with estimates for the “big rip”. The halo distribution of dark matter favoring galaxy formation is readily explained by a crystal seed starting with unit cells made of normal and dark matter.
That we have only matter and not antimatter can be explained as there may be right handed mattercrystals and left-handed antimatter crystals. Similarly, real crystals are never perfect and we argue that exactly such irregularities allow formation of galaxies, clusters and superclusters. Finally, heuristics from genetics suggest to look for a systems perspective to derive correct vacuum and Higgs Boson energies.
KW  - heuristics
KW  - inflation
KW  - cosmology
KW  - crystallization
KW  - crystal growth
KW  - E8 symmetry
KW  - Hurwitz theorem
KW  - evolution
KW  - Lee Smolin
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-183945
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Heydarian, Motaharehsadat
A1  - Yang, Tao
A1  - Schweinlin, Matthias
A1  - Steinke, Maria
A1  - Walles, Heike
A1  - Rudel, Thomas
A1  - Kozjak-Pavlovic, Vera
T1  - Biomimetic human tissue model for long-term study of Neisseria gonorrhoeae infection
JF  - Frontiers in Microbiology
N2  - Gonorrhea is the second most common sexually transmitted infection in the world and is caused by Gram-negative diplococcus Neisseria gonorrhoeae. Since N. gonorrhoeae is a human-specific pathogen, animal infection models are only of limited use. Therefore, a suitable in vitro cell culture model for studying the complete infection including adhesion, transmigration and transport to deeper tissue layers is required. In the present study, we generated three independent 3D tissue models based on porcine small intestinal submucosa (SIS) scaffold by co-culturing human dermal fibroblasts with human colorectal carcinoma, endometrial epithelial, and male uroepithelial cells. Functional analyses such as transepithelial electrical resistance (TEER) and FITC-dextran assay indicated the high barrier integrity of the created monolayer. The histological, immunohistochemical, and ultra-structural analyses showed that the 3D SIS scaffold-based models closely mimic the main characteristics of the site of gonococcal infection in human host including the epithelial monolayer, the underlying connective tissue, mucus production, tight junction, and microvilli formation. We infected the established 3D tissue models with different N. gonorrhoeae strains and derivatives presenting various phenotypes regarding adhesion and invasion. The results indicated that the disruption of tight junctions and increase in interleukin production in response to the infection is strain and cell type-dependent. In addition, the models supported bacterial survival and proved to be better suitable for studying infection over the course of several days in comparison to commonly used Transwell® models. This was primarily due to increased resilience of the SIS scaffold models to infection in terms of changes in permeability, cell destruction and bacterial transmigration. In summary, the SIS scaffold-based 3D tissue models of human mucosal tissues represent promising tools for investigating N. gonorrhoeae infections under close-to-natural conditions.
KW  - 3D tissue model
KW  - small intestinal submucosa scaffold
KW  - co-culture
KW  - infection
KW  - Neisseria gonorrhoeae
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-197912
SN  - 1664-302X
VL  - 10
IS  - 1740
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Akhoon, Bashir A.
A1  - Gupta, Shishir K.
A1  - Tiwari, Sudeep
A1  - Rathor, Laxmi
A1  - Pant, Aakanksha
A1  - Singh, Nivedita
A1  - Gupta, Shailendra K.
A1  - Dandekar, Thomas
A1  - Pandey, Rakesh
T1  - C. elegans protein interaction network analysis probes RNAi validated pro-longevity effect of nhr-6, a human homolog of tumor suppressor Nr4a1
JF  - Scientific Reports
N2  - Protein-protein interaction (PPI) studies are gaining momentum these days due to the plethora of various high-throughput experimental methods available for detecting PPIs. Proteins create complexes and networks by functioning in harmony with other proteins and here in silico network biology hold the promise to reveal new functionality of genes as it is very difficult and laborious to carry out experimental high-throughput genetic screens in living organisms. We demonstrate this approach by computationally screening C. elegans conserved homologs of already reported human tumor suppressor and aging associated genes. We select by this nhr-6, vab-3 and gst-23 as predicted longevity genes for RNAi screen. The RNAi results demonstrated the pro-longevity effect of these genes. Nuclear hormone receptor nhr-6 RNAi inhibition resulted in a C. elegans phenotype of 23.46% lifespan reduction. Moreover, we show that nhr-6 regulates oxidative stress resistance in worms and does not affect the feeding behavior of worms. These findings imply the potential of nhr-6 as a common therapeutic target for aging and cancer ailments, stressing the power of in silico PPI network analysis coupled with RNAi screens to describe gene function.
KW  - Computer modelling
KW  - Embryonic induction
KW  - RNAi
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-202666
VL  - 9
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Grebinyk, Anna
A1  - Prylutska, Svitlana
A1  - Buchelnikov, Anatoliy
A1  - Tverdokhleb, Nina
A1  - Grebinyk, Sergii
A1  - Evstigneev, Maxim
A1  - Matyshevska, Olga
A1  - Cherepanov, Vsevolod
A1  - Prylutskyy, Yuriy
A1  - Yashchuk, Valeriy
A1  - Naumovets, Anton
A1  - Ritter, Uwe
A1  - Dandekar, Thomas
A1  - Frohme, Marcus
T1  - C60 fullerene as an effective nanoplatform of alkaloid Berberine delivery into leukemic cells
JF  - Pharmaceutics
N2  - A herbal alkaloid Berberine (Ber), used for centuries in Ayurvedic, Chinese, Middle-Eastern, and native American folk medicines, is nowadays proved to function as a safe anticancer agent. Yet, its poor water solubility, stability, and bioavailability hinder clinical application. In this study, we have explored a nanosized carbon nanoparticle—C60 fullerene (C60)—for optimized Ber delivery into leukemic cells. Water dispersions of noncovalent C60-Ber nanocomplexes in the 1:2, 1:1, and 2:1 molar ratios were prepared. UV–Vis spectroscopy, dynamic light scattering (DLS), and atomic force microscopy (AFM) evidenced a complexation of the Ber cation with the negatively charged C60 molecule. The computer simulation showed that π-stacking dominates in Ber and C\(_{60}\) binding in an aqueous solution. Complexation with C\(_{60}\) was found to promote Ber intracellular uptake. By increasing C\(_{60}\) concentration, the C\(_{60}\)-Ber nanocomplexes exhibited higher antiproliferative potential towards CCRF-CEM cells, in accordance with the following order: free Ber < 1:2 < 1:1 < 2:1 (the most toxic). The activation of caspase 3/7 and accumulation in the sub-G1 phase of CCRF-CEM cells treated with C\(_{60}\)-Ber nanocomplexes evidenced apoptosis induction. Thus, this study indicates that the fast and easy noncovalent complexation of alkaloid Ber with C\(_{60}\) improved its in vitro efficiency against cancer cells.
KW  - C60 fullerene
KW  - Berberine
KW  - noncovalent nanocomplex
KW  - UV–Vis
KW  - DLS and AFM measurements
KW  - drug release
KW  - leukemic cells
KW  - uptake
KW  - cytotoxicity
KW  - apoptosis
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-193216
SN  - 1999-4923
VL  - 11
IS  - 11
ER  - 
TY  - THES
A1  - Segerer, Gabriela
T1  - Characterization of cell biological and physiological functions of the phosphoglycolate phosphatase AUM
T1  - Charakterisierung zellbiologischer und physiologischer Funktionen der Phosphoglykolat-Phosphatase AUM
N2  - Mammalian haloacid dehalogenase (HAD)-type phosphatases are a large and ubiquitous family of at least 40 human members. Many of them have important physiological functions, such as the regulation of intermediary metabolism and the modulation of enzyme activities, yet they are also linked to diseases such as cardiovascular or metabolic disorders and cancer.
Still, most of the mammalian HAD phosphatases remain functionally uncharacterized.
This thesis reveals novel cell biological and physiological functions of the phosphoglycolate phosphatase PGP, also referred to as AUM. To this end, PGP was functionally characterized by performing analyses using purified recombinant proteins to investigate potential protein substrates of PGP, cell biological studies using the spermatogonial cell line GC1, primary mouse lung endothelial cells and lymphocytes, and a range of biochemical techniques to characterize Pgp-deficient mouse embryos.
To characterize the cell biological functions of PGP, its role downstream of RTK- and integrin signaling in the regulation of cell migration was investigated. It was shown that PGP inactivation elevates integrin- and RTK-induced circular dorsal ruffle (CDR) formation, cell spreading and cell migration. Furthermore, PGP was identified as a negative regulator of directed lymphocyte migration upon integrin- and GPCR activation.
The underlying mechanisms were analyzed further. It was demonstrated that PGP regulates CDR formation and cell migration in a PLC- and PKC-dependent manner, and that Src family kinase activities are required for the observed cellular effects. Upon integrin- and RTK activation, phosphorylation levels of tyrosine residues 1068 and 1173 of the EGF receptor were elevated and PLCγ1 was hyper-activated in PGP-deficient cells. Additionally, PGP-inactivated lymphocytes displayed elevated PKC activity, and PKC-mediated cytoskeletal remodeling was accelerated upon loss of PGP activity. Untargeted lipidomic analyses revealed that the membrane lipid phosphatidylserine (PS) was highly upregulated in PGP-depleted cells.
These data are consistent with the hypothesis that the accumulation of PS in the plasma membrane leads to a pre-assembly of signaling molecules such as PLCγ1 or PKCs that couple the activation of integrins, EGF receptors and GPCRs to accelerated cytoskeletal remodeling.
Thus, this thesis shows that PGP can affect cell spreading and cell migration by acting as a PG-directed phosphatase.
To understand the physiological functions of PGP, conditionally PGP-inactivated mice were analyzed. Whole-body PGP inactivation led to an intrauterine growth defect with developmental delay after E8.5, resulting in a gradual deterioration and death of PgpDN/DN embryos between E9.5 and E11.5. However, embryonic lethality upon whole-body PGP inactivation was not caused by a primary defect of the (cardio-) vascular system. Rather, PGP inactivated embryos died during the intrauterine transition from hypoxic to normoxic conditions.
Therefore, the potential impact of oxygen on PGP-dependent cell proliferation was investigated. Analyses of mouse embryonic fibroblasts (MEFs) generated from E8.5 embryos and GC1 cells cultured under normoxic and hypoxic conditions revealed that normoxia (~20% O2) causes a proliferation defect in PGP-inactivated cells, which can be rescued under
hypoxic (~1% O2) conditions. Mechanistically, it was found that the activity of triosephosphate isomerase (TPI), an enzyme previously described to be inhibited by phosphoglycolate (PG) in vitro, was attenuated in PGP-inactivated cells and embryos. TPI constitutes a critical branch point between carbohydrate- and lipid metabolism because it catalyzes the isomerization of the glycolytic intermediates dihydroxyacetone phosphate (DHAP, a precursor of the glycerol backbone required for triglyceride biosynthesis) and glyceraldehyde 3’-phosphate (GADP).
Attenuation of TPI activity, likely explains the observed elevation of glycerol 3-phosphate levels and the increased TG biosynthesis (lipogenesis). Analyses of ATP levels and oxygen consumption rates (OCR) showed that mitochondrial respiration rates and ATP production were elevated in PGP-deficient cells in a lipolysis-dependent manner. However under hypoxic conditions (which corrected the impaired proliferation of PGP-inactivated cells), OCR and ATP production was indistinguishable between PGP-deficient and PGP-proficient cells. We therefore propose that the inhibition of TPI activity by PG accumulation due to loss of PGP activity shifts cellular bioenergetics from a pro-proliferative, glycolytic metabolism to a lipogenetic/lipolytic metabolism.
Taken together, PGP acts as a metabolic phosphatase involved in the regulation of cell migration, cell proliferation and cellular bioenergetics. This thesis constitutes the basis for further studies of the interfaces between these processes, and also suggests functions of PGP for glucose and lipid metabolism in the adult organism.
N2  - Haloazid Dehalogenase (HAD)-Typ Phosphatasen in Säugetieren gehören zu einer großen ubiquitären Proteinfamilie, zu der auch mindestens 40 Phosphatasen, die im menschlichen Organismus vertreten sind, zählen. Eine Vielzahl dieser Phosphatasen hat wichtige physiologische Funktionen beispielsweise als regulatorische Enzyme im Metabolismus.
Gleichzeitig werden sie in Verbindung mit Erkrankungen des kardiovaskulären Systems, Stoffwechselstörungen und Krebs gebracht. Dennoch sind die Funktionen vieler Mitglieder dieser Phosphatasen Familie bis heute weitestgehend unbekannt.
In der vorliegenden Arbeit wurden die zellbiologischen und physiologischen Funktionen der Phosphoglykolat-Phosphatase PGP, auch AUM genannt, charakterisiert. Zu diesem Zweck wurde mit gereinigtem Enzym nach potenziellen Protein-Substraten von PGP gesucht.
Weiterhin wurden zellbiologische Studien mit der spermatogonialen GC1 Zelllinie sowie mit primären Endothelzellen und Lymphozyten durchgeführt. Mit biochemischen Methoden wurden zudem PGP-defiziente Mausembryonen charakterisiert.
Es wurde zunächst die Rolle von PGP für RTK- und integrin- induzierte Zellmigration untersucht. Dabei zeigte sich, dass PGP Inaktivierung die Zelladhäsion und Zellmigration steigerte. Gleichzeitig wurde eine vermehrte Bildung von RTK- und integrinvermittelten ringförmigen Plasmamembranausstülpungen, sogenannten Circular Dorsal Ruffles (CDR) auf der dorsalen Zelloberfläche beobachtet. PGP wurde zudem als negativer Regulator integrinund GPCR-induzierter gerichteter Lymphozytenmigration identifiziert. Der zugrundeliegende molekulare Mechanismus wurde näher untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass PGP die Bildung von CDRs und die gerichtetete Zellmigration in Abhängigkeit der Phospholipase C- (PLC-), Proteinkinase C- (PKC-) sowie Src Kinase-Aktivität steuert. Nach Integrin- und RTKAktivierung waren die Tyrosinreste 1068 und 1173 des EGF-Rezeptors in PGP-depletierten Zellen vermehrt phosphoryliert und PLCγ1 in diesen Zellen hyperaktiviert. Interessanterweise wurde zudem eine beschleunigte PKC-vermittelte Reorganisation des Zytoskeletts beobachtet. In stimulierten Lymphozyten führte PGP-Inaktivierung zu einer erhöhten PKCAktivität.
Durch massenspektrometrische Analysen konnten erhöhte Spiegel des Membranlipids Phosphatidylserin (PS) in PGP-defizienten Zellen nachgewiesen werden.
Diese Ergebnisse sind konsistent mit der Hypothese, dass die Anreicherung von PS in der Plasmamembran PGP-defizienter Zellen zu einer Vor-Rekrutierung von Signalproteinen führt, die die Aktivierung von Integrinen, EGF-Rezeptoren und GPCRs mit einer beschleunigten Zytoskelett-Reorganisation verbindet. Hierdurch konnte gezeigt werden, dass PGP durch die Dephosphorylierung von Phosphoglykolat die Zelladhäsion und Zellmigration reguliert.
Um die physiologischen Funktionen von PGP zu verstehen, wurden konditional PGPinaktivierte Mäuse untersucht. Die Inaktivierung von PGP im gesamten Organismus führte zu einem Wachstumsdefekt ab Tag E8.5 und dem Tod der Embryonen im Uterus zwischen Tag E9.5 und E11.5. Die beobachtete embryonale Letalität war nicht durch einen Defekt des (kardio-)vaskulären Systems zu erklären.
PGP-inaktivierte Embryonen starben zu einem Zeitpunkt, an dem der intrauterine Übergang von einem hypoxischen zu einem normoxischen Millieu stattfindet. Der Einfluss von Sauerstoff wurde deshalb weiter untersucht. Zellwachstumsanalysen unter normoxischen und hypoxischen Bedingungen mit GC1 Zellen und embryonalen Maus-Fibroblasten, die aus E8.5 Embryonen gewonnen wurden zeigten, dass normoxische Bedingungen (~20% O2) einen Wachstumsdefekt PGP-inaktivierter Zellen verursacht, wohingegen dies unter hypoxischen Bedingungen (~1% O2) nicht der Fall war. Mechanistisch konnte gezeigt werden, dass die Aktivität der Triosephosphatisomerase (TPI), ein durch PG in vitro gehemmtes Enzym, in PGP inaktivierten Zellen und Embryonen vermindert war. TPI stellt einen entscheidenden Verzweigungspunkt des Glukose- und Lipidstoffwechsels dar. TPI katalysiert die Isomerisierung der aus der Glykolyse stammenden Intermediate Dihydroxyacetonphosphat (DHAP, eine Vorstufe des für die Triglycerid-Biosynthese benötigten Glycerol-Grundgerüsts) und Glyceraldehyd-3’-phosphat (GADP). Eine Verringerung der TPI-Aktivität in PGPinaktivierten Zellen resultierte in erhöhten Glycerol-3-phosphat Spiegeln und einer gesteigerten Triglycerid-Biosynthese. Die Analyse des zellulären ATP Gehalts und des Sauerstoffverbrauchs bei der mitochondrialen Atmung zeigte, dass sowohl die ATP Produktion als auch die mitochondriale Atmung in Abhängikeit der Lipolyse in PGP-defizienten Zellen erhöht waren. Unter hypoxischen Bedingungen, die zu einer Normalisierung der Zellproliferation führten, wiesen PGP-profiziente und -defiziente Zellen keinen Unterschied bezüglich ATP Produktion und mitochondrialer Atmung auf.
Wir vermuten deswegen, dass die Inhibierung der TPI-Aktivität durch PG-Anreicherung aufgrund ausbleibender Hydrolyse durch PGP zu einer Verschiebung des zellulären Energiehaushaltes von Seiten eines pro-proliferativ glykolytischen auf die Seite eines lipogenetisch/lipolytischen Metabolismus führt.
Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass PGP als eine metabolische Phosphatase Zellmigration, Zellproliferation wie auch den zellulären Energiehaushalt reguliert. Die vorliegende Arbeit stellt somit die Grundlage für weitere Untersuchungen an der Schnittschnelle dieser zellulären Prozesse dar und lässt auf eine wichtige Rolle von PGP im Glukose- und Lipidstoffwechsel im adulten Organismus schließen.
KW  - Phosphoglykolatphosphatase
KW  - Phosphoglykolat-Phosphatase
KW  - Maus
KW  - Cytologie
KW  - Physiologie
KW  - Phosphatasen
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-123847
ER  - 
TY  - THES
A1  - Romanov, Natalie
T1  - Characterizing Variation of Protein Complexes and Functional Modules on a Temporal Scale and across Individuals
T1  - Charakterisierung der Variation von Proteinkomplexen und funktionellen Modulen im zeitlichen Kontext und zwischen Individuen
N2  - A fundamental question in current biology concerns the translational mechanisms leading from genetic variability to phenotypes. Technologies have evolved to the extent that they can efficiently and economically determine an individual’s genomic composition, while at the same time big data on clinical profiles and diagnostics have substantially accumulated. Genome-wide association studies linking genomic loci to certain traits, however, remain limited in their capacity to explain the cellular mechanisms that underlie the given association. For most associations, gene expression has been blamed; yet given that transcript and protein abundance oftentimes do not correlate, that finding does not necessarily decrypt the underlying mechanism. Thus, the integration of further information is crucial to establish a model that could prove more accurate in predicting genotypic effects on the human organism. 
In this work we describe the so-called proteotype as a feature of the cell that could provide a substantial link between genotype and phenotype. Rather than looking at the proteome as a set of independent molecules, we demonstrate a consistent modular architecture of the proteome that is driven by molecular cooperativity. Functional modules, especially protein complexes, can be further interrogated for differences between individuals and tackled as imprints of genetic and environmental variability. We also show that subtle stoichiometric changes of protein modules could have broader effects on the cellular system, such as the transport of specific molecular cargos.
The presented work also delineates to what extent temporal events and processes influence the stoichiometry of protein complexes and functional modules. The re-wiring of the glycolytic pathway for example is illustrated as a potential cause for an increased Warburg effect during the ageing of the human bone marrow.  On top of analyzing protein abundances we also interrogate proteome dynamics in terms of stability and solubility transitions during the short temporal progression of the cell cycle. One of our main observations in the thesis encompass the delineation of protein complexes into respective sub-complexes according to distinct stability patterns during the cell cycle. This has never been demonstrated before, and is functionally relevant for our understanding of the dis- and assembly of large protein modules. 
The insights presented in this work imply that the proteome is more than the sum of its parts, and primarily driven by variability in entire protein ensembles and their cooperative nature. Analyzing protein complexes and functional modules as molecular reflections of genetic and environmental variations could indeed prove to be a stepping stone in closing the gap between genotype and phenotype and customizing clinical treatments in the future.
N2  - Eine fundamentale Frage in der heutigen biologischen Forschung ist durch welche Mechanismen eine gebenene genetische Variation sich in einem Phänotyp äußert. Etliche Technologien können heutzutage effizient und ökonomisch die genomische Komposition eines Individuals mit beispielloser Genaugikeit aufschlüsseln. Gleichzeitig gibt es wesentliche Erfolge und Bemühungen, große Datenmengen von Patienten zu sammeln, sowohl klinische Profile, als auch Diagnosen. Es gibt bereits mehrere genomweite Assoziationsstudien, die auf spezifische genomische Loci hinweisen, die womöglich einem bestimmenten phänotypischen Merkmalen zugrunde liegen. Obwohl für die meisten genetischen Assoziationen, eine veränderte Genexpression oftmals als Ursache diskutiert wird, ist dies wahrscheinlich nur ein Teil des zugrundeliegenden Mechanismus. Wir können dies annehmen, da RNA-Transkripte nicht unbedingt mit ihrem Protein-Produkt korrelieren aufgrund von post-transkriptioneller und translationeller Regulation. Um dementsprechend ein Modell zu etablieren, das die genotypischen Effekte auf den human Organismus akkurat vorhersagen kann, ist eine Integration von mehreren zellulären Informationsschichten notwendig. 
In der folgenden Arbeit beschreiben wir den sogenannten Proteotyp als ein zelluläres Merkmal, das eine substanzielle Verknüpfung zwischen dem Genotyp und dem Phänotyp eines Individuums schaffen könnte. Statt das Proteom als ein Set unabhängiger Moleküle zu betrachten, zeigen wir eine konsistent moduläre Architektur des Proteoms auf, das durch die molekulare Kooperativität zustande kommt. Funktionelle Module, v.a. Proteinkomplexe, können weiters auf  Unterschiede zwischen Individuen untersucht werden, sowie deren Variabilität aufgrund genetischer oder umweltbedingter Ursachen. Wir demonstrieren u.a. auch, dass leichte stöchiometrische Veränderungen in solchen Modulen zu weitläufigen Effekten im zellulären Haushalt führen können, z.B. im Transport von spezifischen Molekülen. 
Die vorgestellte Arbeit beschreibt allerdings auch inwieweit temporäre Ereignisse und Prozesse die Stöchiometrie von Proteinkomplexen und funktionellen Modulen beeinflussen. Wir zeigen z.B. auf, dass eine Veränderung in der glycolytischen Enzym-Stöchiometrie die Ursache für den Warburgeffekt in gealterten Zellen des humanen Knochenmarks  darstellen könnte. Neben der Analyse von Protein-Abundanzen untersucht die vorliegende Arbeit Proteomdynamik auch in Hinblick auf Stabilitäts- und Löslichkeitsveränderungen von Proteine in kürzeren Zeitabläufen wie den Zellzyklus. Wir können dabei feststellen, dass Untereinheiten von größeren Proteinkomplexen verschiedene Stabilitätsmuster aufweisen. Dies ist durchaus eine neue Erkennis, die weittragende Folgen für unser Verständnis des Ab- und Aufbauprozesses von Proteinkomplexen haben könnte.
Die Einblicke, die aus dieser Arbeit gewonnen werden können, implizieren in jedem Falle, dass das Proteom mehr als die Summe der Einzelteile darstellt, und hauptsächlich durch die Variabilität von gesamten Proteinensembls und deren Kooperativität bestimmt wird. Proteinkomplexe und funktionelle Module sollten daher als molekulare Reflektionen von genetisch- und umweltbedingter Variation betrachtet werden. Solch ein Perspektivenwechsel könnte damit die Möglichkeit bieten eine mechanistische Verknüpfung von Genotyp und Phänotyp zu gewährleisten, und ein Fundament für zukünftige individuell angepasste klinische Behandlungen darstellen.
KW  - Proteotype
KW  - Proteomics Analysis of Complexes
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-168139
ER  - 
TY  - THES
A1  - Krähnke, Martin
T1  - Chondrogenic differentiation of bone marrow-derived stromal cells in pellet culture and silk scaffolds for cartilage engineering – Effects of different growth factors and hypoxic conditions
T1  - Chondrogene Differenzierung von Stammzellen aus dem Knochenmark in Pelletkultur und Seidenimplantaten für die Knorpelregeneration - Effekte verschiedener Wachstumsfaktoren und hypoxischer Bedingungen
N2  - Articular cartilage lesions that occur upon intensive sport, trauma or degenerative disease represent a severe therapeutic problem. At present, osteoarthritis is the most common joint disease worldwide, affecting around 10% of men and 18% of women over 60 years of age (302). The poor self-regeneration capacity of cartilage and the lack of efficient therapeutic treatment options to regenerate durable articular cartilage tissue, provide the rationale for the development of new treatment options based on cartilage tissue engineering approaches (281). The integrated use of cells, biomaterials and growth factors to guide tissue development has the potential to provide functional substitutes of lost or damaged tissues (2,3). For the regeneration of cartilage, the availability of mesenchymal stromal cells (MSCs) or their recruitment into the defect site is fundamental (281). Due to their high proliferation capacity, the possibility to differentiate into chondrocytes and their potential to attract other progenitor cells into the defect site, bone marrow-derived mesenchymal stromal cells (BMSCs) are still regarded as an attractive cell source for cartilage tissue engineering (80). However, in order to successfully engineer cartilage tissue, a better understanding of basic principles of developmental processes and microenvironmental cues that guide chondrogenesis is required.
N2  - Verletzungen des Gelenkknorpels, die durch intensiven Sport, Trauma oder degenerative Krankheiten induziert wurden, stellen ein großes therapeutisches Problem dar. Heutzutage ist Arthrose die weltweit häufigste Gelenkerkrankung, die etwa 10% der männlichen und 18% der weiblichen Bevölkerung über 60 Jahre betrifft (302). Die geringe intrinsische Heilungskapazität von Knorpelgewebe und das Fehlen effizienter Behandlungsmethoden, um dauerhaften Gelenkknorpel zu erzeugen, bilden die Grundlage für die Entwicklung neuartiger Behandlungsmethoden auf Basis des Tissue Engineering (281). Hierbei verfügt speziell der integrierte Einsatz von Zellen, Biomaterialien und Wachstumsfaktoren über das Potential zerstörtes oder geschädigtes Gewebe zu ersetzen bzw. die Regeneration von neuem Gewebe zu fördern (2,3). Für die Regeneration von Knorpelgewebe ist vor allem die Verfügbarkeit von mesenchymalen Stammzellen (MSC) und deren Rekrutierung in die Defektzone von großer Bedeutung (281). Aufgrund ihrer hohen Proliferationsrate, der Fähigkeit in Chondrozyten zu differenzieren und des Potentials andere Vorläuferzellen in die Defektzone zu rekrutieren bilden MSCs auch heute noch einen attraktiven Ansatz im Knorpel-Tissue Engineering (80). Eine wichtige Voraussetzung für die erfolgreiche Entwicklung von Knorpelgewebe ist jedoch ein besseres Verständnis der grundlegenden Entwicklungsprozesse und der Einflussfaktoren der Mikroumgebung, die die Chondrogenese regulieren.
KW  - Hypoxie
KW  - Knorpelbildung
KW  - Tissue Engineering
KW  - Chondrogenesis
KW  - Hypoxia
KW  - Tissue Engineering
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-192999
ER  -