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Biodiversity, a multidimensional property of natural systems, is difficult to quantify partly because of the multitude of indices proposed for this purpose. Indices aim to describe general properties of communities that allow us to compare different regions, taxa, and trophic levels. Therefore, they are of fundamental importance for environmental monitoring and conservation, although there is no consensus about which indices are more appropriate and informative. We tested several common diversity indices in a range of simple to complex statistical analyses in order to determine whether some were better suited for certain analyses than others. We used data collected around the focal plant Plantago lanceolata on 60 temperate grassland plots embedded in an agricultural landscape to explore relationships between the common diversity indices of species richness (S), Shannon's diversity (H'), Simpson's diversity (D-1), Simpson's dominance (D-2), Simpson's evenness (E), and Berger-Parker dominance (BP). We calculated each of these indices for herbaceous plants, arbuscular mycorrhizal fungi, aboveground arthropods, belowground insect larvae, and P.lanceolata molecular and chemical diversity. Including these trait-based measures of diversity allowed us to test whether or not they behaved similarly to the better studied species diversity. We used path analysis to determine whether compound indices detected more relationships between diversities of different organisms and traits than more basic indices. In the path models, more paths were significant when using H', even though all models except that with E were equally reliable. This demonstrates that while common diversity indices may appear interchangeable in simple analyses, when considering complex interactions, the choice of index can profoundly alter the interpretation of results. Data mining in order to identify the index producing the most significant results should be avoided, but simultaneously considering analyses using multiple indices can provide greater insight into the interactions in a system.
Es konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, daß das olfaktorische Kurzzeitgedächtnis von Drosophila melanogaster in den Pilzkörpern lokalisiert ist. Zu Beginn dieser Doktorarbeit war bekannt, daß die Pilzkörper notwendig für das Geruchsgedächtnis sind. Drei unabhängige Methoden der Ablation bzw. Veränderung der biochemischen Eigenschaften der Pilzkörper hatten zu dem selben Ergebnis geführt, daß funktionierende Pilzkörper unentbehrlich für den Aufbau eines Geruchsgedächtnisses sind. Noch informativer als ein Experiment, in dem durch Zerstörung einer Struktur eine Leistung unmöglich gemacht wird ist der umgekehrte Weg, der durch einen gewebespezifischen „rescue“ die Leistung wiederherstellt. Dazu wurde in dieser Arbeit das wildtypische Allel des Gens rutabaga in rut-mutanten Fliegen mit Hilfe des Gal4/UAS-Systems ausschließlich in den Pilzkörpern, bzw., im Gegenexperiment, nur außerhalb der Pilzkörper zur Expression gebracht. rut kodiert für die Adenylatcyclase I, die mit synaptischer Plastizität bei Drosophila, Aplysia und Mäusen in Verbindung gebracht wird. Man geht davon aus, daß synaptische Plastizität die molekulare Grundlage für Lernen und Gedächtnis ist. Die AC I stellt cAMP her, dessen Menge und präzise Regulation die Übertragungsstärke an Neuronen beeinflußt. Eine Störung dieses Signalweges z. B. durch die rut-Mutation führt zu einer Beeinträchtigung des Gedächtnisses bei Drosophila. rut wurde mit Hilfe des in Drosophila etablierten Gal4/UAS-Systems exprimiert: Der gewebespezifisch aktive Hefe-Transkriptionsfaktor Gal4 führt dazu, daß das hinter einen Gal4-spezifischen UAS-Promotor klonierte wildtypische rut-Gen in denjenigen Zellen transkribiert wird, in denen der Transkriptionsfaktor vorhanden ist. Dies wurde in einer rut-Mutante durchgeführt, so daß in allen anderen Zellen keine funktionierende AC I vorhanden war. Die rut-abhängige synaptische Plastizität wurde damit ausschließlich auf die gewünschten Regionen beschränkt. Das Expressionsmuster der Gal4-Linien wurde durch Immuncytochemie (Anti-Tau) sichtbar gemacht. Diese Fliegen wurden in einem klassischen Konditionierungsexperiment auf ihr Geruchs-Gedächtnis untersucht. Dazu wurden einer Gruppe von Fliegen nacheinander 2 Gerüche präsentiert, von denen einer mit Elektroschocks gepaart war. Nach ca. 2 min konnten diese Fliegen sich für einen der beiden Gerüche entscheiden, die nun gleichzeitig aus 2 unterschiedlichen Richtungen dargeboten wurden. Je nach Lernleistung entschieden sich mehr oder weniger Fliegen für den vorher unbestraften Geruch. Es ergab sich, daß der Ort im Gehirn, an dem die wildtypische AC I exprimiert wurde, über die Höhe des Gedächtniswertes entschied: Die AC I ausschließlich in den Pilzkörpern gewährte ein völlig normales Gedächtnis, wogegen die AC I außerhalb der Pilzkörper das Gedächtnis nicht gegenüber der rut-Mutante verbessern konnte. Die Analyse der Expressionsverteilung von insgesamt 9 getesteten Fliegenlinien mißt überdies dem -Lobus des Pilzkörpers eine besondere Bedeutung bei und läßt den Schluß zu, daß das hier untersuchte Gedächtnis ausschließlich in den -Loben lokalisiert ist. Dieses erfolgreiche rut-„rescue“ - Experiment zeigt, daß rut-abhängige synaptische Plastizität ausschließlich in den Pilzkörpern ausreichend für ein wildtypisches Gedächtnis ist. Dieses Ergebnis vervollständigt die Erkenntnisse von den Pilzkörper-Ablationsexperimenten insofern, als nun die Aussage zutrifft, daß die Pilzkörper notwendig und hinreichend für das olfaktorische Kurzzeitgedächtnis sind.
In dieser Arbeit sollte die Funktion der Ribosomalen S6 Kinase 2 (RSK2) auf neuronaler Ebene untersucht werden. Dahingehend gab es, z.B. auf Grund der Phänotypen von Fliegen und Mäusen mit Mutationen im entsprechenden Gen oder von Patienten mit Coffin-Lowry-Syndrom (CLS) nur Vermutungen. Es bestand letztlich die Hoffnung, einen Beitrag zur Aufklärung der Pathophysiologie des CLS zu leisten. Es stellte sich auf Grund von Experimenten sowohl in vivo als auch in vitro in verschiedenen Modellsystemen in dieser Arbeit heraus, daß RSK2 einen negativen Einfluß auf das Neuriten- und Synapsenwachstum hat. In kultivierten Motoneuronen führte der KO von RSK2 zu längeren Axonen und die Überexpression eines konstitutiv aktiven RSK2-Konstrukts zu kürzeren Axonen. In PC12-Zellen führte die Expression von konstitutiv aktiven RSK2 Konstrukten zur Verkürzung der Neuriten und die Expression eines Kinase-inaktiven RSK2 Konstrukts zu längeren Neuriten. In vivo war die neuromuskuläre Synapse bei RSK2-KO Mäusen vergrößert und hatte bei Drosophila rsk Mutanten mehr Boutons. Das RSK2-Protein ist in Motoneuronen der Maus und in überexprimierter Form in den Boutons der neuromuskulären Synapse bei Drosophila nachweisbar. Damit wurde zum ersten Mal die Funktion von RSK2 auf neuronaler Ebene beschrieben. Bezüglich des Mechanismus, wie RSK2 das Nervenwachstum beeinflußt gab es deutliche Hinweise, die dafür sprechen, daß RSK2 dies über eine in der Literatur schon häufiger beschriebene Hemmung der MAPK ERK1/2 erreicht. Für diese Hypothese spricht die Tatsache, daß die ERK-Phosphorylierung in murinen Motoneuronen und im Rückenmark embryonaler Mäuse der RSK2-Mutante erhöht ist und der Axonwachstumsdefekt durch eine Hemmung von MEK/ERK behoben werden kann. Auch ist die ERK-Phosphorylierung an der murinen Muskel-Endplatte in der Mutante erhöht. Zudem zeigen genetische Epistasis-Experimente in Drosophila, daß RSK die Bouton-Zahl über ERK/RL hemmt. RSK scheint also in Drosophila von der Funktion her der RSK2-Isoform in Wirbeltieren sehr ähnlich zu sein. Ein weiteres wichtiges Ergebnis ist die Beobachtung, daß RSK2 bei Motoneuronen keinen wesentlichen Einfluß auf das Überleben der Zellen in Gegenwart neurotropher Faktoren hat. Möglicherweise spielen hier redundante Funktionen der RSK Familienmitglieder eine Rolle. Ein bislang unerklärter Befund ist die reduzierte Frequenz spontaner Depolarisationen bzw. damit einhergehender Ca2+ Einströme bei RSK2-KO Motoneuronen in Zellkultur. Die Häufigkeit und Dichte von Ca2+-Kanälen und aktive Zonen Proteinen war in Motoneuronen nicht von der Anwesenheit des RSK2-Proteins abhängig. Im Hippocampus konnte außerdem das RSK2-Protein präsynaptisch in den Moosfaser-Boutons der CA3 Region nachgewiesen werden. Es befindet sich auch in den Pyramidenzellen, aber nicht in den Pyramidenzell-Dendriten in CA3. Bezüglich der Bedeutung dieser Befunde für die Aufklärung der Pathologie des CLS ist zu folgern, daß der neuro-psychologische Phänotyp bei CLS Patienten wahrscheinlich nicht durch reduziertes Überleben von Neuronen, sondern eher durch disinhibiertes Axonwachstum oder Synapsenwachstum bedingt ist. Dies kann grob sowohl für die peripheren als auch die zentralen Defekte gelten, denn die Synapsen im ZNS und am Muskel sind in ihrer molekularen Ausstattung z.B. im Bereich der Vesikel, der aktiven Zonen oder der Transmitterausschüttung sehr ähnlich. Weiterhin könnte eine veränderte synaptische Plastizität u.a. an der Moosfaser-Pyramidenzell-Synapse in der CA3 Region des Hippocampus eine Rolle bei den kognitiven und mnestischen Einschränkungen der Patienten spielen. Die Entdeckung, daß aktiviertes ERK bei den beobachteten Effekten eine Rolle spielt kann für die Entwicklung von Therapiestrategien eine wertvolle Erkenntnis sein.
Background:
In head and neck cancer little is known about the kinetics of osteopontin (OPN) expression after tumor resection. In this study we evaluated the time course of OPN plasma levels before and after surgery.
Methods:
Between 2011 and 2013 41 consecutive head and neck cancer patients were enrolled in a prospective study (group A). At different time points plasma samples were collected: T0) before, T1) 1 day, T2) 1 week and T3) 4 weeks after surgery. Osteopontin and TGFβ1 plasma concentrations were measured with a commercial ELISA system. Data were compared to 131 head and neck cancer patients treated with primary (n = 42) or postoperative radiotherapy (n = 89; group B1 and B2).
Results:
A significant OPN increase was seen as early as 1 day after surgery (T0 to T1, p < 0.01). OPN levels decreased to base line 3-4 weeks after surgery. OPN values were correlated with postoperative TGFβ1 expression suggesting a relation to wound healing. Survival analysis showed a significant benefit for patients with lower OPN levels both in the primary and postoperative radiotherapy group (B1: 33 vs 11.5 months, p = 0.017, B2: median not reached vs 33.4, p = 0.031). TGFβ1 was also of prognostic significance in group B1 (33.0 vs 10.7 months, p = 0.003).
Conclusions:
Patients with head and neck cancer showed an increase in osteopontin plasma levels directly after surgery. Four weeks later OPN concentration decreased to pre-surgery levels. This long lasting increase was presumably associated to wound healing. Both pretherapeutic osteopontin and TGFβ1 had prognostic impact.
Hydrogels are key components in bioink formulations to ensure printability and stability in biofabrication. In this study, a well-known Diels-Alder two-step post-polymerization modification approach is introduced into thermogelling diblock copolymers, comprising poly(2-methyl-2-oxazoline) and thermoresponsive poly(2-n-propyl-2-oxazine). The diblock copolymers are partially hydrolyzed and subsequently modified by acid/amine coupling with furan and maleimide moieties. While the thermogelling and shear-thinning properties allow excellent printability, trigger-less cell-friendly Diels-Alder click-chemistry yields long-term shape-fidelity. The introduced platform enables easy incorporation of cell-binding moieties (RGD-peptide) for cellular interaction. The hydrogel is functionalized with RGD-peptides using thiol-maleimide chemistry and cell proliferation as well as morphology of fibroblasts seeded on top of the hydrogels confirm the cell adhesion facilitated by the peptides. Finally, bioink formulations are tested for biocompatibility by incorporating fibroblasts homogenously inside the polymer solution pre-printing. After the printing and crosslinking process good cytocompatibility is confirmed. The established bioink system combines a two-step approach by physical precursor gelation followed by an additional chemical stabilization, offering a broad versatility for further biomechanical adaptation or bioresponsive peptide modification.
Gene expression requires tight coordination of the molecular machineries that mediate transcription and splicing. While the interplay between transcription kinetics and spliceosome fidelity has been investigated before, less is known about mechanisms regulating the assembly of the spliceosomal machinery in response to transcription changes. Here, we report an association of the Smn complex, which mediates spliceosomal snRNP biogenesis, with the 7SK complex involved in transcriptional regulation. We found that Smn interacts with the 7SK core components Larp7 and Mepce and specifically associates with 7SK subcomplexes containing hnRNP R. The association between Smn and 7SK complexes is enhanced upon transcriptional inhibition leading to reduced production of snRNPs. Taken together, our findings reveal a functional association of Smn and 7SK complexes that is governed by global changes in transcription. Thus, in addition to its canonical nuclear role in transcriptional regulation, 7SK has cytosolic functions in fine-tuning spliceosome production according to transcriptional demand.
The factors determining gradients of biodiversity are a fundamental yet unresolved topic in ecology. While diversity gradients have been analysed for numerous single taxa, progress towards general explanatory models has been hampered by limitations in the phylogenetic coverage of past studies. By parallel sampling of 25 major plant and animal taxa along a 3.7 km elevational gradient on Mt. Kilimanjaro, we quantify cross-taxon consensus in diversity gradients and evaluate predictors of diversity from single taxa to a multi-taxa community level. While single taxa show complex distribution patterns and respond to different environmental factors, scaling up diversity to the community level leads to an unambiguous support for temperature as the main predictor of species richness in both plants and animals. Our findings illuminate the influence of taxonomic coverage for models of diversity gradients and point to the importance of temperature for diversification and species coexistence in plant and animal communities.
Analysis of a multi-component multi-stage malaria vaccine candidate—tackling the cocktail challenge
(2015)
Combining key antigens from the different stages of the P. falciparum life cycle in the context of a multi-stage-specific cocktail offers a promising approach towards the development of a malaria vaccine ideally capable of preventing initial infection, the clinical manifestation as well as the transmission of the disease. To investigate the potential of such an approach we combined proteins and domains (11 in total) from the pre-erythrocytic, blood and sexual stages of P. falciparum into a cocktail of four different components recombinantly produced in plants. After immunization of rabbits we determined the domain-specific antibody titers as well as component-specific antibody concentrations and correlated them with stage specific in vitro efficacy. Using purified rabbit immune IgG we observed strong inhibition in functional in vitro assays addressing the pre-erythrocytic (up to 80%), blood (up to 90%) and sexual parasite stages (100%). Based on the component-specific antibody concentrations we calculated the IC50 values for the pre-erythrocytic stage (17–25 μg/ml), the blood stage (40–60 μg/ml) and the sexual stage (1.75 μg/ml). While the results underline the feasibility of a multi-stage vaccine cocktail, the analysis of component-specific efficacy indicates significant differences in IC50 requirements for stage-specific antibody concentrations providing valuable insights into this complex scenario and will thereby improve future approaches towards malaria vaccine cocktail development regarding the selection of suitable antigens and the ratios of components, to fine tune overall and stage-specific efficacy.
Genome wide association meta-analysis identified ST3GAL3, a gene encoding the beta-galactosidase-alpha-2,3-sialyltransferase-III, as a risk gene for attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD). Although loss-of-function mutations in ST3GAL3 are implicated in non-syndromic autosomal recessive intellectual disability (NSARID) and West syndrome, the impact of ST3GAL3 haploinsufficiency on brain function and the pathophysiology of neurodevelopmental disorders (NDDs), such as ADHD, is unknown. Since St3gal3 null mutant mice display severe developmental delay and neurological deficits, we investigated the effects of partial inactivation of St3gal3 in heterozygous (HET) knockout (St3gal3±) mice on behavior as well as expression of markers linked to myelination processes and sialylation pathways. Our results reveal that male St3gal3 HET mice display cognitive deficits, while female HET animals show increased activity, as well as increased cognitive control, compared to their wildtype littermates. In addition, we observed subtle alterations in the expression of several markers implicated in oligodendrogenesis, myelin formation, and protein sialylation as well as cell adhesion/synaptic target glycoproteins of ST3GAL3 in a brain region- and/or sex-specific manner. Taken together, our findings indicate that haploinsufficiency of ST3GAL3 results in a sex-dependent alteration of cognition, behavior and markers of brain plasticity.
Given its non-invasive nature, there is increasing interest in the use of transcutaneous vagus nerve stimulation (tVNS) across basic, translational and clinical research. Contemporaneously, tVNS can be achieved by stimulating either the auricular branch or the cervical bundle of the vagus nerve, referred to as transcutaneous auricular vagus nerve stimulation(VNS) and transcutaneous cervical VNS, respectively. In order to advance the field in a systematic manner, studies using these technologies need to adequately report sufficient methodological detail to enable comparison of results between studies, replication of studies, as well as enhancing study participant safety. We systematically reviewed the existing tVNS literature to evaluate current reporting practices. Based on this review, and consensus among participating authors, we propose a set of minimal reporting items to guide future tVNS studies. The suggested items address specific technical aspects of the device and stimulation parameters. We also cover general recommendations including inclusion and exclusion criteria for participants, outcome parameters and the detailed reporting of side effects. Furthermore, we review strategies used to identify the optimal stimulation parameters for a given research setting and summarize ongoing developments in animal research with potential implications for the application of tVNS in humans. Finally, we discuss the potential of tVNS in future research as well as the associated challenges across several disciplines in research and clinical practice.