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While gene expression is a fundamental and tightly controlled cellular process that is regulated at multiple steps, the exact contribution of each step remains unknown in any organism. The absence of transcription initiation regulation for RNA polymerase II in the protozoan parasite Trypanosoma brucei greatly simplifies the task of elucidating the contribution of translation to global gene expression. Therefore, we have sequenced ribosome-protected mRNA fragments in T. brucei, permitting the genome-wide analysis of RNA translation and translational efficiency. We find that the latter varies greatly between life cycle stages of the parasite and ∼100-fold between genes, thus contributing to gene expression to a similar extent as RNA stability. The ability to map ribosome positions at sub-codon resolution revealed extensive translation from upstream open reading frames located within 5' UTRs and enabled the identification of hundreds of previously un-annotated putative coding sequences (CDSs). Evaluation of existing proteomics and genome-wide RNAi data confirmed the translation of previously un-annotated CDSs and suggested an important role for >200 of those CDSs in parasite survival, especially in the form that is infective to mammals. Overall our data show that translational control plays a prevalent and important role in different parasite life cycle stages of T. brucei.
The superfamiliy of bees, Apiformes, comprises more than 20,000 species. Within the group, the eusocial species like honeybees and bumblebees are receiving increased attention due to their outstanding importance for pollination of many crop and wild plants, their exceptional eusocial lifestyle and complex behavioral repertoire, which makes them an interesting invertebrate model to study mechanisms of sensory perception, learning and memory. In bees and most animals, vision is one of the major senses since almost every living organism and many biological processes depend on light energy. Bees show various forms of vision, e.g. color vision, achromatic vision or polarized vision in order to orientate in space, recognize mating partners, detect suitable nest sites and search for rewarding food sources. To catch photons and convert light energy into electric signals, bees possess compound eyes which consists of thousands of single ommatidia comprising a fixed number of photoreceptors; they are characterized by a specific opsin protein with distinct spectral sensitivity. Different visual demands, e.g. the detection of a single virgin queen by a drone, or the identification and discrimination of flowers during foraging bouts by workers, gave rise to the exceptional sex-specific morphology and physiology of male and female compound eyes in honeybees. Since Karl von Frisch first demonstrated color vision in honeybees more than 100 years ago, much effort has been devoted to gain insight into the molecular, morphological and physiological characteristics of (sex-specific) bee compound eyes and the corresponding photoreceptors. However, to date, almost nothing is known about the underlying mechanisms during pupal development which pattern the retina and give rise to the distinct photoreceptor distribution. Hence, in Chapter 2 and 3 I aimed to better understand the retinal development and photoreceptor determination in the honeybee eye. In a first step, the intrinsic temporal expression pattern of opsins within the retina was evaluated by quantifying opsin mRNA expression levels during the pupal phase of honeybee workers and drones. First results revealed that honeybee workers and drones express three different opsin genes, UVop, BLop and Lop1 during pupal development which give rise to an ultraviolet, blue, and green-light sensitive photoreceptor. Moreover, opsin expression patterns differed between both sexes and the onset of a particular opsin occurred at different time points during retinal development. Immunostainings of the developing honeybee retina in Chapter 2 showed that at the beginning of pupation the retina consist only of a thin hypodermis. However, at this stage all retinal structures are already present. From about mid of pupation, opsin expression levels increase and goes hand in hand with the differentiation of the rhabdoms, suggesting a two-step process in photoreceptor development and differentiation in the honeybee compound eye. In a first step the photoreceptor cells meet its fate during late pupation; in a second step, the quantity of opsin expression in each photoreceptor strongly increase up to the 25-fold shortly after eclosion. To date, the underlying mechanisms leading to different photoreceptor types have been intensively studied in the fruit fly, Drosophila melanogaster, and to some extend in butterflies. Interestingly, the molecular mechanisms seemed to be conserved within insects and e.g. the two transcription factors, spalt and spineless, which have been shown to be essential for photoreceptor determination in flies and butterflies, have been also identified in the honeybee. In chapter 3, I investigated the expression patterns of both transcription factors during pupal development of honeybee workers and showed that spalt is mainly expressed during the first few pupal stages which might correlate with the onset of BLop expression. Further, spineless showed a prominent peak at mid of pupation which might initiates the expression of Lop1. However, whether spalt and spineless are also essential for photoreceptor determination in the honeybee has still to be investigated, e.g. by a knockdown/out of the respective transcription factor during retinal development which leads to a spectral phenotype, e.g. a dichromatic eye. Such spectral phenotypes can then be tested in behavioral experiments in order to test the function of specific photoreceptors for color perception and the entrainment of the circadian clock. In order to evaluate the color discrimination capabilities of bees and the quality of color perception, a reliable behavioral experiment under controlled conditions is a prerequisite. Hence, in chapter 4, I aimed to establish the visual PER paradigm as a suitable method for behaviorally testing color vision in bees. Since PER color vision has considered to be difficult in bees and was not successful in Western honeybees without ablating the bee’s antennae or presenting color stimuli in combination with other cues for several decades, the experimental setup was first established in bumblebees which have been shown to be robust and reliable, e.g. during electrophysiological recordings. Workers and drones of the bufftailed bumblebee, Bombus terrestris were able to associate different monochromatic light stimuli with a sugar reward and succeeded in discriminating a rewarded color stimulus from an unrewarded color stimulus. They were also able to retrieve the learned stimulus after two hours, and workers successfully transferred the learned information to a new behavioral context. In the next step, the experimental setup was adapted to honeybees. In chapter 5, I tested the setup in two medium-sized honeybees, the Eastern honeybee, Apis cerana and the Western honeybee, Apis mellifera. Both honeybee species were able to associate and discriminate between two monochromatic light stimuli, blue and green light, with peak sensitivities of 435 nm and 528 nm. Eastern and Western honeybees also successfully retrieve the learned stimulus after two hours, similar to the bumblebees. Visual conditioning setups and training protocols in my study significantly differed from previous studies using PER conditioning. A crucial feature found to be important for a successful visual PER conditioning is the duration of the conditioned stimulus presentation. In chapter 6, I systematically tested different length of stimuli presentations, since visual PER conditioning in earlier studies tended to be only successful when the conditioned stimulus is presented for more than 10 seconds. In this thesis, intact honeybee workers could successfully discriminate two monochromatic lights when the stimulus was presented 10 s before reward was offered, but failed, when the duration of stimulus presentation was shorter than 4 s. In order to allow a more comparable conditioning, I developed a new setup which includes a shutter, driven by a PC based software program. The revised setup allows a more precise and automatized visual PER conditioning, facilitating performance levels comparable to olfactory conditioning and providing now an excellent method to evaluate visual perception and cognition of bees under constant and controlled conditions in future studies.
Die Pilzkörper von Drosophila melanogaster stellen eine für die Lebensfähigkeit dieses Organismus entbehrliche Gehirnstruktur dar. Die Entwicklungsprozesse, die der Bildung dieser zentralnervösen Struktur zugrunde liegen, sind gut erforscht. Die neuronalen Stammzellen, die für die Bildung dieser Gehirnstruktur verantwortlich sind, sind identifiziert und experimentell gut zugänglich. Daher bietet sich die Drosophila-Pilzkörperentwicklung als neurogenetisches Modellsystem an, grundlegende Mechanismen der Gehirnentwicklung durch die Untersuchung von Pilzkörperstrukturmutanten zu erforschen. In dieser Arbeit wurde mushroom bodies undersized P1 (mbuP1) als eine durch Transposon- Insertion in den Casein-Kinase-2ß-Genlokus verursachte, hypomorphe Mutation identifiziert, die zu einer starken Verringerung der Anzahl der die Pilzkörper bildenden intrinsischen Neurone führt. Eine Reversion des mbuP1-Pilzkörperphänotyps konnte unter anderem durch die Expression von Casein-Kinase-2ß-(CK2ß)-Transgenen im mbuP1-Hintergrund erzielt werden. Durch Rekombination wurde ein fertiler mbuP1-Stamm etabliert, der nun die Untersuchung der zellulären mbuP1-Defekte ermöglicht. Eine partielle, letale Deletion der CK2ß-Transkriptionseinheit wurde erzeugt. Die Letalität dieser Deletion konnte sowohl durch ein genomisches CK2ß-Transgen als auch durch die ubiquitäre Expression einer CK2ß-cDNA gerettet, und hierdurch die essentielle Funktion der CK2ß-Transkriptionseinheit in Drosophila belegt werden. Durch die ubiquitäre Expression von in vitro-mutagenisierten CK2ß-cDNAs im CK2ß-Letalhintergrund wurde gezeigt, daß die Phosphorylierung der regulatorischen CK2ß-Untereinheit durch die katalytisch aktive CK2α-Untereinheit kein lebensnotwendiger Prozess ist. Gleichartige Experimente wurden zur Untersuchung der funktionellen Bedeutung eines CK2ß-Zinkfingermotivs und eines CK2ß-Destruction-Box-Motivs durchgeführt. Diese legen nahe, daß das Zinkfingermotiv im Gegensatz zum Destruction-Box-Motiv für die in vivo-Funktion der CK2ß-Untereinheit essentiell ist. Expression der in vitro-mutagenisierten CK2ß-cDNAs im mbuP1-Hintergrund werden die funktionelle Bedeutung der ausgetauschten Aminosäuren für die Pilzkörperentwicklung zeigen. Eine letale genetische Interaktion von mbuP1 mit einer Mutation des Drosophila-MAP-Kinase-Gens rolled (rlSem) und eine lebensfähige Interaktion von mbuP1 mit einer Mutation des Drosophila-S6-Kinase-p90rsk-Gens ignorant (ignP1), bei der Flügel- und Augenent-wicklungsdefekte zu beobachten sind, wurden gefunden. Es wurde zudem gezeigt, daß rlSem als Suppressor des Pilzkörperphänotyps eines schwächeren mbu-Allels wirkt. Hierdurch konnte eine Beteiligung der Casein-Kinase-2 an MAP-Kinase-Signalübertragungswegen wahrscheinlich gemacht werden.
The work presented in this thesis covers the effects of early-life adversity in the context of altered serotonin (5-HT; 5-hydroxytryptamine) system functioning in mice. The main body is focussing on a screening approach identifying molecular processes, potentially involved in distinct behavioural manifestations that emerge from or are concomitant with early adversity and, with regard to some behavioural manifestations, dependent on the functioning of the 5-HT system.
Ziel: Durch physiotherapeutische Stimulation sehr kleiner Frühgeborener (FG) ab dem 5. Lebenstag bis zur korrigierten 4. Lebenswoche soll im Vergleich mit Frühgeborenen, die gezielt erst ab vierter korrigierter Lebenswoche Physiotherapie erhielten, eine Verbesserung der neurovegetativen, statomotorischen und perzeptiven Entwicklung erreicht und gegebenenfalls der langfristige Bedarf an Krankengymnastik reduziert werden. Methode: In einer randomisierten, prospektiven Studie an 125 Neugeborenen mit einem Gestationsalter (GA) von < 33 Wochen wurde der Einfluss einer Stimulation nach Vojta untersucht. Die Patienten wurden nach ihrer Geburt zwischen Januar 2001 und März 2004 auf der Intensivstation der Kinderklinik Frankfurt/Main-Höchst behandelt und wiesen außer ihrer Unreife keine zusätzlichen schwer wiegenden Erkrankungen auf. Eine Stimulationsgruppe (n=61) wurde nach festgelegtem Protokoll zweimal (mindestens einmal) täglich stimuliert, während die Kontrollgruppe (n=64) keine Stimulation erhielt. Der stationäre Behandlungsverlauf wurde dokumentiert, dabei wurden Parameter wie Apnoen, Bradykardien, Beatmungsdauer, Sauerstoffbedarf, parenterale oder orale Ernährung gesondert ausgewertet. Mit Vollendung der 36. Gestationswoche und im korrigierten Alter von 4 Wochen wurden alle Kinder von zwei neuropädiatrisch ausgebildeten Fachärztinnen ohne Kenntnis der Gruppenzugehörigkeit untersucht (kinesiologische und neurologische Untersuchung nach VOJTA). Bei der Untersuchung im korrigierten Alter von 4 Wochen wurde von denselben Ärztinnen entschieden, welche Kinder beider Gruppen Physiotherapien benötigten. Für die Kinder aus der Kontrollgruppe bedeutete das einen Ersteinstieg in die Krankengymnastik auf neurophysiologischer Grundlage nach Vojta, bei der Stimulationsgruppe wurde von der VOJTA-Stimulation auf VOJTA-Therapie umgestellt. Die weiteren Untersuchungen fanden im korrigierten Alter von 3, 6, 9, 12, 18 und 24 Monaten statt und wurden mit 12, 18 und 24 Monaten durch die Münchener funktionelle Entwicklungsdiagnostik ergänzt. An der letzten Untersuchung mit 24 Monaten nahmen noch 45 Kinder der Stimulationsgruppe und 40 Kinder der Kontrollgruppe teil. Folgende Parameter wurden in beiden Gruppen statistisch ausgewertet: Dynamik der Entwicklung der Reflexe, Zahl der abnormen Lagereaktionen und Teilmuster, Asymmetrien, krankengymnastische Behandlung sowie die verschiedenen Ergebnisse der Entwicklungsdiagnostik in Abhängigkeit von der jeweiligen Altersstufe und getrennt nach 50. und 95. Perzentile. Ergebnis: Im Durchschnitt entsprachen Entwicklung und neurologische Befunde dem korrigierten Lebensalter, signifikante Unterschiede zwischen Stimulations- und Kontrollgruppe zeigten sich nicht. Allerdings war ein deutlich (wenn auch nicht signifikant) höherer Anteil Asymmetrien in der Gruppe derjenigen Frühgeborenen zu erkennen, die erst mit Beginn der korrigierten 4. Lebenswoche in Behandlung genommen worden waren. Fazit: Die Stimulation kleiner FG (GA < 33 Wochen) ab der 2. bis zur korrigierten 4. Lebenswoche nach VOJTA ergibt im Vergleich zu Kindern mit späterem Therapiebeginn keine signifikante Verbesserung neurologischer oder entwicklungsdiagnostischer Befunde bis zur Vollendung des 2. Lebensjahres, immerhin aber normalisieren sich frühstimulierte Frühgeborene mit Asymmetrien im Verlauf des ersten Lebensjahres häufiger. Die Häufigkeit der krankengymnastischen Behandlung konnte insgesamt nicht signifikant gesenkt werden. Zu berücksichtigen bleibt, dass hier eine hoch selektierte Frühgeborenenpopulation (Ausschluss von Frühgeborenen mit Komplikationen wie z. B. Hirnblutungen II. Grades) untersucht wurde – ob bei Frühgeborenen mit zusätzlichen Risikofaktoren andere Ergebnisse zu erzielen wären, sollte in weiteren Untersuchungen geklärt werden.
The eukaryotic parasite Trypanosoma brucei has evolved sophisticated strategies to persist within its mammalian host. Trypanosomes evade the hosts' immune system by antigenic variation of their surface coat, consisting of variant surface glycoproteins (VSGs). Out of a repertoire of thousands of VSG genes, only one is expressed at any given time from one of the 15 telomeric expression sites (ES). The VSG is stochastically exchanged either by a transcriptional switch of the active ES (in situ switch) or by a recombinational exchange of the VSG within the active ES. However, for infections to persist, the parasite burden has to be limited. The slender (sl) bloodstream form secretes the stumpy induction factor (SIF), which accumulates with rising parasitemia. SIF induces the irreversible developmental transition from the proliferative sl to the cell cycle-arrested but fly-infective stumpy (st) stage once a concentration threshold is reached. Thus, antigenic variation and st development ensure persistent infections and transmissibility. A previous study in monomorphic cells indicated that the attenuation of the active ES could be relevant for the development of trypanosomes. The present thesis investigated this hypothesis using the inducible overexpression of an ectopic VSG in pleomorphic trypanosomes, which possess full developmental competence. These studies revealed a surprising phenotypic plasticity: while the endogenous VSG was always down-regulated upon induction, the ESactivity determined whether the VSG overexpressors arrested in growth or kept proliferating. Full ES-attenuation induced the differentiation of bona fide st parasites independent of the cell density and thus represents the sole natural SIF-independent differentiation trigger to date. A milder decrease of the ES-activity did not induce phenotypic changes, but appeared to prime the parasites for SIF-induced differentiation. These results demonstrate that antigenic variation and development are linked and indicated that the ES and the VSG are independently regulated. Therefore, I investigated in the second part of my thesis how ES-attenuation and VSG-silencing can be mediated. Integration of reporters with a functional or defective VSG 3'UTR into different genomic loci showed that the maintenance of the active state of the ES depends on a conserved motif within the VSG 3'UTR. In situ switching was only triggered when the telomere-proximal motif was partially deleted, suggesting that it serves as a DNA-binding motif for a telomere-associated protein. The VSG levels seem to be additionally regulated in trans based on the VSG 3'UTR independent of the genomic context, which was reinforced by the regulation of a constitutively expressed reporter with VSG 3' UTR upon ectopic VSG overexpression.