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- Institut für Pharmazie und Lebensmittelchemie (24)
- Institut für Molekulare Infektionsbiologie (22)
Schriftenreihe
Sonstige beteiligte Institutionen
- Center for Interdisciplinary Clinical Research, Würzburg University, Würzburg, Germany (2)
- Orthopädische Klinik und Poliklinik der Universität Würzburg (2)
- Bavarian Center for Applied Energy Research (ZAE Bayern), 97074 Würzburg, Germany (1)
- Biomedizinische NMR Forschungs GmbH am Max-Planck-Institut fuer biophysikalische Chemie (1)
- Blindeninstitut, Ohmstr. 7, 97076, Wuerzburg, Germany (1)
- Comprehensive Cancer Center Mainfranken, University Hospital Würzburg, Würzburg, Germany (1)
- DNA Analytics Core Facility, Biocenter, University of Wuerzburg, Wuerzburg, Germany (1)
- Deakin University, Australia (1)
- Department of Pediatrics, Pediatrics I, Innsbruck Medical University, Anichstr. 35, 6020, Innsbruck, Austria (1)
- EMBL, Structural and Computational Biology Unit, Heidelberg, Germany (1)
ResearcherID
- D-1250-2010 (1)
- N-7500-2014 (1)
Background
Fabry disease is an inborn lysosomal storage disorder which is associated with small fiber neuropathy. We set out to investigate small fiber conduction in Fabry patients using pain-related evoked potentials (PREP).
Methods
In this case–control study we prospectively studied 76 consecutive Fabry patients for electrical small fiber conduction in correlation with small fiber function and morphology. Data were compared with healthy controls using non-parametric statistical tests. All patients underwent neurological examination and were investigated with pain and depression questionnaires. Small fiber function (quantitative sensory testing, QST), morphology (skin punch biopsy), and electrical conduction (PREP) were assessed and correlated. Patients were stratified for gender and disease severity as reflected by renal function.
Results
All Fabry patients (31 men, 45 women) had small fiber neuropathy. Men with Fabry disease showed impaired cold (p < 0.01) and warm perception (p < 0.05), while women did not differ from controls. Intraepidermal nerve fiber density (IENFD) was reduced at the lower leg (p < 0.001) and the back (p < 0.05) mainly of men with impaired renal function. When investigating A-delta fiber conduction with PREP, men but not women with Fabry disease had lower amplitudes upon stimulation at face (p < 0.01), hands (p < 0.05), and feet (p < 0.01) compared to controls. PREP amplitudes further decreased with advance in disease severity. PREP amplitudes and warm (p < 0.05) and cold detection thresholds (p < 0.01) at the feet correlated positively in male patients.
Conclusion
Small fiber conduction is impaired in men with Fabry disease and worsens with advanced disease severity. PREP are well-suited to measure A-delta fiber conduction.
Die Bcl-2-Familienmitglieder A1 und sein humanes Homolog Bfl-1 gewährleisten das Überleben der Zelle. Gleichzeitig trägt eine Dysregulation der Expression von A1/ Bfl-1 zur Krebsentstehung bei. Die Stabilität von A1/ Bfl-1 wird durch deren Ubiquitinylierung sowie die anschließende proteosomale Degradation gesteuert. Mit Hilfe eines Yeast-Two-Hybrid-Screens wurde die E3-Ubiquitinligase HectD1 als potentieller Interaktionspartner von A1/ Bfl-1 identifiziert. Die Interaktion von A1 und HectD1 des Yeast-Two-Hybrid-Screens konnte in Säugerzellen bestätigt werden. Desweiteren konnte gezeigt werden, dass lediglich 87 Aminosäuren für eine Interaktion von HectD1 und A1 nötig sind. Da membrangebundenes HectD1 zu einer Translokation von zytosolischem A1 an die Zellmembran führt, kann man davon ausgehen, dass beide Proteine auch in vivo miteinander interagieren. Eine dominant negative HectD1-Mutante schließlich beeinflusst die Ubiqutinylierung von A1 und führt somit zu dessen Stabilisierung. Diese Daten legen nahe, dass HectD1 ein wichtiger negativer Regulator von A1/ Bfl-1 ist und dass HectD1 für die Regulierung der A1/ Bfl-1-Proteinmenge in (Krebs)zellen sehr wichtig ist.
Profiling the Cross Reactivity of Ubiquitin with the Nedd8 Activating Enzyme by Phage Display
(2013)
The C-terminal peptides of ubiquitin (UB) and UB-like proteins (UBLs) play a key role in their recognition by the specific activating enzymes (E1s) to launch their transfer through the respective enzymatic cascades thus modifying cellular proteins. UB and Nedd8, a UBL regulating the activity of cullin-RING UB ligases, only differ by one residue at their C-termini; yet each has its specific E1 for the activation reaction. It has been reported recently that UAE can cross react with Nedd8 to enable its passage through the UB transfer cascade for protein neddylation. To elucidate differences in UB recognition by UAE and NAE, we carried out phage selection of a UB library with randomized C-terminal sequences based on the catalytic formation of UB similar to NAE thioester conjugates. Our results confirmed the previous finding that residue 72 of UB plays a "gate-keeping" role in E1 selectivity. We also found that diverse sequences flanking residue 72 at the UB C-terminus can be accommodated by NAE for activation. Furthermore heptameric peptides derived from the C-terminal sequences of UB variants selected for NAE activation can function as mimics of Nedd8 to form thioester conjugates with NAE and the downstream E2 enzyme Ubc12 in the Nedd8 transfer cascade. Once the peptides are charged onto the cascade enzymes, the full-length Nedd8 protein is effectively blocked from passing through the cascade for the critical modification of cullin. We have thus identified a new class of inhibitors of protein neddylation based on the profiles of the UB C-terminal sequences recognized by NAE.
Functional magnetic resonance imaging (fMRI) has become a powerful and influential method to non-invasively study neuronal brain activity. For this purpose, the blood oxygenation level-dependent (BOLD) effect is most widely used. T2* weighted echo planar imaging (EPI) is BOLD sensitive and the prevailing fMRI acquisition technique. Here, we present an alternative to its standard Cartesian recordings, i.e. k-space density weighted EPI, which is expected to increase the signal-to-noise ratio in fMRI data. Based on in vitro and in vivo pilot measurements, we show that fMRI by k-space density weighted EPI is feasible and that this new acquisition technique in fact boosted spatial and temporal SNR as well as the detection of local fMRI activations. Spatial resolution, spatial response function and echo time were identical for density weighted and conventional Cartesian EPI. The signal-to-noise ratio gain of density weighting can improve activation detection and has the potential to further increase the sensitivity of fMRI investigations.
Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) stellt bei modernen Bildgebungstechniken in der Magnetresonanz-Tomographie heutzutage oftmals die entscheidende Limitation dar. Eine Verbesserung durch Modifikation der Hardware ist kostspielig und führt meistens zu einer Verstärkung anderer Probleme, wie zum Beispiel erhöhte Energiedeposition ins Gewebe. Im Gegensatz dazu ist Dichtegewichtung eine Methode, die eine SNR-Erhöhung durch Modifikation der Aufnahmetechnik ermöglicht. In der MR-Bildgebung erfolgt oftmals eine retrospektive Filterung des aufgenommenen Signalverlaufs, beispielsweise zur Artefaktreduktion. Damit einhergehend findet eine Veränderung der Modulationstransferfunktion (MTF) bzw. ihrer Fouriertransformierten, der räumlichen Antwortfunktion (SRF), statt. Optimales SNR wird nach dem Matched Filter-Theorem erzielt, wenn die nachträgliche Filterung dem aufgenommenen Signalverlauf proportional ist. Dies steht dem Ziel der Artefaktreduktion entgegen. Bei Dichtegewichtung steht durch nicht-kartesische Abtastung des k-Raums mit der k-Raum-Dichte ein zusätzlicher Freiheitsgrad zur Verfügung. Dieser ermöglicht es, im Falle eines konstanten Signalverlaufs eine gewünschte MTF ohne Filterung zu erreichen. Bei veränderlichem Signalverlauf kann ein SNR Matched Filter angewendet werden, dessen negative Einflüsse auf die MTF durch Dichtegewichtung kompensiert werden. Somit ermöglicht Dichtegewichtung eine vorgegebene MTF und gleichzeitig ein optimales SNR. In der vorliegenden Arbeit wurde Dichtegewichtung erstmals bei den schnellen Multi-Echo-Sequenzen Turbo-Spin-Echo und Echoplanar-Bildgebung (EPI) angewendet. Im Gegensatz zu bisherigen Implementierungen muss hier der Signalabfall durch T2- bzw. T2*-Relaxation berücksichtigt werden. Dies führt dazu, dass eine prospektiv berechnete dichtegewichtete Verteilung nur bei einer Relaxationszeit optimal ist. Bei Geweben mit abweichenden Relaxationszeiten können sich wie auch bei den kartesischen Varianten dieser Sequenzen Änderungen an SRF und SNR ergeben. Bei dichtegewichteter Turbo-Spin-Echo-Bildgebung des Gehirns konnte mit den gewählten Sequenzparametern ein SNR-Vorteil von 43 % gegenüber der kartesischen Variante erzielt werden. Die Akquisition wurde dabei auf die T2-Relaxationszeit von weißer Substanz optimiert. Da die meisten Gewebe im Gehirn eine ähnliche Relaxationszeit aufweisen, blieb der visuelle Gesamteindruck identisch zur kartesischen Bildgebung. Der SNR-Gewinn konnte in der dichtegewichteten Implementierung zur Messzeithalbierung genutzt werden. Dichtegewichtete EPI weist eine hohe Anfälligkeit für geometrische Verzerrungen, welche durch Inhomogenitäten des Hauptmagnetfeldes verursacht werden, auf. Die Verzerrungen konnten erfolgreich mit einer Conjugate Phase-Methode korrigiert werden. Dazu muss die räumliche Verteilung der Feldinhomogenitäten bekannt sein. Dazu ist zusätzlich zur eigentlichen EPI-Aufnahme die zeitaufwendige Aufnahme einer sogenannten Fieldmap erforderlich. Im Rahmen dieser Arbeit konnte eine Methode entwickelt werden, welche die zur Erlangung einer Fieldmap notwendige Aufnahmedauer auf wenige Sekunden reduziert. Bei dieser Art der Fieldmap-Aufnahme müssen jedoch durch Atmung hervorgerufene Effekte auf die Bildphase berücksichtigt werden. Die Fieldmap-Genauigkeit kann durch Aufnahme unter Atempause, Mittelung oder retrospektiver Phasenkorrektur erhöht werden. Für die gewählten EPI-Sequenzparameter wurde mit Dichtegewichtung gegenüber der kartesischen Variante ein SNR-Gewinn von 14 % erzielt. Anhand einer funktionellen MRT (fMRI)-Fingertapping-Studie konnte demonstriert werden, dass die SNR-Steigerung auch zu einer signifikant erhöhten Aktivierungsdetektion in Teilen der Hirnareale führt, die bei der Fingerbewegung involviert sind. Die Verwendung von zusätzlicher EPI-Phasenkorrektur und iterativer Optimierung der dichtegewichteten k-Raum-Abtastung führt zu weiteren Verbesserungen der dichtegewichteten Bildgebung mit Multi-Echo-Sequenzen.
In this thesis we study various aspects of chaos synchronization of time-delayed coupled chaotic maps. A network of identical nonlinear units interacting by time-delayed couplings can synchronize to a common chaotic trajectory. Even for large delay times the system can completely synchronize without any time shift. In the first part we study chaotic systems with multiple time delays that range over several orders of magnitude. We show that these time scales emerge in the Lyapunov spectrum: Different parts of the spectrum scale with the different delays. We define various types of chaos depending on the scaling of the maximum exponent. The type of chaos determines the synchronization ability of coupled networks. This is, in particular, relevant for the synchronization properties of networks of networks where time delays within a subnetwork are shorter than the corresponding time delays between the different subnetworks. If the maximum Lyapunov exponent scales with the short intra-network delay, only the elements within a subnetwork can synchronize. If, however, the maximum Lyapunov exponent scales with the long inter-network connection, complete synchronization of all elements is possible. The results are illustrated analytically for Bernoulli maps and numerically for tent maps. In the second part the attractor dimension at the transition to complete chaos synchronization is investigated. In particular, we determine the Kaplan-Yorke dimension from the spectrum of Lyapunov exponents for iterated maps. We argue that the Kaplan-Yorke dimension must be discontinuous at the transition and compare it to the correlation dimension. For a system of Bernoulli maps we indeed find a jump in the correlation dimension. The magnitude of the discontinuity in the Kaplan-Yorke dimension is calculated for networks of Bernoulli units as a function of the network size. Furthermore the scaling of the Kaplan-Yorke dimension as well as of the Kolmogorov entropy with system size and time delay is investigated. Finally, we study the change in the attractor dimension for systems with parameter mismatch. In the third and last part the linear response of synchronized chaotic systems to small external perturbations is studied. The distribution of the distances from the synchronization manifold, i.e., the deviations between two synchronized chaotic units due to external perturbations on the transmitted signal, is used as a measure of the linear response. It is calculated numerically and, for some special cases, analytically. Depending on the model parameters this distribution has power law tails in the region of synchronization leading to diverging moments. The linear response is also quantified by means of the bit error rate of a transmitted binary message which perturbs the synchronized system. The bit error rate is given by an integral over the distribution of distances and is studied numerically for Bernoulli, tent and logistic maps. It displays a complex nonmonotonic behavior in the region of synchronization. For special cases the distribution of distances has a fractal structure leading to a devil's staircase for the bit error rate as a function of coupling strength. The response to small harmonic perturbations shows resonances related to coupling and feedback delay times. A bi-directionally coupled chain of three units can completely filter out the perturbation. Thus the second moment and the bit error rate become zero.
Hintergrund: Die Schlafbezogene Atmungsstörung (SBAS) ist eine häufige Komorbidität der systolischen Herzinsuffizienz und mit einer kürzeren Lebenserwartung assoziiert. Es steht derzeit eine Vielzahl einfacher ambulanter SBAS-Screening-Geräte zur Verfügung. Keines davon wurde jedoch bisher für Patienten mit chronischer systolischer Herzinsuffizienz validiert.
Fragestellung: Die vorliegende Untersuchung diente der Prüfung eines einfachen ambulanten SBAS-Screenings hinsichtlich diagnostischer Trennschärfe und prognostischer Relevanz für Patienten mit systolischer Herzinsuffizienz.
Methoden: Bei Patienten mit symptomatischer systolischer Herzinsuffizienz (linksventrikuläre Ejektionsfraktion (LVEF) < 45%, NYHA ≥ II) wurden nächtlicher Atemfluss, Pulsfrequenz und Sauerstoffsättigung mit dem ApneaLinkTM (Fa. ResMed) ambulant aufgezeichnet. Hieraus werden der Apnoe-/Hypopnoe-Index (AHI) sowie der Entsättigungsindex (ODI) berechnet. Die Ergebnisse wurden der Diagnose des Schlafmediziners anhand einer PSG als gültigem Goldstandard der SBAS-Diagnostik gegenübergestellt. Der Überlebensstatus wurde bei allen Patienten durch ambulante bzw. telefonische Nachuntersuchungen erfasst. Mittels ROC-Analysen wurden diagnostische und durch Cox-Regressionen prognostische Schwellenwerte des SBAS-Screenings ermittelt.
Ergebnisse: Insgesamt wurden 131 Patienten eingeschlossen: das mittlere Alter lag bei 68±13 Jahren, 110 Patienten (84%) waren männlich, 53 Patienten (41%) hatten ein NYHA-Stadium ≥3, die mittlere LVEF lag bei 34%. Bei 69 Patienten (53%) konnte eine PSG durchgeführt werden, welche bei 55 Patienten (80%) eine SBAS diagnostizierte. Bei 38 Patienten (55%) lag eine mind. mittelgradige, therapiepflichtige SBAS vor. In ROC-Analysen für ein mind. mittelgradige SBAS ergaben sich AUCs von 0.77; 0.82; 0.81; 0,79 und 0,82 für AHI; ODI; (AHI+ODI)/2; (2xAHI+ODI)/3 und (AHI+2xODI)/3. Die größtmögliche Spezifität (0,90) und Sensitivität (0,66) für die Diagnose einer Therapiepflichtigen SBAS lab bei einem cut-off von (AHI+2xODI)/3 ≥ 21/h. Die mediane Follow-up Zeit der Studie lag bei 23 (18; 27) Monaten; es starben 21 Patienten (16%). Es fand sich eine positive Korrelation zwischen (AHI+2xODI)/3 und Mortalitätsrate. Bereits für den (AHI+2xODI)/3 ≥9/h war die Mortalität signifikant erhöht (3,55 (95%CI: 1.04-12.13) p=0,04).
Schlussfolgerung: Eine therapiepflichtige SBAS lässt durch ein ambulantes Screening zuverlässig diagnostizieren. Dabei ist der ODI dem AHI überlegen. Für die bestmögliche diagnostische Trennschärfe empfehlen wir einen (AHI+2xODI)/3 von 21/h heranzuziehen, wobei bereits ein Wert von 9/h prognostisch relevant ist, so dass bei Patienten mit einem (AHI+2xODI)/3 von 9-20/h zwar auf eine schlafmedizinische Untersuchung verzichtet werden kann, eine engmaschige kardiologische Kontrolle inklusive wiederholten Screenings jedoch unabdingbar bleibt.
Die vorliegende Dissertation behandelt zum einen die mechanistischen Details von Bindungsaktivierungs-Reaktionen an Disauerstoff und weißem Phosphor mit den Komplexfragmenten 1[Ni(iPr2Im)2] und 3[(η5-C5H5)Co(iPr2Im)] und zum anderen die Regioselektivität von oxidativen Insertionsreaktionen des 1[Ni(iPr2Im)2]-Komplexfragments in C–X-Bindungen substituierter Fluoraromaten (X = F, OCH3, CN, H).
1. Since the early nineteenth century describing (and understanding) patterns of distribution of biodiversity across the Earth has represented one of the most significant intellectual challenges to ecologists and biogeographers. Among the most striking patterns of species richness are: the latitudinal and elevational gradients, with peaks in number of species at low latitudes and somewhere at mid altitudes, although other patterns, e.g. declines with increasing elevation, are often observed. Even in highly diverse tropical regions, species richness is not evenly distributed but there are “hotspots” of biodiversity where an exceptional number of species, especially endemics, are concentrated. Unfortunately, such areas are also experiencing dramatic loss of habitat. Among vertebrate taxa, amphibians are facing the most alarming number of extinctions. Habitat destruction, pollution and emergence of infectious diseases such as chytridiomycosis, are causing worldwide population declines. Responses to these drivers can be multidirectional and subtle, i.e. they may not be captured at the species but at the genetic level. Moreover, present patterns of diversity can result from the influence of past geological, climatic and environmental changes.
In this study, I used a multidisciplinary and multilevel approach to understand how and to which extent the landscape influences amphibian diversity. Mount Kilimanjaro is an exceptional tropical region where the landscape is rapidly evolving due to land use changes; additionally, there is a broad lack of knowledge of its amphibian fauna. During two rainy seasons in 2011, I recorded anurans from the foothills to 3500 m altitude; in addition, I focused on two river frog species and collected tissue samples for genetic analysis and swabs for detection of chytridiomycosis, the deadly disease caused by Batrachochytrium dendrobatidis (Bd).
2. I analyzed how species richness and composition change with increasing elevation and anthropogenic disturbance. In order to disentangle the observed patterns of species diversity and distribution, I incorporated inferences from historical biogeography and compared the assemblage of Mt. Kilimanjaro and Mt. Meru (both recent volcanoes) with those of the older Eastern Arc Mountains. Species richness decreased with elevation and locally increased in presence of water bodies, but I did not detect effects of either anthropogenic disturbance or vegetation structure on species richness and composition. Moreover, I found a surprisingly low number of forest species. Historical events seem to underlie the current pattern of species distribution; the young age of Mt. Kilimanjaro and the complex biogeographic processes which occurred in East Africa during the last 20 million years prevented montane forest frogs from colonizing the volcano.
3. I focused on the genetic level of biodiversity and investigated how the landscape, i.e. elevation, topographic relief and land cover, influence genetic variation, population structure and gene flow of two ecologically similar and closely related river frog species, namely Amietia angolensis and Amietia wittei. I detected greater genetic differentiation among populations in the highland species (A. wittei) and higher genetic variation in the lowland species (A. angolensis), although genetic diversity was not significantly correlated with elevation. Importantly, human settlements seemed to restrict gene flow in A. angolensis, whereas steep slopes were positively correlated with gene flow in A. wittei. This results show that even ecologically similar species can respond differently to landscape processes and that the spatial configuration of topographic features combined with species-specific biological attributes can affect dispersal and gene flow in disparate ways.
4. River frogs of the genus Amietia seem to be particularly susceptible to chytridiomycosis, showing the highest pathogen load in Kenya and other African countries. In the last study, I collected swab samples from larvae of A. angolensis and A. wittei for Bd detection. Both species resulted Bd-positive. The presence of Bd on Mt. Kilimanjaro has serious implication. For instance, Bd can be transported by footwear of hikers from contaminated water and soil. Tourists visiting Mt. Kilimanjaro may translocate Bd zoospores to other areas such as the nearby Eastern Arc Mts. where endemic and vulnerable species may still be naïve to the fungus and thus suffer of population declines.
5. My study significantly contributed to the knowledge of the amphibian fauna of Mt. Kilimanjaro and of East Africa in general, and it represents a valuable tool for future conservation actions and measures. Finally, it highlights the importance of using a multidisciplinary (i.e. community ecology, historical biogeography, landscape genetics, disease ecology) and multilevel (i.e. community, species, population, gene) approach to disentangle patterns of biodiversity.
Human growth has an estimated heritability of about 80%-90%. Nevertheless, the underlying cause of shortness of stature remains unknown in the majority of individuals. Genome-wide association studies (GWAS) showed that both common single nucleotide polymorphisms and copy number variants (CNVs) contribute to height variation under a polygenic model, although explaining only a small fraction of overall genetic variability in the general population. Under the hypothesis that severe forms of growth retardation might also be caused by major gene effects, we searched for rare CNVs in 200 families, 92 sporadic and 108 familial, with idiopathic short stature compared to 820 control individuals. Although similar in number, patients had overall significantly larger CNVs \((p-value <1 x 10^{-7})\). In a gene-based analysis of all non-polymorphic CNVs >50 kb for gene function, tissue expression, and murine knock-out phenotypes, we identified 10 duplications and 10 deletions ranging in size from 109 kb to 14 Mb, of which 7 were de novo (p < 0.03) and 13 inherited from the likewise affected parent but absent in controls. Patients with these likely disease causing 20 CNVs were smaller than the remaining group (p < 0.01). Eleven (55%) of these CNVs either overlapped with known microaberration syndromes associated with short stature or contained GWAS loci for height. Haploinsufficiency (HI) score and further expression profiling suggested dosage sensitivity of major growth-related genes at these loci. Overall 10% of patients carried a disease-causing CNV indicating that, like in neurodevelopmental disorders, rare CNVs are a frequent cause of severe growth retardation.
Background: Animal models of human inflammatory diseases have limited predictive quality for human clinical trials for various reasons including species specific activation mechanisms and the immunological background of the animals which markedly differs from the genetically heterogeneous and often aged patient population.
Objective: Development of an animal model allowing for testing therapeutics targeting pathways involved in the development of Atopic Dermatitis (AD) with better translatability to the patient.
Methods: NOD-scid IL2R \(\gamma^{null}\) mice engrafted with human peripheral blood mononuclear cells (hPBMC) derived from patients suffering from AD and healthy volunteers were treated with IL-4 and the antagonistic IL-4 variant R121/Y124D (Pitrakinra). Levels of human (h) IgE, amount of B-, T- and plasma-cells and ratio of CD4 : CD8 positive cells served as read out for induction and inhibition of cell proliferation and hIgE secretion. Results were compared to in vitro analysis.
Results: hIgE secretion was induced by IL-4 and inhibited by the IL-4 antagonist Pitrakinra in vivo when formulated with methylcellulose. B-cells proliferated in response to IL-4 in vivo; the effect was abrogated by Pitrakinra. IL-4 shifted CD4 : CD8 ratios in vitro and in vivo when hPBMC derived from healthy volunteers were used. Pitrakinra reversed the effect. Human PBMC derived from patients with AD remained inert and engrafted mice reflected the individual responses observed in vitro.
Conclusion: NOD-scid IL2R \(\gamma^{null}\) mice engrafted with human PBMC reflect the immunological history of the donors and provide a complementary tool to in vitro studies. Thus, studies in this model might provide data with better translatability from bench to bedside.
Myocardial infarction (MI) is a leading cause of death worldwide. Timely restoration of coronary blood flow to ischemic myocardium significantly reduces acute infarct mortality and attenuates ventricular remodeling. However, surviving MI patients frequently develop heart failure, which is associated with reduced quality of life, high mortality rate (10% annually), as well as high healthcare expenditures. The main processes involved in the evolution of heart failure post-MI are the great loss of contractile cardiomyocytes during ischemia-reperfusion and the subsequent complex structural and functional alterations, which are rooted in modifications at molecular and cellular levels in both the infarcted and non-infarcted myocardium. However, we still lack efficient treatments to prevent the development and progression of left ventricular remodeling. The improved survival rate of acute MI patients combined with the lack of effective therapy for post-MI remodeling contributes to the high prevalence of heart failure. Cardiac Magnetic Resonance Imaging (MRI) is an important tool for diagnosis and assessment of MI. With the advancement of this technology, the frontier of MRI has been extended to probing molecular and cellular events in vivo and non-invasively. In combination with assessment of morphology and function, the visualization of essential molecular and cellular markers in vivo could provide comprehensive, multifaceted views of the healing process in infarcted hearts, which might give new insight for the treatment of acute MI. In this thesis, molecular and cellular cardiac MRI methods were established to visualize and investigate inflammation and calcium flux in the healing process of acute MI in vivo, in a clinically relevant rat model.
Background: Gene targeting (GT) provides a powerful tool for the generation of precise genetic alterations in embryonic stem (ES) cells to elucidate gene function and create animal models for human diseases. This technology has, however, been limited to mouse and rat. We have previously established ES cell lines and procedures for gene transfer and selection for homologous recombination (HR) events in the fish medaka (Oryzias latipes).
Methodology and Principal Findings: Here we report HR-mediated GT in this organism. We designed a GT vector to disrupt the tumor suppressor gene p53 (also known as tp53). We show that all the three medaka ES cell lines, MES1 similar to MES3, are highly proficient for HR, as they produced detectable HR without drug selection. Furthermore, the positive-negative selection (PNS) procedure enhanced HR by similar to 12 folds. Out of 39 PNS-resistant colonies analyzed, 19 (48.7%) were positive for GT by PCR genotyping. When 11 of the PCR-positive colonies were further analyzed, 6 (54.5%) were found to be bona fide homologous recombinants by Southern blot analysis, sequencing and fluorescent in situ hybridization. This produces a high efficiency of up to 26.6% for p53 GT under PNS conditions. We show that p53 disruption and long-term propagation under drug selection conditions do not compromise the pluripotency, as p53-targeted ES cells retained stable growth, undifferentiated phenotype, pluripotency gene expression profile and differentiation potential in vitro and in vivo.
Conclusions: Our results demonstrate that medaka ES cells are proficient for HR-mediated GT, offering a first model organism of lower vertebrates towards the development of full ES cell-based GT technology.
Background: Nicotine addiction is the most prevalent type of drug addiction that has been described as a cycle of spiraling dysregulation of the brain reward systems. Imaging studies have shown that nicotine addiction is associated with abnormal function in prefrontal brain regions that are important for cognitive emotion regulation. It was assumed that addicts may perform less well than healthy nonsmokers in cognitive emotion regulation tasks. The primary aims of this thesis were to investigate emotional responses to natural rewards among smokers and nonsmokers and to determine whether smokers differ from nonsmokers in cognitive regulation of positive and negative emotions. To address these aims, two forms of appraisal paradigms (i.e., appraisal frame and reappraisal) were applied to compare changes in emotional responses of smokers with that of nonsmokers as a function of appraisal strategies. Experiment 1: The aim of the first experiment was to evaluate whether and how appraisal frames preceding positive and negative picture stimuli affect emotional experience and facial expression of individuals. Twenty participants were exposed to 125 pairs of auditory appraisal frames (either neutral or emotional) followed by picture stimuli reflecting five conditions: unpleasant-negative, unpleasant-neutral, pleasant-positive, pleasant-neutral and neutral-neutral. Ratings of valence and arousal as well as facial EMG activity over the corrugator supercilii and the zygomaticus major were measured simultaneously. The results indicated that appraisal frames could alter both subjective emotional experience and facial expressions, irrespective of the valence of the pictorial stimuli. These results suggest and support that appraisal frame is an efficient paradigm in regulation of multi-level emotional responses. 8 Experiment 2: The second experiment applied the appraisal frame paradigm to investigate how smokers differ from nonsmokers on cognitive emotion regulation. Sixty participants (22 nonsmokers, 19 nondeprived smokers and 19 12-h deprived smokers) completed emotion regulation tasks as described in Experiment 1 while emotional responses were concurrently recorded as reflected by self-ratings and psychophysiological measures (i.e., facial EMG and EEG). The results indicated that there was no group difference on emotional responses to natural rewards. Moreover, nondeprived smokers and deprived smokers performed as well as nonsmokers on the emotion regulation task. The lack of group differences in multiple emotional responses (i.e., self-reports, facial EMG activity and brain EEG activity) suggests that nicotine addicts have no deficit in cognitive emotion regulation of natural rewards via appraisal frames. Experiment 3: The third experiment aimed to further evaluate smokers’ emotion regulation ability by comparing performances of smokers and nonsmokers in a more challenging cognitive task (i.e., reappraisal task). Sixty-five participants (23 nonsmokers, 22 nondeprived smokers and 20 12-h deprived smokers) were instructed to regulate emotions by imagining that the depicted negative or positive scenario would become less negative or less positive over time, respectively. The results showed that nondeprived smokers and deprived smokers responded similarly to emotional pictures and performed as well as nonsmokers in down-regulating positive and negative emotions via the reappraisal strategy. These results indicated that nicotine addicts do not have deficit in emotion regulation using cognitive appraisal strategies. In sum, the three studies consistently revealed that addicted smokers were capable to regulate emotions via appraisal strategies. This thesis establishes the groundwork for therapeutic use of appraisal instructions to cope with potential self-regulation failures in nicotine addicts.
CD9 is the best-studied member of the tetraspanin family of transmembrane proteins. It is involved in various fundamental cellular processes and its altered expression is a characteristic of malignant cells of different origins. Despite numerous investigations confirming its fundamental role, the heterogeneity of CD9 or other tetraspanin proteins was considered only to be caused by posttranslational modification, rather than alternative splicing. Here we describe the first identification of CD9 transcript variants expressed by cell lines derived from fetal rat brain cells. Variant mRNA-B lacks a potential translation initiation codon in the alternative exon 1 and seems to be characteristic of the tumorigenic BT cell lines. In contrast, variant mRNA-C can be translated from a functional initiation codon located in its extended exon 2, and substantial amounts of this form detected in various tissues suggest a contribution to CD9 functions. From the alternative sequence of variant C, a different membrane topology ( 5 transmembrane domains) and a deviating spectrum of functions can be expected.
Compensatory base changes (CBCs) in internal transcribed spacer 2 (ITS2) rDNA secondary structures correlate with Ernst Mayr’s biological species concept. This hypothesis also referred to as the CBC species concept recently was subjected to large-scale testing, indicating two distinct probabilities. (1) If there is a CBC then there are two different species with a probability of ~0.93. (2) If there is no CBC then there is the same species with a probability of ~0.76. In ITS2 research, however, the main problem is the multicopy nature of ITS2 sequences. Most recently, 454 pyrosequencing data have been used to characterize more than 5000 intragenomic variations of ITS2 regions from 178 plant species, demonstrating that mutation of ITS2 is frequent, with a mean of 35 variants per species, respectively per individual organism. In this study, using those 454 data, the CBC criterion is reconsidered in the light of intragenomic variability, a proof of concept, a necessary criterion, expecting no intragenomic CBCs in variant ITS2 copies. In accordance with the CBC species concept, we could demonstrate that the probability that there is no intragenomic CBC is ~0.99.
In the present work, the objective has been to analyse the compatibility of plant and human transcriptional machinery. The experiments revealed that nuclear import and export are conserved among plants and mammals. Further it has been shown that transactivation of a human promoter occurs by human transcription factor NF-\(\kappa\) B in plant cells, demonstrating that the transcriptional machinery is highly conserved in both kingdoms. Functionality was also seen for regulatory elements of NF-\(\kappa\) B such as its inhibitor I\(\kappa\)B isoform \(\alpha\) that negatively regulated the transactivation activity of the p50/RelA heterodimer by interaction with NF-\(\kappa\)B in plant cells. Nuclear export of RelA could be demonstrated by FRAP-measurements so that RelA shows nucleo-cytoplasmic shuttling as reported for RelA in mammalian cells. The data reveals the high level of compatibility of human transcriptional elements with the plant transcriptional machinery. Thus, Arabidopsis thaliana mesophyll protoplasts might provide a new heterologous expression system for the investigation of the human NF-\(\kappa\)B signaling pathways. The system successfully enabled the controlled manipulation of NF-\(\kappa\)B activity. We suggest the plant protoplast system as a tool for reconstitution and analyses of mammalian pathways and for direct observation of responses to e. g. pharmaceuticals. The major advantage of the system is the absence of interference with endogenous factors that affect and crosstalk with the pathway.
A proangiogenic micromilieu is associated with a worse prognosis in systemic lymphoma. Hence, targeting the tumour microenvironment and its vasculature has evolved as a promising novel treatment strategy. The role of tumour neoangiogenesis in cutaneous B-cell lymphoma, however, has not yet been elucidated. Therefore, we examined the expression of vascular endothelial growth factor (VEGF) and its receptors VEGFR-1 and VEGFR-2, as well as microvessel density by immunohistochemistry in paraffin-embedded specimens of different subtypes of primary cutaneous B-cell lymphomas, systemic diffuse large B-cell lymphoma, and cutaneous B-cell pseudolymphoma. Primary cutaneous large B-cell lymphoma (PCLBCL) were characterized by significantly higher intratumoral expression levels of VEGF and its receptors in comparison with the indolent lymphoma subtypes. Moreover, PCLBCL exhibited significantly higher intratumoral microvessel counts. Our study provides evidence that the most aggressive subtype of cutaneous B-cell lymphoma, PCLBCL, is characterized by a proangiogenic micromilieu.
Nach einem Myokardinfarkt werden ventrikuläres Remodeling und myokardiale Funktion unter anderem durch die ablaufenden Reaktionen des angeborenen Immunsystems beeinflusst. Von zentraler Bedeutung für die Regulation dieser Immunreaktion ist der Transkriptionsfaktor Nuclear Factor kappa B. Tiere, bei denen NF-κB durch das Fehlen seiner Untereinheit p50 global inaktiv ist, wei- sen einen Schutz vor linksventrikulärem Remodeling auf. Bisher ist jedoch un- klar, welche Zellen für diesen protektiven Effekt verantwortlich sind. Vorange- gangene Studien konnten zeigen, dass die Protektion nicht auf die fehlende NF- κB Aktivierung in Kardiomyozyten zurückzuführen ist. Aus Ischämie- Reperfusions-Experimenten an NF-κB-defizienten Tieren ergaben sich Hinwei- se, dass v.a. die Hemmung von NF-κB in Entzündungszellen die protektiven Effekte vermittelt.
Durch Kreuzung von LysMCre- mit lox-IKKβ-Tieren erzeugten wir Tiere, denen makrophagenspezifisch IκB-Kinase β (IKKβ) fehlt. IKK deaktiviert den Inhibitor von NF-κB und ist somit essentiell für eine NF-κB-Aktivierung. Als Modell der Herzinsuffizienz diente der chronische Myokardinfarkt. Die Nachbeobachtung erfolgte über 56 Tage.
Die Knockout-Tiere (KO) hatten im Vergleich zu den Wildtyp-Tiere (WT) eine signifikant bessere Überlebensrate (KO vs. WT, 100% vs. 49%, p < 0,01). Präoperativ sowie postoperativ an den Tagen 1, 21 und 56 wurden transthora- kale Echokardiographien durchgeführt. Bei gleicher Infarktgröße zeigten die KO-Tiere eine deutlich geringere linksventrikuläre Dilatation. Es konnte moleku- larbiologisch keine Reduktion der humoralen Entzündungsreaktion nachgewie- sen werden, ebenso blieb das Entzündungszellinfiltrat immunhistochemisch unverändert. Auch bezüglich Apoptoserate und Neovaskularisation zeigte sich kein Unterschied zwischen den Gruppen. Allerdings zeigten die LysM-IKKβ-KO-Tiere 56 Tage nach Myokardinfarkt einen deutlich erhöhten septalen Kollagen- gehalt als Hinweis auf ein verändertes extrazelluläres Remodeling.
Aus diesen Ergebnissen kann geschlossen werden, dass die protektiven Effek- te der globalen NF-κB-Hemmung durch die fehlende NF-κB-Aktivierung in Ma- krophagen und Granulozyten, nicht aber in Kardiomyozyten vermittelt wurden. Die durch die makrophagenspezifische NF-κB-Hemmung vermittelten Verände- rungen im Remodeling der extrazellulären Matrix führen zu einer Verbesserung der Überlebensrate, besseren funktionellen Ergebnissen und einem insgesamt verminderten linksventrikulären Remodeling nach Myokardinfarkt.
Bei der Betrachtung des Pathosystems Ustilago maydis/Zea mays kommen sich Proteine unterschiedlicher Organismen sehr nahe. Die derzeitige Hypothese zur lokalen Szenerie in der ausgebildeten Interaktionszone von Pflanze und Pilz spricht zwei SUC-Transportern dabei wichtige Rollen in der Pflanze/Pilz Interaktion zu. UmSrt1, der erste beschriebene pilzliche SUC-Transporter aus dem Maispathogen Ustilago maydis (Wahl et al., 2010) und ZmSUT1, der aus Zea mays stammende low affinity SUC-Transporter (Carpaneto et al., 2005) werden als Gegenspieler im Konkurrenzkampf um die extrazelluläre SUC beschrieben (Wahl et al., 2010).
ZmSUT1 ist in der Plasmamembran der Geleitzellen lokalisiert und dort für die Beladung des Phloems mit SUC aus dem Apoplasten zuständig. UmSrt1, für den eine Lokalisation in der Plasmamembran in Hefen gezeigt werden konnte, sorgt als „high affinity“ Transporter mit dem Import extrazellulärer SUC für die Kohlenhydratversorgung der pilzlichen Entwicklung und Ernährung (Wahl et al., 2010).
Gegenstand der vorliegenden Arbeit waren vergleichende elektrophysiologische Charakterisierungen der SUC-Transporteigenschaften von ZmSUT1 und UmSrt1. Durch heterologe Expression der Proteine in Xenopus Oozyten und anschließende Messungen unter Verwendung der DEVC-Technik wurden die Eigenschaften des SUC-Transports beider SUC-Transporter im Hinblick auf ihre Konzentrations-, pH-, Spannungsabhängigkeit, sowie auf die Substratspezifität hin untersucht. Diese vergleichenden Studien zur Charakterisierung beider Transportproteine ergaben ihren physiologischen Aufgaben entsprechende Unterschiede. ZmSUT1 konnte ein Verhalten als „low affinity/high capacity“ Transporter mit Affinitäten gegenüber SUC im millimolaren Bereich mit einer spannungsunabhängigen Transportaktivität bestätigt werden. Zudem konnte die Transportaktivität als stark H+-abhängig beschrieben werden (Carpaneto et al., 2005), deren Optimum nahe des physiologischen Bereichs des Apoplasten bestimmt werden konnte. Des Weiteren wurden Untersuchungen zur Substratspezifität angefertigt, die ZmSUT1 eindeutig eine Typ-II SUT Zugehörigkeit (Sivitz et al., 2005; Reinders et al., 2006; Sun et al., 2010) mit einem engen Substratspektrum belegen.
Für UmSrt1 dagegen wurde ein Transportverhalten als „high affinity/low capacity“ Transporter mit höheren Affinitäten gegenüber SUC im mikromolaren Bereich ermittelt (Wahl et al., 2010). Darüber hinaus beschreiben die Ergebnisse dieser Arbeit eine weitestgehend H+-unabhängige Transportaktivität in einem weiten pH-Wert Bereich. Im Profil der Substratspezifität zeigte sich neben SUC als primärem Substrat ein eher unspezifischer Transport weiterer Mono-, Di- und Trisaccharide. Die postulierte SUC-Spezifität von UmSrt1 (Wahl et al., 2010) konnte mit den vorliegenden Ergebnissen nicht bestätigt werden. Mit einem effektivem Import von SUC mittels UmSrt1 in den Pilz umgeht U. maydis die Hydrolyse von SUC im pflanzlichen Apoplasten und damit die Bildung extrazellulärer Glukose, die ein Signal in der pflanzlichen Pathogenabwehr darstellt (Herbers et al., 1996b; Ehness et al., 1997; Kocal et al., 2008). Somit scheint es für Ustillago maydis möglich zu sein, eine von der Wirtspflanze Zea mays weitestgehend „unbemerkte“ Aufnahme von Kohlenhydraten über einen breiten pH-Wert Bereich bewerkstelligen zu können. Die vielfach höheren Affinitäten gegenüber SUC und H+ verschaffen UmSrt1 im Konkurrenzkampf um die extrazelluläre SUC einen klaren Vorteil gegenüber ZmSUT1. Diese Daten deuten darauf hin, dass U. maydis auch unter Stressbedingungen der Pflanze und damit resultierenden Schwankungen der H+-Konzentrationen in der Lage ist, den SUC-Import für seine eigene Ernährung sicher zu stellen.
Das Gebiet posttranslationaler Modifikationen von SUC-Transportern ist weitestgehend unerforscht. In planta Versuche deuteten darauf hin, dass Redox-aktive Substanzen den Zuckertransport beeinflussen. Im Oozytensystem wurde deshalb die Aktivität von ZmSUT1 in Anwesenheit der Redox-aktiven Substanzen GSH, GSSG, H2O2 und DTT getestet. Der geringfügige Einfluss dieser Substanzen auf SUC-induzierte Ströme von ZmSUT1 deuten jedoch darauf hin, dass SUC-Transporter nicht ein direktes Ziel von Redox-Veränderungen darstellen.
Um die Struktur des pflanzlichen SUC-Transporters ZmSUT1 näher zu beleuchten und die an der Bindung von SUC involvierten Aminosäuren zu identifizieren, wurde auf der Basis der bereits bekannten Struktur von LacY aus E.coli, ebenfalls einem Vertreter der MFS, ein 3D-Modell für ZmSUT1 erstellt. Die AS, die in LacY an der Bindung des Substrats beteiligt sind, wurden bereits identifiziert (Vadyvaloo et al., 2006). Darauf aufbauend wurden im Rahmen einer Mutagenesestudie gezielt AS im Protein ZmSUT1 ausgewählt, die in verwandten SUC-Transportern konserviert und in homolgen Positionen zu den in LacY bereits identifizierten AS vorliegen. In diesen ausgewählten Positionen wurden mittels gerichteter Mutagenese acht Mutanten generiert. Die elektrophysiologische Charakterisierung dieser ZmSUT1-Mutanten identifizierte zwei Mutanten, die in der SUC-/H+-Translokation gestört waren sowie zwei WT-ähnliche. Es konnten vier Mutanten mit erniedrigten Affinitäten gegenüber SUC identifiziert werden, von denen zwei zusätzlich Veränderungen in ihrer Substratspezifität aufweisen. Diese vier AS werden als mögliche Kandidaten angesehen, an der Bindung und/oder Translokation von SUC beteiligt zu sein.