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Sonstige beteiligte Institutionen
Normal human brain development is dependent on highly dynamic epigenetic processes for spatial and temporal gene regulation. Recent work identified wide-spread changes in DNA methylation during fetal brain development. We profiled CpG methylation in frontal cortex of 27 fetuses from gestational weeks 12-42, using Illumina 450K methylation arrays. Sites showing genome-wide significant correlation with gestational age were compared to a publicly available data set from gestational weeks 3-26. Altogether, we identified 2016 matching developmentally regulated differentially methylated positions (m-dDMPs): 1767 m-dDMPs were hypermethylated and 1149 hypomethylated during fetal development. M-dDMPs are underrepresented in CpG islands and gene promoters, and enriched in gene bodies. They appear to cluster in certain chromosome regions. M-dDMPs are significantly enriched in autism-associated genes and CpGs. Our results promote the idea that reduced methylation dynamics during fetal brain development may predispose to autism. In addition, m-dDMPs are enriched in genes with human-specific brain expression patterns and/or histone modifications. Collectively, we defined a subset of dDMPs exhibiting constant methylation changes from early to late pregnancy. The same epigenetic mechanisms involving methylation changes in cis-regulatory regions may have been adopted for human brain evolution and ontogeny.
Social insects control brood development by using different thermoregulatory strategies. Camponotus mus ants expose their brood to daily temperature fluctuations by translocating them inside the nest following a circadian rhythm of thermal preferences. At the middle of the photophase brood is moved to locations at 30.8°C; 8 h later, during the night, the brood is transferred back to locations at 27.5°C. We investigated whether daily thermal fluctuations experienced by developing pupae affect the neuroarchitecture in the adult brain, in particular in sensory input regions of the mushroom bodies (MB calyces). The complexity of synaptic microcircuits was estimated by quantifying MB-calyx volumes together with densities of presynaptic boutons of microglomeruli (MG) in the olfactory lip and visual collar regions. We compared young adult workers that were reared either under controlled daily thermal fluctuations of different amplitudes, or at different constant temperatures. Thermal regimes significantly affected the large (non-dense) olfactory lip region of the adult MB calyx, while changes in the dense lip and the visual collar were less evident. Thermal fluctuations mimicking the amplitudes of natural temperature fluctuations via circadian rhythmic translocation of pupae by nurses (amplitude 3.3°C) lead to higher numbers of MG in the MB calyces compared to those in pupae reared at smaller or larger thermal amplitudes (0.0, 1.5, 9.6°C), or at constant temperatures (25.4, 35.0°C). We conclude that rhythmic control of brood temperature by nursing ants optimizes brain development by increasing MG densities and numbers in specific brain areas. Resulting differences in synaptic microcircuits are expected to affect sensory processing and learning abilities in adult ants, and may also promote interindividual behavioral variability within colonies.
Depreissia is a little known genus comprising two hymenopteran-mimicking species, one found in Central Africa and one in the north of Borneo. The male of D. decipiens is redescribed, the female is described for the first time. The carapace is elongated, dorsally flattened and rhombus-shaped, the rear of the thorax laterally depressed and transformed, with a pair of deep pits; the pedicel is almost as long as the abdomen. The male palp is unusual, characterized by the transverse deeply split membranous tegulum separating a ventral part which bears a sclerotized tegular apophysis and a large dagger-like retrodirected median apophysis. The female epigyne consists of one pair of large adjacent spermathecae and very long copulatory ducts arising posteriorly and rising laterally alongside the spermathecae continuing in several vertical and horizontal coils over the anterior surface. Relationships within the Salticidae are discussed and an affinity with the Cocalodinae is suggested. Arguments are provided for a hypothesis that D. decipiens is not ant-mimicking as was previously believed, but is a mimic of polistinine wasps. The species was found in the canopy in the Kinabalu area only, in primary and old secondary rainforest at 200–700 m.a.s.l. Overlap of canopy-dwelling spider species with those in the understorey are discussed and examples of species richness and endemism in the canopy are highlighted. Canopy fogging is a very efficient method of collecting for most arthropods. The canopy fauna adds an extra dimension to the known biodiversity of the tropical rainforest. In southeast Asia, canopy research has been neglected, inhibiting evaluation of comparative results of this canopy project with that from other regions. More use of fogging as a collecting method would greatly improve insight into the actual species richness and species distribution in general.
Enhanced expression of the MYC transcription factor is observed in the majority of tumors. Two seemingly conflicting models have been proposed for its function: one proposes that MYC enhances expression of all genes, while the other model suggests gene-specific regulation. Here, we have explored the hypothesis that specific gene expression profiles arise since promoters differ in affinity for MYC and high-affinity promoters are fully occupied by physiological levels of MYC. We determined cellular MYC levels and used RNA- and ChIP-sequencing to correlate promoter occupancy with gene expression at different concentrations of MYC. Mathematical modeling showed that binding affinities for interactions of MYC with DNA and with core promoter-bound factors, such as WDR5, are sufficient to explain promoter occupancies observed in vivo. Importantly, promoter affinity stratifies different biological processes that are regulated by MYC, explaining why tumor-specific MYC levels induce specific gene expression programs and alter defined biological properties of cells.
The bacterial endosymbiont Blochmannia floridanus of the carpenter ant Camponotus floridanus contributes to its hosts' ontogeny via nutritional upgrading during metamorphosis. This primary endosymbiosis is essential for both partners and vertical transmission of the endosymbionts is guaranteed by bacterial infestation of oocytes. Here we present a detailed analysis of the presence and localisation of B. floridanus in the ants' ovaries obtained by FISH and TEM analyses. The most apical part of the germarium harbouring germ-line stem cells (GSCs) is not infected by the bacteria. The bacteria are detectable for the first time in lower parts of the germarium when cystocytes undergo the 4th and 5th division and B. floridanus infects somatic cells lying under the basal lamina surrounding the ovarioles. With the beginning of cystocyte differentiation, the endosymbionts are exclusively transported from follicle cells into the growing oocytes. This infestation of the oocytes by bacteria very likely involves exocytosis endocytosis processes between follicle cells and the oocytes. Nurse cells were never found to harbour the endosymbionts. Furthermore we present first gene expression data in C floridanus ovaries. These data indicate a modulation of immune gene expression which may facilitate tolerance towards the endosymbionts and thus may contribute to their transovarial transmission.
Honeybees learn color information of rewarding flowers and recall these memories in future decisions. For fine color discrimination, bees require differential conditioning with a concurrent presentation of target and distractor stimuli to form a long-term memory. Here we investigated whether the long-term storage of color information shapes the neural network of microglomeruli in the mushroom body calyces and if this depends on the type of conditioning. Free-flying honeybees were individually trained to a pair of perceptually similar colors in either absolute conditioning towards one of the colors or in differential conditioning with both colors. Subsequently, bees of either conditioning groups were tested in non-rewarded discrimination tests with the two colors. Only bees trained with differential conditioning preferred the previously learned color, whereas bees of the absolute conditioning group, and a stimuli-naïve group, chose randomly among color stimuli. All bees were then kept individually for three days in the dark to allow for complete long-term memory formation. Whole-mount immunostaining was subsequently used to quantify variation of microglomeruli number and density in the mushroom-body lip and collar. We found no significant differences among groups in neuropil volumes and total microglomeruli numbers, but learning performance was negatively correlated with microglomeruli density in the absolute conditioning group. Based on these findings we aim to promote future research approaches combining behaviorally relevant color learning tests in honeybees under free-flight conditions with neuroimaging analysis; we also discuss possible limitations of this approach.q
Draft genome of the \(Arabidopsis\) \(thaliana\) phyllosphere bacterium, \(Williamsia\) sp. ARP1
(2016)
The Gram-positive actinomycete \(Williamsia\) sp. ARP1 was originally isolated from the \(Arabidopsis\) \(thaliana\) phyllosphere. Here we describe the general physiological features of this microorganism together with the draft genome sequence and annotation. The 4,745,080 bp long genome contains 4434 protein-coding genes and 70 RNA genes. To our knowledge, this is only the second reported genome from the genus \(Williamsia\) and the first sequenced strain from the phyllosphere. The presented genomic information is interpreted in the context of an adaptation to the phyllosphere habitat.
Insects inhabiting the temperate zones measure seasonal changes in day or night length to enter the overwintering diapause. Diapause induction occurs after the duration of the night exceeds a critical night length (CNL). Our understanding of the time measurement mechanisms is continuously evolving subsequent to Bünning’s proposal that circadian systems play the clock role in photoperiodic time measurement (Bünning, 1936). Initially, the photoperiodic clocks were considered to be either based on circadian oscillators or on simple hour-glasses, depending on ‘positive’ or ‘negative’ responses in Nanda–Hamner and Bünsow experiments (Nanda & Hammer, 1958; Bünsow, 1960).
However, there are also species whose responses can be regarded as neither ‘positive’, nor as ‘negative’, such as the Northern Drosophila species Drosophila ezoana, which is investigated in the present study. In addition, modelling efforts show that the ‘positive’ and ‘negative’ Nanda–Hamner responses can also be provoked by circadian oscillators that are damped to different degrees: animals with highly sustained circadian clocks will respond ‘positive’ and those with heavily damped circadian clocks will respond ‘negative’. In the present study, an experimental assay is proposed that characterizes the photoperiodic oscillators by determining the effects of non-24-h light/dark cycles (T-cycles) on critical night length. It is predicted that there is (i) a change in the critical night length as a function of T-cycle period in sustained-oscillator-based clocks and (ii) a fxed night-length measurement (i.e. no change in critical night length) in damped-oscillator-based clocks. Drosophila ezoana flies show a critical night length of approximately 7 h irrespective of T-cycle period, suggesting a damped-oscillator-based photoperiodic clock. The conclusion is strengthened by activity recordings revealing that the activity rhythm of D. ezoana flies also dampens in constant darkness.
Inhibition of Hsp90 can increase the radiosensitivity of tumor cells. However, inhibition of Hsp90 alone induces the anti-apoptotic Hsp70 and thereby decreases radiosensitivity. Therefore, preventing Hsp70 induction can be a promising strategy for radiosensitization. PI-103, an inhibitor of PI3K and mTOR, has previously been shown to suppress the up-regulation of Hsp70. Here, we explore the impact of combining PI-103 with the Hsp90 inhibitor NVP-AUY922 in irradiated glioblastoma and colon carcinoma cells. We analyzed the cellular response to drug-irradiation treatments by colony-forming assay, expression of several marker proteins, cell cycle progression and induction/repair of DNA damage. Although PI-103, given 24 h prior to irradiation, slightly suppressed the NVP-AUY922-mediated up-regulation of Hsp70, it did not cause radiosensitization and even diminished the radiosensitizing effect of NVP-AUY922. This result can be explained by the activation of PI3K and ERK pathways along with G1-arrest at the time of irradiation. In sharp contrast, PI-103 not only exerted a radiosensitizing effect but also strongly enhanced the radiosensitization by NVP-AUY922 when both inhibitors were added 3 h before irradiation and kept in culture for 24 h. Possible reasons for the observed radiosensitization under this drug-irradiation schedule may be a down-regulation of PI3K and ERK pathways during or directly after irradiation, increased residual DNA damage and strong G2/M arrest 24 h thereafter. We conclude that duration of drug treatment before irradiation plays a key role in the concomitant targeting of PI3K/mTOR and Hsp90 in tumor cells.
In dieser Arbeit sollte die Funktion von RSK in Motoneuronen von Drosophila untersucht
werden. Mutationen im RSK2-Gen verursachen das Coffin-Lowry-Syndrom (CLS), das durch
mentale Retardierung charakterisiert ist. RSK2 ist hauptsächlich in Regionen des Gehirns
exprimiert, in denen Lernen und Gedächtnisbildung stattfinden. In Mäusen und Drosophila, die
als Modellorganismen für CLS dienen, konnten auf makroskopischer Ebene keine
Veränderungen in den Hirnstrukturen gefunden werden, dennoch wurden in verschiedenen
Verhaltensstudien Defekte im Lernen und der Gedächtnisbildung beobachtet.
Die synaptische Plastizität und die einhergehenden Veränderungen in den Eigenschaften der
Synapse sind fundamental für adaptives Verhalten. Zur Analyse der synaptischen Plastizität
eignet sich das neuromuskuläre System von Drosophila als Modell wegen des stereotypen
Innervierungsmusters und der Verwendung ionotroper Glutamatrezeptoren, deren
Untereinheiten homolog sind zu den Untereinheiten der Glutamatrezeptoren des AMPA-Typs
aus Säugern, die wesentlich für die Bildung von LTP im Hippocampus sind.
Zunächst konnte gezeigt werden, dass RSK in den Motoneuronen von Drosophila an der
präsynaptischen Seite lokalisiert ist, wodurch RSK eine Synapsen-spezifische Funktion
ausüben könnte. Morphologische Untersuchungen der Struktur der neuromuskulären Synapsen
konnten aufzeigen, dass durch den Verlust von RSK die Größe der neuromuskulären Synapse,
der Boutons sowie der Aktiven Zonen und Glutamatrezeptorfelder reduziert ist. Obwohl mehr
Boutons gebildet werden, sind weniger Aktive Zonen und Glutamatrezeptorfelder in der
neuromuskulären Synapse enthalten. RSK reguliert die synaptische Transmission, indem es die
postsynaptische Sensitivität, nicht aber die Freisetzung der Neurotransmitter an der
präsynaptischen Seite beeinflusst, obwohl in immunhistochemischen Analysen eine
postsynaptische Lokalisierung von RSK nicht nachgewiesen werden konnte. RSK ist demnach
an der Regulation der synaptischen Plastizität glutamaterger Synapsen beteiligt.
Durch immunhistochemische Untersuchungen konnte erstmals gezeigt werden, dass aktiviertes
ERK an der präsynaptischen Seite lokalisiert ist und diese synaptische Lokalisierung von RSK
reguliert wird. Darüber hinaus konnte in dieser Arbeit nachgewiesen werden, dass durch den
Verlust von RSK hyperaktiviertes ERK in den Zellkörpern der Motoneurone vorliegt. RSK
wird durch den ERK/MAPK-Signalweg aktiviert und übernimmt eine Funktion sowohl als
Effektorkinase als auch in der Negativregulation des Signalwegs. Demnach dient RSK in den
Zellkörpern der Motoneurone als Negativregulator des ERK/MAPK-Signalwegs. Darüber
hinaus könnte RSK die Verteilung von aktivem ERK in den Subkompartimenten der
Motoneurone regulieren.
Da in vorangegangenen Studien gezeigt werden konnte, dass ERK an der Regulation der
synaptischen Plastizität beteiligt ist, indem es die Insertion der AMPA-Rezeptoren zur Bildung
der LTP reguliert, sollte in dieser Arbeit aufgeklärt werden, ob der Einfluss von RSK auf die
synaptische Plastizität durch seine Funktion als Negativregulator von ERK zustande kommt.
Untersuchungen der genetischen Interaktion von rsk und rolled, dem Homolog von ERK in
Drosophila, zeigten, dass die durch den Verlust von RSK beobachtete reduzierte Gesamtzahl
der Aktiven Zonen und Glutamatrezeptorfelder der neuromuskulären Synapse auf die Funktion
von RSK als Negativregulator von ERK zurückzuführen ist. Die Größe der neuromuskulären
Synapse sowie die Größe der Aktiven Zonen und Glutamatrezeptorfelder beeinflusst RSK
allerdings durch seine Funktion als Effektorkinase des ERK/MAPK-Signalwegs.
Studien des axonalen Transports von Mitochondrien zeigten, dass dieser in vielen
neuropathologischen Erkrankungen beeinträchtigt ist. Die durchgeführten Untersuchungen des
axonalen Transports in Motoneuronen konnten eine neue Funktion von RSK in der Regulation
des axonalen Transports aufdecken. In den Axonen der Motoneurone von RSK-Nullmutanten
wurden BRP- und CSP-Agglomerate nachgewiesen. RSK könnte an der Regulation des
axonalen Transports von präsynaptischem Material beteiligt sein. Durch den Verlust von RSK
wurden weniger Mitochondrien in anterograder Richtung entlang dem Axon transportiert, dafür verweilten mehr Mitochondrien in stationären Phasen. Diese Ergebnisse zeigen, dass
auch der anterograde Transport von Mitochondrien durch den Verlust von RSK beeinträchtigt
ist.
Zusammenfassung
In der Regenerativen Medizin sind polymerbasierte Biomaterialien von großer Bedeutung für
die Entwicklung und Anwendung verbesserter bzw. neuer Therapien. Die Erforschung der
Oberflächeneigenschaften von Biomaterialien, welche als Implantate eingesetzt werden, ist
eine grundlegende Voraussetzung für deren erfolgreichen Einsatz. Die Protein-Oberflächen-
Interaktion geschieht initial, sobald ein Implantat mit Körperflüssigkeiten oder mit Gewebe
in Kontakt kommt, und trägt maßgeblich zur direkten Wechselwirkung von Implantat und
umgebenden Zellen bei. Dieser Prozess wird in der vorliegenden Arbeit an Gelatine untersucht.
Daher bestand ein Ziel darin, stabile, nanometerdünne Gelatineoberflächen herzustellen
und darauf die Adsorption von humanen Plasmaproteinen und bakteriellen Proteinen zu
analysieren.
Die Abscheidung der Gelatinefilme in variabler Schichtdicke auf zuvor mit PPX-Amin modifizierten
Oberflächen wurde unter Verwendung eines Rotationsbeschichters durchgeführt.
Um stabile Hydrogelfilme zu erhalten, wurden die Amingruppen der disaggregierten Gelatinefibrillen
untereinander und mit denen der Amin-Modifizierung durch ein biokompatibles
Diisocyanat quervernetzt. Dieser Prozess lieferte einen reproduzierbaren und chemisch stabilen
Gelatinefilm, welcher durch die substratunabhängige Amin-Modifizierung kovalent auf
unterschiedlichste Oberflächen aufgebracht werden konnte. Die durch den Herstellungsprozess
präzise eingestellte Schichtdicke (Nano- bzw. Mikrometermaßstab) wurde mittels Ellipsometrie
und Rasterkraftmikroskopie ermittelt. Die ebenso bestimmte Rauheit war unabhängig
von der Schichtdicke sehr gering. Gelatinefilme, die auf funktionalisierte und strukturierte
Proben aufgebracht wurden, konnten durch Elektronenmikroskopie dargestellt werden. Mit
Hilfe der Infrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie wurden die Gelatinefilme im Hinblick
auf ihre Stabilität chemisch charakterisiert. Zur Quantifizierung der Adsorption humaner
Plasmaproteine (Einzelproteinlösungen) und komplexer Proteingemische aus steril filtrierten
Kulturüberständen des humanpathogenen Bakteriums Pseudomonas aeruginosa wurde die
Quarzkristall-Mikrowaage mit Dissipationsüberwachung eingesetzt. Hiermit konnte nicht
nur die adsorbierte Menge an Proteinen auf dem Gelatinehydrogel bzw. Referenzoberflächen
(Gold, PPX-Amin, Titan), sondern auch die viskoelastischen Eigenschaften des adsorbierten
Proteinfilms bestimmt werden. Allgemein adsorbierte auf dem Gelatinehydrogel eine geringere
Proteinmasse im Vergleich zu den Referenzoberflächen. Circa ein Viertel der adsorbierten
Proteine migrierte in die Poren des gequollenen Gels und veränderte dessen viskoelastische
Eigenschaften. Durch anschließende MALDI-ToF/MS- und MS/MS-Analyse konnten die bakteriellen
Proteine auf den untersuchten Oberflächen identifiziert und untereinander verglichen
werden. Hierbei zeigten sich nur geringfügige Unterschiede in der Proteinzusammensetzung.
Zudem wurde eine Sekundärionenmassenspektrometrie mit Flugzeitanalyse an reinen Gelatinefilmen
und an mit humanen Plasmaproteinen beladenen Gelatinefilmen durchgeführt.
Durch eine anschließende multivariante Datenanalyse konnte zwischen den untersuchten
Proben eindeutig differenziert werden. Dieser Ansatz ermöglicht es, die Adsorption von
unterschiedlichen Proteinen auf proteinbasierten Oberflächen markierungsfrei zu untersuchen
und kann zur Aufklärung der in vivo-Situation beitragen. Darüber hinaus bietet dieser
Untersuchungsansatz neue Perspektiven für die Gestaltung und das schnelle und effiziente
Screening von unterschiedlichen Proteinzusammensetzungen.
Biomaterialien können jedoch nicht nur als Implantate oder Implantatbeschichtungen eingesetzt
werden. Im Bereich des drug delivery und der Depotarzneimittel sind biologisch
abbaubare Polymere, aufgrund ihrer variablen Eigenschaften, von großem Interesse. Die
Behandlung von bakteriellen und fungalen Pneumonien stellt insbesondere bei Menschen mit
Vorerkrankungen wie Cystische Fibrose oder primäre Ziliendyskinesie eine große Herausforderung
dar. Oral oder intravenös applizierte Wirkstoffe erreichen die Erreger aufgrund der
erhöhten Zähigkeit des Bronchialsekretes oft nicht in ausreichender Konzentration. Daher
besteht ein weiteres Ziel der vorliegenden Arbeit darin, mittels electrohydrodynamic cojetting
mikrometergroße, inhalierbare, wirkstoffbeladene Partikel mit zwei Kompartimenten
(Janus-Partikel) herzustellen und deren Eignung für die therapeutische Anwendung bei
Lungeninfektionen zu untersuchen.
Durch das in dieser Arbeit entwickelte Lösungsmittelsystem können Janus-Partikel aus
biologisch abbaubaren Co-Polymeren der Polymilchsäure (Poly(lactid-co-glycolid), PLGA)
hergestellt und mit verschiedenen Wirkstoffen beladen werden. Darunter befinden sich ein
Antibiotikum (Aztreonam, AZT), ein Antimykotikum (Itraconazol, ICZ), ein Mukolytikum
(Acetylcystein, ACC) und ein Antiphlogistikum (Ibuprofen, IBU). Die Freisetzung der eingelagerten
Wirkstoffe, mit Ausnahme von ICZ, konnte unter physiologischen Bedingungen
mittels Dialyse und anschließender Hochleistungsflüssigkeitschromatographie gemessen werden.
Die Freisetzungsrate wird von der Kettenlänge des Polymers beeinflusst, wobei eine
kürzere Kettenlänge zu einer schnelleren Freisetzung führt. Das in die Partikel eingelagerte
Antimykotikum zeigte in vitro eine gute Wirksamkeit gegen Aspergillus nidulans. Durch das
Einlagern von ICZ in die Partikel ist es möglich diesen schlecht wasserlöslichen Wirkstoff in
eine für Patienten zugängliche und wirksame Applikationsform zu bringen. In Interaktion mit
P. aeruginosa erzielten die mit Antibiotikum beladenen Partikel in vitro bessere Ergebnisse
als der Wirkstoff in Lösung, was sich in einem in vivo-Infektionsmodell mit der Wachsmotte
Galleria mellonella bestätigte. AZT-beladene Partikel hatten gegenüber einer identischen
Wirkstoffmenge in Lösung eine 27,5% bessere Überlebensrate der Wachsmotten zur Folge.
Des Weiteren hatten die Partikel keinen messbaren negativen Einfluss auf die Wachsmotten.
Dreidimensionale Atemwegsschleimhautmodelle, hergestellt mit Methoden des Tissue Engineerings,
bildeten die Basis für Untersuchungen der Partikel in Interaktion mit humanen
Atemwegszellen. Die Untersuchung von Apoptose- und Entzündungsmarkern im Überstand
der 3D-Modelle zeigte diesbezüglich keinen negativen Einfluss der Partikel auf die humanen
Zellen. Diese gut charakterisierten und standardisierten in vitro-Testsysteme machen es
möglich, Medikamentenuntersuchungen an menschlichen Zellen durchzuführen. Hinsichtlich
der histologischen Architektur und funktionellen Eigenschaften der 3D-Modelle konnte eine
hohe in vitro-/in vivo-Korrelation zu menschlichem Gewebe festgestellt werden. Humane
Mucine auf den 3D-Modellen dienten zur Untersuchung der schleimlösenden Wirkung von
ACC-beladenen Partikeln. Standen diese in räumlichem Kontakt zu den Mucinen, wurde deren
Zähigkeit durch das freigesetzte ACC herabgesetzt, was qualitativ mittels histologischen
Methoden bestätigt werden konnte.
Die in dieser Arbeit entwickelten Herstellungsprotokolle dienen als Grundlage und können
für die Synthese ähnlicher Systeme, basierend auf anderen Polymeren und Wirkstoffen,
modifiziert werden. Gelatine und PLGA erwiesen sich als vielseitig einsetzbare Werkstoffe
und bieten eine breite Anwendungsvielfalt in der Regenerativen Medizin, was die erzielten
Resultate bekräftigen.
Using Illumina 450K arrays, 1.85% of all analyzed CpG sites were significantly hypermethylated and 0.31% hypomethylated in fetal Down syndrome (DS) cortex throughout the genome. The methylation changes on chromosome 21 appeared to be balanced between hypo- and hyper-methylation, whereas, consistent with prior reports, all other chromosomes showed 3-11times more hyper- than hypo-methylated sites. Reduced NRSF/REST expression due to upregulation of DYRK1A (on chromosome 21q22.13) and methylation of REST binding sites during early developmental stages may contribute to this genome-wide excess of hypermethylated sites. Upregulation of DNMT3L (on chromosome 21q22.4) could lead to de novo methylation in neuroprogenitors, which then persists in the fetal DS brain where DNMT3A and DNMT3B become downregulated. The vast majority of differentially methylated promoters and genes was hypermethylated in DS and located outside chromosome 21, including the protocadherin gamma (PCDHG) cluster on chromosome 5q31, which is crucial for neural circuit formation in the developing brain. Bisulfite pyrosequencing and targeted RNA sequencing showed that several genes of PCDHG subfamilies A and B are hypermethylated and transcriptionally downregulated in fetal DS cortex. Decreased PCDHG expression is expected to reduce dendrite arborization and growth in cortical neurons. Since constitutive hypermethylation of PCDHG and other genes affects multiple tissues, including blood, it may provide useful biomarkers for DS brain development and pharmacologic targets for therapeutic interventions.
Die Blut-Hirn-Schranke (BHS) stellt eine der dichtesten und wichtigsten Barrieren zwischen Blutzirkulation und Zentralnervensystem (ZNS) dar. Sie besteht aus spezialisierten Endothelzellen, welche die zerebralen Kapillaren auskleiden und durch sehr dichte Tight Junctions (TJs) miteinander verbunden sind. Weitere Komponenten der dynamischen Blut-Hirn-Schrankenbarriere stellen Perizyten, Astrozyten, Neurone und Mikrogliazellen dar, welche zusammen mit der extrazellulären Matrix der Basalmembran der Gehirnkapillaren und den zuvor genannten Endothelzellen ein komplexes regulatorisches System, die so genannte neurovaskuläre Einheit bilden (Hawkins und Davis 2005).
Die Hauptfunktionen der BHS lassen sich in drei Untergruppen untergliedern, die physikalische, metabolische und Transport-Barriere (Neuhaus und Noe 2010). Hauptsächlich dient die BHS der Aufrechterhaltung der Homöostase des ZNS und dem Schutz vor neurotoxischen Substanzen sowie Pathogenen, wie Bakterien und Viren. Zudem ist sie auch für die Versorgung der Neuronen mit Nährstoffen und regulierenden Substanzen sowie den Efflux von Stoffwechselendprodukten des ZNS zurück ins Blut verantwortlich. Für die Entwicklung von Medikamenten zur Behandlung von neurodegenerativen Erkrankungen, wie Morbus Alzheimer, Morbus Parkinson und Multiple Sklerose oder Gehirntumoren, stellt die Dichtigkeit der BHS gegenüber Substanzen und die hohe metabolische Aktivität der Endothelzellen aber ein großes Problem dar. Viele Medikamente sind nicht in der Lage in ausreichender Konzentration die BHS zu überwinden, um an ihren Wirkort zu gelangen oder werden vor dem Transport metabolisiert und die Wirksamkeit dadurch eingeschränkt. Weiterhin spielen auch Defekte der BHS eine entscheidende Rolle in der Beeinflussung der Pathogenese vieler ZNS-Erkrankungen.
Aufgrund des hohen Bedarfs an geeigneten Testsystemen in der Grundlagen- sowie präklinischen Forschung für Medikamentenentwicklung und Infektionsstudien wurden eine Vielzahl unterschiedlicher BHS-Modelle entwickelt. Neben in silico-, azellulären in vitro- und in vivo-Modellen sind auch zahlreiche zellbasierte Modelle der BHS entwickelt worden. Standardisierte Modelle auf Basis immortalisierter
Zelllinien jedoch weisen nur eine inhomogene TJ-Expression auf und verfügen meist
über eine geringe Barriereintegrität, erfasst über transendotheliale elektrische Widerstände (TEER)
unter 150
· cm2 (Deli et al. 2005). Im Vergleich dazu wurden in Tierexperimenten TEER-Werte
von mehr als 1500
· cm2 an der BHS gemessen (Butt et al. 1990; Crone und Olesen 1982). Die
Verfügbarkeit humaner primärer BHS-Zellen ist sehr limitiert und ihr Einsatz nicht nur im Hinblick
auf ethische Aspekte bedenklich. Humane Gehirnzellen können z. B. aus Biopsie- oder Autopsiematerial
von Patienten mit Epilepsie oder Gehirntumoren isoliert werden. Allerdings besteht hier
das Risiko, dass die isolierten Zellen krankheitsbedingt verändert sind, was die Eigenschaften der
BHS-Modelle erheblich beeinflussen kann.
Eine Alternative, die diese Probleme umgeht, ist die Verwendung von humanen induziert pluripotenten
Stammzellen (hiPSCs), um standardisierte humane BHS-Modelle unter reproduzierbaren
Bedingungen bereitzustellen.
Im Rahmen dieser Arbeit ist es gelungen, hiPSCs in vitro nach etablierten und standardisierten Methoden
in Endothelzellen der BHS, neurale Stammzellen (hiPS-NSCs) sowie Astrozyten (hiPS-A)
zu differenzieren (Lippmann et al. 2012; Lippmann et al. 2014; Wilson et al. 2015; Yan et al. 2013;Reinhardt et al. 2013) und zum Aufbau der Modelle einzusetzen. Die Endothelzellen wurden mit
Hilfe protein- und genbasierter Nachweismethoden auf das Vorhandensein von endothelzellspezifischen
TJ-Markern sowie spezifischen Transportern untersucht und funktionell charakterisiert. Die
Kryokonservierung der hiPS-EC-Progenitoren, die im Rahmen der vorliegenden Arbeit entwickelt
wurde, ermöglicht eine größere räumliche und zeitliche Flexibilität beim Arbeiten mit den stammzellbasierten
Modellen sowie das Anlegen standardisierter Zellbanken. Weiterhin wurden multipotente
NSCs aus fetalen Gehirnbiopsien isoliert (fNSCs) und als Kontrollkulturen zu den hiPS-NSCs
für den Aufbau von BHS-Modellen eingesetzt.
Mit dem Ziel die in vivo-BHS bestmöglich zu imitieren und die Modelleigenschaften zu optimieren,
wurde ein Set aus zehn unterschiedlichen BHS-Modellen basierend auf primären Zellen, hiPSCs
und fNSCs analysiert. Der Aufbau der BHS-Modelle erfolgte unter Verwendung von Transwellsystemen.
Durch die systematische Untersuchung des Einflusses der unterschiedlichen Zelltypen der
neurovaskulären Einheit auf die Barriereintegrität und Genexpression des BHS-Endothels, konnten
die Quadrupel-Kulturen mit Perizyten, Astrozyten und hiPS-NSCs als die Kultur mit den physiologischsten
Eigenschaften identifiziert werden. Auf Grund der signifikant erhöhten TEER-Werte
von bis zu 2500
· cm2 und einer um mindestens 1,5-fachen Steigerung der Genexpression BHSrelevanter
Transporter und TJ-Moleküle gegenüber den Monokulturen, wurden diese Modelle für
weiterführende Studien ausgewählt.
Das Vorhandensein eines komplexen, in vivo-ähnlichen TJ-Netzwerkes, bestehend aus Occludin,
Claudin 1, 3, 4 und 5, konnte mittels quantitativer Realtime-PCR, Western Blot sowie ultrastruktureller
Analyse in der Gefrierbruch- und Raster-Elektronenmikroskopie nachgewiesen werden.
Neben der Begrenzung der parazellulären Permeabilität, welche über die geringe Permeation von
FITC-Dextran (4 kDa und 40 kDa), Fluoreszein und Lucifer Yellow nachgewiesen wurde, stellt die
BHS ebenfalls eine Barriere für den transzellulären Transport von Substanzen dar. Eine Beurteilung
der Modelle hinsichtlich der Qualifikation für die Nutzung im Wirkstoffscreening wurde mit
Hilfe von Transportversuchen unter dem Einsatz von BHS-relevanten Referenzsubstanzen durchgeführt.
Die Klassifikation der Testsubstanzen erfolgte analog ihrer Permeationsgeschwindigkeiten:
Diazepam und Koffein gelten als schnell transportierte Wirkstoffe, Ibuprofen, Celecoxib und Diclofenac
werden mit einer mittleren Geschwindigkeit über die BHS transportiert und Loratadin sowie
Rhodamin 123 sind langsam permeierende Substanzen. Innerhalb der Versuche mit den Quadrupelkulturen
wurde diese Reihenfolge bestätigt, lediglich für Koffein wurde ein signifikant niedrigerer
Permeationskoeffizient verglichen mit der Monokultur erzielt.
Der Einsatz der hiPSC-Technologie ermöglicht es zudem, aus einer Stammzelllinie große Mengen
an humanen somatischen Zelltypen zu generieren und für gezielte Anwendungen bereitzustellen.
Es konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass mit Hilfe eines eigens für diese Zwecke
konstruierten Rührreaktorsystems eine reproduzierbare Expansion der hiPSCs unter definierten Bedingungen
ermöglicht wurde. Basierend auf dieser Grundlage ist nun ein Hochdurchsatz-Screening
von Medikamenten denkbar.
Die in dieser Arbeit präsentierten Daten belegen die Etablierung eines stammzellbasierten in vitro-
Quadrupelmodels der humanen BHS, welches über in vivo-ähnliche Eigenschaften verfügt. Die
Anforderungen, die an humane BHS-Modelle gestellt werden, wie die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse,
eine angemessene Charakterisierung, welche die Untersuchung der Permeabilität von Referenzsubstanzen
einschließt, die Analyse der Expression von BHS-relevanten Transportermolekülen sowie die solide und physiologische Morphologie der Zellen, wurden erfüllt.
Das etablierte BHS-Modell kann in der Pharmaindustrie für die Entwicklung von Medikamenten
eingesetzt werden. Ausreichend qualifizierte Modelle können hier in der präklinischen Forschung
genutzt werden, um Toxizitäts- und Transportstudien an neu entwickelten Substanzen durchzuführen
und eine bessere in vitro-in vivo-Korrelation der Ergebnisse zu ermöglichen oder Mechanismen
zu entwickeln, um die BHS-Barriere gezielt zu überwinden.
Background: In the phase III AVAGAST trial, the addition of bevacizumab to chemotherapy improved progression-free survival (PFS) but not overall survival (OS) in patients with advanced gastric cancer. We studied the role of Angiopoietin-2 (Ang-2), a key driver of tumour angiogenesis, metastasis and resistance to antiangiogenic treatment, as a biomarker.
Methods: Previously untreated, advanced gastric cancer patients were randomly assigned to receive bevacizumab (n = 387) or placebo (n = 387) in combination with chemotherapy. Plasma collected at baseline and at progression was analysed by ELISA. The role of Ang-2 as a prognostic and a predictive biomarker of bevacizumab efficacy was studied using a Cox proportional hazards model. Logistic regression analysis was applied for correlations with metastasis. Results: Median baseline plasma Ang-2 levels were lower in Asian (2143 pg ml\(^-\)\(^1\)) vs non-Asian patients (3193 pg ml\(^-\)\(^1\)), P<0.0001. Baseline plasma Ang-2 was identified as an independent prognostic marker for OS but did not predict bevacizumab efficacy alone or in combination with baseline VEGF. Baseline plasma Ang-2 correlated with the frequency of liver metastasis (LM) at any time: Odds ratio per 1000 pg ml\(^-\)\(^1\) increase: 1.19; 95% CI 1.10-1.29; P<0.0001 (non-Asians) and 1.37; 95% CI 1.13-1.64; P = 0.0010 (Asians).
Conclusions: Baseline plasma Ang-2 is a novel prognostic biomarker for OS in advanced gastric cancer strongly associated with LM. Differences in Ang-2 mediated vascular response may, in part, account for outcome differences between Asian and non-Asian patients; however, data have to be further validated. Ang-2 is a promising drug target in gastric cancer.
Internally fertilizing animals show a remarkable diversity in male genital morphology that is associated with sexual selection, and these traits are thought to be evolving particularly rapidly. Male fish in some internally fertilizing species have “gonopodia,” highly modified anal fins that are putatively important for sexual selection. However, our understanding of the evolution of genital diversity remains incomplete. Contrary to the prediction that male genital traits evolve more rapidly than other traits, here we show that gonopodial traits and other nongonopodial traits exhibit similar evolutionary rates of trait change and also follow similar evolutionary models in an iconic genus of poeciliid fish (Xiphophorus spp.). Furthermore, we find that both mating and nonmating natural selection mechanisms are unlikely to be driving the diverse Xiphophorus gonopodial morphology. Putative holdfast features of the male genital organ do not appear to be influenced by water flow, a candidate selective force in aquatic habitats. Additionally, interspecific divergence in gonopodial morphology is not significantly higher between sympatric species, than between allopatric species, suggesting that male genitals have not undergone reproductive character displacement. Slower rates of evolution in gonopodial traits compared with a subset of putatively sexually selected nongenital traits suggest that different selection mechanisms may be acting on the different trait types. Further investigations of this elaborate trait are imperative to determine whether it is ultimately an important driver of speciation.
Background
Tropical mountain forests are hotspots of biodiversity hosting a huge but little known diversity of insects that is endangered by habitat destruction and climate change. Therefore, rapid assessment approaches of insect diversity are urgently needed to complement slower traditional taxonomic approaches. We empirically compare different DNA-based species delimitation approaches for a rapid biodiversity assessment of hyperdiverse leaf beetle assemblages along an elevational gradient in southern Ecuador and explore their effect on species richness estimates.
Methodology/Principal Findings
Based on a COI barcode data set of 674 leaf beetle specimens (Coleoptera: Chrysomelidae) of 266 morphospecies from three sample sites in the Podocarpus National Park, we employed statistical parsimony analysis, distance-based clustering, GMYC- and PTP-modelling to delimit species-like units and compared them to morphology-based (parataxonomic) species identifications. The four different approaches for DNA-based species delimitation revealed highly similar numbers of molecular operational taxonomic units (MOTUs) (n = 284–289). Estimated total species richness was considerably higher than the sampled amount, 414 for morphospecies (Chao2) and 469–481 for the different MOTU types. Assemblages at different elevational levels (1000 vs. 2000 m) had similar species numbers but a very distinct species composition for all delimitation methods. Most species were found only at one elevation while this turnover pattern was even more pronounced for DNA-based delimitation.
Conclusions/Significance
Given the high congruence of DNA-based delimitation results, probably due to the sampling structure, our study suggests that when applied to species communities on a regionally limited level with high amount of rare species (i.e. ~50% singletons), the choice of species delimitation method can be of minor relevance for assessing species numbers and turnover in tropical insect communities. Therefore, DNA-based species delimitation is confirmed as a valuable tool for evaluating biodiversity of hyperdiverse insect communities, especially when exact taxonomic identifications are missing.
Correlating molecular labeling at the ultrastructural level with high confidence remains challenging. Array tomography (AT) allows for a combination of fluorescence and electron microscopy (EM) to visualize subcellular protein localization on serial EM sections. Here, we describe an application for AT that combines near-native tissue preservation via high-pressure freezing and freeze substitution with super-resolution light microscopy and high-resolution scanning electron microscopy (SEM) analysis on the same section. We established protocols that combine SEM with structured illumination microscopy (SIM) and direct stochastic optical reconstruction microscopy (dSTORM). We devised a method for easy, precise, and unbiased correlation of EM images and super-resolution imaging data using endogenous cellular landmarks and freely available image processing software. We demonstrate that these methods allow us to identify and label gap junctions in Caenorhabditis elegans with precision and confidence, and imaging of even smaller structures is feasible. With the emergence of connectomics, these methods will allow us to fill in the gap-acquiring the correlated ultrastructural and molecular identity of electrical synapses.
Agricultural intensification often leads to fragmentation of natural habitats, such as forests, and thereby negatively affects forest specialist species. However, human introduced habitats, such as hedges, may counteract negative effects of forest fragmentation and increase dispersal, particularly of forest specialists. We studied effects of habitat type (forest edge versus hedge) and hedge isolation from forests (connected versus isolated hedge) in agricultural landscapes on abundance, species richness and community composition of mice, voles and shrews in forest edges and hedges. Simultaneously to these effects of forest edge/hedge type we analysed impacts of habitat structure, namely percentage of bare ground and forest edge/hedge width, on abundance, species richness and community composition of small mammals. Total abundance and forest specialist abundance (both driven by the most abundant species Myodes glareolus, bank vole) were higher in forest edges than in hedges, while hedge isolation had no effect. In contrast, abundance of habitat generalists was higher in isolated compared to connected hedges, with no effect of habitat type (forest edge versus hedge). Species richness as well as abundance of the most abundant habitat generalist Sorex araneus (common shrew), were not affected by habitat type or hedge isolation. Decreasing percentage of bare ground and increasing forest edge/hedge width was associated with increased abundance of forest specialists, while habitat structure was unrelated to species richness or abundance of any other group. Community composition was driven by forest specialists, which exceeded habitat generalist abundance in forest edges and connected hedges, while abundances were similar to each other in isolated hedges. Our results show that small mammal forest specialists prefer forest edges as habitats over hedges, while habitat generalists are able to use unoccupied ecological niches in isolated hedges. Consequently even isolated hedges can be marginal habitats for forest specialists and habitat generalists and thereby may increase regional farmland biodiversity.
Purpose
Wilms tumor (WT) is the most common pediatric renal tumor. Treatment planning under International Society of Paediatric Oncology (SIOP) protocols is based on staging and histologic assessment of response to preoperative chemotherapy. Despite high overall survival (OS), many relapses occur in patients without specific risk factors, and many successfully treated patients are exposed to treatments with significant risks of late effects. To investigate whether molecular biomarkers could improve risk stratification, we assessed 1q status and other potential copy number biomarkers in a large WT series.
Materials and Methods
WT nephrectomy samples from 586 SIOP WT 2001 patients were analyzed using a multiplex ligation-dependent probe amplification (MLPA) assay that measured the copy number of 1q and other regions of interest.
Results
One hundred sixty-seven (28%) of 586 WTs had 1q gain. Five-year event-free survival (EFS) was 75.0% in patients with 1q gain (95% CI, 68.5% to 82.0%) and 88.2% in patients without gain (95% CI, 85.0% to 91.4%). OS was 88.4% with gain (95% CI, 83.5% to 93.6%) and 94.4% without gain (95% CI, 92.1% to 96.7%). In univariable analysis, 1q gain was associated with poorer EFS (P<.001; hazard ratio, 2.33) and OS (P=.01; hazard ratio, 2.16). The association of 1q gain with poorer EFS retained significance in multivariable analysis adjusted for 1p and 16q loss, sex, stage, age, and histologic risk group. Gain of 1q remained associated with poorer EFS in tumor subsets limited to either intermediate-risk localized disease or nonanaplastic localized disease. Other notable aberrations associated with poorer EFS included MYCN gain and TP53 loss.
Conclusion
Gain of 1q is a potentially valuable prognostic biomarker in WT, in addition to histologic response to preoperative chemotherapy and tumor stage.
Genetic Dissection of Aversive Associative Olfactory Learning and Memory in Drosophila Larvae
(2016)
Memory formation is a highly complex and dynamic process. It consists of different phases, which depend on various neuronal and molecular mechanisms. In adult Drosophila it was shown that memory formation after aversive Pavlovian conditioning includes—besides other forms—a labile short-term component that consolidates within hours to a longer-lasting memory. Accordingly, memory formation requires the timely controlled action of different neuronal circuits, neurotransmitters, neuromodulators and molecules that were initially identified by classical forward genetic approaches. Compared to adult Drosophila, memory formation was only sporadically analyzed at its larval stage. Here we deconstruct the larval mnemonic organization after aversive olfactory conditioning. We show that after odor-high salt conditioning larvae form two parallel memory phases; a short lasting component that depends on cyclic adenosine 3’5’-monophosphate (cAMP) signaling and synapsin gene function. In addition, we show for the first time for Drosophila larvae an anesthesia resistant component, which relies on radish and bruchpilot gene function, protein kinase C activity, requires presynaptic output of mushroom body Kenyon cells and dopamine function. Given the numerical simplicity of the larval nervous system this work offers a unique prospect for studying memory formation of defined specifications, at full-brain scope with single-cell, and single-synapse resolution.