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Die Alzheimer'sche Erkrankung wird derzeit durch die Gabe von Acetylcholinesterase- Inhibitoren (AChEI) symptomatisch behandelt. Durch die AChE-Hemmung steht mehr Acetylcholin (ACh) für die Neurotransmission zur Verfügung. Bei Progression der Erkran-kung nimmt der Anteil an AChE drastisch ab, so dass die Enzymisoform Butyrylcholin- esterase (BChE) die Hydrolyse des Neurotransmitters ACh übernimmt. In späten Phasen der Alzheimer'schen Erkrankung ist daher der Einsatz selektiver BChE-Hemmer erfolgsver- sprechend.
Inhibitoren können verschiedene Bindestellen in der Cholinesterase-Bindetasche adressie-ren und dadurch in dieser stabilisiert werden. Zu den Bindestellen zählen die katalytisch aktive Stelle (CAS) am Ende eines 20 Å langen Bindetaschentunnels, die Oxyanion-Vertie-fung, die Cholinbindestelle, sowie die periphere anionische Bindestelle (PAS), welche am Bindetascheneingang lokalisiert ist.
In der vorliegenden Arbeit wurden durch in silico Dockingstudien gezielt Protein-Ligand- Interaktionen untersucht, um Strukturmerkmale hochaffiner Inhibitoren von Cholinesterasen zu identifizieren. Damit soll die zukünftige Entwicklung von Cholinesteraseinhibitoren hinsichtlich der Affinität zum Enzym verbessert werden. Ferner dienten synthetische Untersuchungen eines Naturstoffes dazu, Chinazoliniumverbindungen als Leitstruktur für die Inhibition der Cholinesterasen zu etablieren.
Für hochaffine tri- und tetrazyklische aminsubstituierte AChE-selektive Chinazolin- und Chinazolinoninhibitoren sollte die bevorzugte Orientierung der Liganden in der Bindetasche ermittelt werden. Hierfür ist die Lokalisation des Aminsubstituenten in der CAS (invertierter Bindemodus) oder die dortige Bindung des Chinazolin-/Chinazolinongerüstes (klassischer Bindemodus) denkbar. Anhand eines präferierten einheitlichen Bindemodus sollten die Struktur-Aktivitäts-Beziehungen erklärt werden.
Dockingstudien zeigten die klare Präferenz für den invertierten Bindemodus, bei dem der Aminsubstituent in der Nähe der CAS platziert wird. Ein strukturelles Merkmal für hochaffine Inhibitoren ist ein unter Assaybedingungen protoniertes Amin, welches eine Kation-π-Wechselwirkung zu dem Indolringsystem des Tryptophans der Cholinbindestelle eingehen kann. Für das Ligandengrundgerüst wurde lediglich für tetrazyklische Verbindungen eine π-π-Interaktion mit der peripheren Bindestelle (PAS) am Bindetascheneingang identifiziert. Der Datensatz umfasste auch chirale Chinazolinon- und Chinazolinderivate mit hydrierter C=N-Doppelbindung, die eine schwächere Affinität zu AChE zeigten. Diese ist vermutlich auf das nicht-planare Ligandengrundgerüst zurückzuführen, da vor allem für tetrazyklische chi-rale Verbindungen die Stabilisierung des Ligandengrundgerüstes durch π-π-Interaktionen am Bindetascheneingang aufgrund der Sterik entweder gar nicht, oder nur für ein Enantio-mer möglich ist.
Aufgrund der nanomolaren Affinität der achiralen Chinazolin- und Chinazolinonverbindungen wurden weitere gerichtete Wechselwirkungen in der Bindetasche erwartet. Derartige Wechselwirkungen konnten in Form von Wasserstoffbrücken durch die Verwendung von sieben ausgewählten strukturellen Wassermolekülen im Docking identifiziert werden. Durch diese Wassermoleküle werden Wasserstoffbrücken vom Ligandengrundgerüst zum Protein vermittelt. Diese Wechselwirkungen scheinen essentiell für die Stabilisierung hoch-affiner Chinazolin- und Chinazolinoninhibitoren in der AChE-Bindetasche zu sein.
Zwei photochrome Bis-Tacrin-Konstitutionsisomere (Ring-geöffnete und Ring-geschlossene Form) inhibieren die AChE und zeigen einen unterschiedlichen Effekt in der Hemmung der Amyloid-β Fibrillenbildung. Die Fibrillenbildung wird durch eine unbesetzte periphere Bindestelle (PAS) am Eingang der AChE-Bindetasche katalysiert, weshalb eine unterschiedliche Interaktion der Liganden mit ebendieser Bindestelle vermutet wird.
Dockingstudien lieferten für beide Konstitutionsisomere einen ähnlichen Bindemodus, der vor dem Hintergrund der ähnlichen IC50-Werte von 4.3 und 1.8 nM für die Ring-geöffnete und Ring-geschlossene Form plausibel erscheint. Durch die Auswahl einer geeigneten Röntgenstruktur wurden Dockinglösungen erhalten, bei denen ein Tacrinsubstituent in der PAS bindet und dort π-π-Interaktionen mit einem Tryptophan und einem Tyrosin eingeht. Eine solche Lage des PAS-bindenden Tacrinsubstituenten ist energetisch bevorzugt und drückt sich durch bessere Scores gegenüber Dockinglösungen, bei denen dieser auf der Protein-oberfläche lokalisiert ist, aus. Der andere Tacrinsubstituent bindet in der CAS wie dies von bereits kristallisierten Tacrinderivaten bekannt ist. Mittels molekulardynamischer Simulati-onen wurde die Stabilität der Protein-Dockinglösungs-Komplexe beider Konstitutionsiso-mere verglichen. Dabei wurde die bessere Stabilisierung des CAS-bindenden Tacrinsubsti-tuenten für die Ring-geöffnete Form des Liganden ermittelt. Ferner zeigt sich für die Ring-geöffnete Inhibitorform während der Simulation der Einstrom von sechs Wassermolekülen in einen Hohlraum der PAS. Dies hat zur Folge, dass der PAS-bindende Tacrinsubstituent während der Hälfte der Simulationszeit durch Wasserstoffbrücken in der PAS stabilisiert wird. Ein Wasserstoffbrückennetzwerk diesen Ausmaßes kann für die Ring-geschlossene Inhibitorform nicht ermittelt werden. Die bessere Hemmung der Amyloid-β Fibrillenbildung der Ring-geöffneten Inhibitorform wird daher auf die bessere Stabilisierung des Liganden durch Wasserstoffbrücken in der AChE-Bindetasche zurückgeführt.
Für carbamatsubstituierte Tetrahydrochinazolinverbindungen sollten die bevorzugten Interaktionen in der BChE-Bindetasche ermittelt werden. Die Carbamatverbindungen sind pseudo-irreversible Inhibitoren und zeigen eine zeitabhängige Hemmung mit diversen Interaktionszuständen zwischen Protein und Ligand. Darüber hinaus stellen Dockingstudien in der BChE bislang eine Herausforderung dar, da es derzeit nur zwei Röntgenstrukturen dieses Enzyms mit reversiblen Liganden gibt, weshalb kaum Studien zur Identifikation einer geeigneten Bewertungsfunktion durchgeführt werden können.
Im Docking wurde sich für die Analyse des reversiblen Anlagerungskomplexes entschieden, da das Docking des tetraedrischen Übergangszustandes energetisch entartete Dockinglösungen lieferte. Eine weitere Herausforderung stellte die Größe der BChE-Bindetasche dar, die auch im reversiblen Docking entartete Dockinglösungen lieferte. Aufgrund einer ähnlichen Übertragungsrate aller getesteten Inhibitoren wurde eine konservierte Lage des Carbamates in der Bindetasche angenommen. Deshalb wurde eine repräsentative Dockinglösung einer Referenzverbindung als Ausgangspose für einen Modelling-Ansatz gewählt, die hinsichtlich der Interaktionen in der Bindetasche ausgewählt wurde. Diese Interaktionen sind: 1) Eine Wasserstoffbrückendistanz zwischen der Carbamat-Carbonylgruppe und der Oxyanion-Vertiefung sowie 2) eine Distanz, die den nucleophilen Angriff des Serins auf den Carbamatkohlenstoff erlaubt. Im Modelling-Ansatz wurde die repräsentative Bindepose dazu verwendet die entsprechenden Inhibitoren in der Bindetasche aufzubauen.
Die bevorzugte Position der N-Methylgruppe wurde für beide Enantiomere über die berechneten Spannungsenergien der Bindeposen abgeschätzt. Für die S-Enantiomere ergab sich die präferierte Bindung mit quasi-„axialer“ Methlygruppe und für die R-Enantiomere mit quasi-„äquatorialer“ Stellung dieser. Die Carbamatstrukturen liegen somit mit der Heptylkette in der Acyltasche und die Ligandengrundgerüste werden in einer Seitentasche der BChE-Bindetasche platziert, in der hydrophobe Wechselwirkungen dominieren.
Zusätzlich zu den hochaffinen Chinazolinonverbindungen sollten artverwandte Chinazolini-umverbindungen als Leitstruktur für Cholinesteraseinhibitoren untersucht werden.
Zunächst erfolgten Studien zur chemischen Reaktivität und Stabilität des Naturstoffes Dehydroevodiamin (DHED) sowie seines Benz-Derivates (Benz-DHED). Insbesondere Benz-DHED war unter den bisher verwendeten und in der Literatur beschriebenen Synthesemethoden instabil. Die Untersuchungen erforderten daher zunächst die Einführung einer geeigneten Syntheseroute, in diesem Fall die Oxidation mit KMnO4, einhergehend mit der Verbesserung der Ausbeute und ohne Nebenproduktbildung. Für die zukünftige Synthese von Derivaten wurde die Verwendung einer geeigneten Lewis-Säure-labilen Schutzgruppe herausgearbeitet.
Die untersuchten Chinazoliniumverbindungen zeigen die Eigenschaft, dass sie in Abhängigkeit der Reaktionsbedingungen in zwei Formen (Ring-geöffnet und Ring-geschlossen = Chi-nazoliniumsalz) isoliert werden können. Mittels UV/Vis-Untersuchungen wurde das Gleich-gewicht dieser Spezies aufgeklärt und in wässrigen alkalischen Lösungen die Anreicherung einer dritten, bislang nicht in diesem Zusammenhang beschriebenen, Spezies beobachtet. Als biologisch aktive Spezies konnte die Chinazoliniumform identifiziert werden. In Dockingstudien der Chinazoliniumform von Benz-DHED, nach dem für Carbamatverbindungen entwickelten Modelling-Ansatz, konnte auch hierfür die Stabilisierung der Docking- lösung über eine Wasserstoffbrücke in der BChE-Bindetasche zu einem strukturellen Wassermolekül identifiziert werden. Dies verdeutlicht erneut, dass die Berücksichtigung von Wassermolekülen in Dockingstudien dazu dienen kann zusätzliche Protein-Ligand-Interaktionen festzustellen.
Auf Grundlage der Forschung zu Chinazoliniumverbindungen kann die zukünftige Inhibitorentwicklung von Strukturen basierend auf dieser Substanzklasse erfolgen.
Die durchgeführten synthetischen und theoretischen Studien liefern wichtige Beiträge zum Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Inhibitoren und Cholinesterasen, die in der zukünftigen Inhibitorentwicklung Anwendung finden können.
In this thesis two main projects are presented, both aiming at the overall goal
of particle detector development. In the first part of the thesis detailed shielding
studies are discussed, focused on the shielding section of the planned New Small
Wheel as part of the ATLAS detector upgrade. Those studies supported the discussions
within the upgrade community and decisions made on the final design of
the New Small Wheel. The second part of the thesis covers the design, construction
and functional demonstration of a test facility for gaseous detectors at the
University of Würzburg. Additional studies on the trigger system of the facility are
presented. Especially the precision and reliability of reference timing signals were
investigated.
β-glucans are well-known modulators of the immune system in mammals but little is known about β-glucan triggered immunity in planta. Here we show by isothermal titration calorimetry, circular dichroism spectroscopy and nuclear magnetic resonance spectroscopy that the FGB1 gene from the root endophyte Piriformospora indica encodes for a secreted fungal-specific β-glucan-binding lectin with dual function. This lectin has the potential to both alter fungal cell wall composition and properties, and to efficiently suppress β-glucan-triggered immunity in different plant hosts, such as Arabidopsis, barley and Nicotiana benthamiana. Our results hint at the existence of fungal effectors that deregulate innate sensing of β-glucan in plants.
G-quadruplex structures are highly stable alternative DNA structures that can, when not properly regulated, impede replication fork progression and cause genome instability (Castillo Bosch et al, 2014; Crabbe et al, 2004; Koole et al, 2014; Kruisselbrink et al, 2008; London et al, 2008; Lopes et al, 2011; Paeschke et al, 2013; Paeschke et al, 2011; Piazza et al, 2015; Piazza et al, 2010; Piazza et al, 2012; Ribeyre et al, 2009; Sabouri et al, 2014; Sarkies et al, 2012; Sarkies et al, 2010; Schiavone et al, 2014; Wu & Spies, 2016; Zimmer et al, 2016). The aim of this thesis was to identify novel G-quadruplex interacting proteins in Saccharomyces cerevisiae and to unravel their regulatory function at these structures to maintain genome integrity. Mms1 and Rtt101 were identified as G-quadruplex binding proteins in vitro via a pull-down experiment with subsequent mass spectrometry analysis. Rtt101, Mms1 and Mms22, which are all components of an ubiquitin ligase (Rtt101Mms1/Mms22), are important for the progression of the replication fork following fork stalling (Luke et al, 2006; Vaisica et al, 2011; Zaidi et al, 2008). The in vivo binding of endogenously tagged Mms1 to its target regions was analyzed genome-wide using chromatin-immunoprecipitation followed by deep-sequencing. Interestingly, Mms1 bound independently of Mms22 and Rtt101 to G-rich regions that have the potential to form G-quadruplex structures. In vitro, formation of G-quadruplex structures could be shown for the G-rich regions Mms1 bound to. This binding was observed throughout the cell cycle. Furthermore, the deletion of MMS1 caused replication fork stalling as evidenced by increased association of DNA Polymerase 2 at Mms1 dependent sites. A gross chromosomal rearrangement assay revealed that deletion of MMS1 results in a significantly increased genome instability at G-quadruplex motifs compared to G-rich or non-G-rich regions. Additionally, binding of the helicase Pif1, which unwinds G4 structures in vitro (Paeschke et al, 2013; Ribeyre et al, 2009; Sanders, 2010; Wallgren et al, 2016), to Mms1 binding sites was reduced in mms1 cells. The data presented in this thesis, together with published data, suggests a novel mechanistic model in which Mms1 binds to G-quadruplex structures and enables Pif1 association. This allows for replication fork progression and genome integrity.
Background
Genetic code expansion has developed into an elegant tool to incorporate unnatural amino acids (uAA) at predefined sites in the protein backbone in response to an amber codon. However, recombinant production and yield of uAA comprising proteins are challenged due to the additional translation machinery required for uAA incorporation.
Results
We developed a microtiter plate-based high-throughput monitoring system (HTMS) to study and optimize uAA integration in the model protein enhanced green fluorescence protein (eGFP). Two uAA, propargyl-L-lysine (Plk) and (S)-2-amino-6-((2-azidoethoxy) carbonylamino) hexanoic acid (Alk), were incorporated at the same site into eGFP co-expressing the native PylRS/tRNAPyl CUA pair originating from Methanosarcina barkeri in E. coli. The site-specific uAA functionalization was confirmed by LC-MS/MS analysis. uAA-eGFP production and biomass growth in parallelized E. coli cultivations was correlated to (i) uAA concentration and the (ii) time of uAA addition to the expression medium as well as to induction parameters including the (iii) time and (iv) amount of IPTG supplementation. The online measurements of the HTMS were consolidated by end point-detection using standard enzyme-linked immunosorbent procedures.
Conclusion
The developed HTMS is powerful tool for parallelized and rapid screening. In light of uAA integration, future applications may include parallelized screening of different PylRS/tRNAPyl CUA pairs as well as further optimization of culture conditions.
BACKGROUND:
Thigmotaxis refers to a specific behavior of animals (i.e., to stay close to walls when exploring an open space). Such behavior can be assessed with the open field test (OFT), which is a well-established indicator of animal fear. The detection of similar open field behavior in humans may verify the translational validity of this paradigm. Enhanced thigmotaxis related to anxiety may suggest the relevance of such behavior for anxiety disorders, especially agoraphobia.
METHODS:
A global positioning system was used to analyze the behavior of 16 patients with agoraphobia and 18 healthy individuals with a risk for agoraphobia (i.e., high anxiety sensitivity) during a human OFT and compare it with appropriate control groups (n = 16 and n = 19). We also tracked 17 patients with agoraphobia and 17 control participants during a city walk that involved walking through an open market square. RESULTS: Our human OFT triggered thigmotaxis in participants; patients with agoraphobia and participants with high anxiety sensitivity exhibited enhanced thigmotaxis. This behavior was evident in increased movement lengths along the wall of the natural open field and fewer entries into the center of the field despite normal movement speed and length. Furthermore, participants avoided passing through the market square during the city walk, indicating again that thigmotaxis is related to agoraphobia.
CONCLUSIONS:
This study is the first to our knowledge to verify the translational validity of the OFT and to reveal that thigmotaxis, an evolutionarily adaptive behavior shown by most species, is related to agoraphobia, a pathologic fear of open spaces, and anxiety sensitivity, a risk factor for agoraphobia.
13-Lipoxygenase-derived oxylipins, such as jasmonates act as potent signaling molecules in plants. Although experimental evidence supports the impact of oxylipins generated by the 9-Lipoxygenase (9-LOX) pathway in root development and pathogen defense, their signaling function in plants remains largely elusive. Based on the root growth inhibiting properties of the 9-LOX-oxylipin 9-HOT (9-hydroxy-10,12,15-octadecatrienoic acid), we established a screening approach aiming at identifying transcription factors (TFs) involved in signaling and/or metabolism of this oxylipin. Making use of the AtTORF-Ex (Arabidopsis thaliana Transcription Factor Open Reading Frame Expression) collection of plant lines overexpressing TF genes, we screened for those TFs which restore root growth on 9-HOT. Out of 6,000 lines, eight TFs were recovered at least three times and were therefore selected for detailed analysis. Overexpression of the basic leucine Zipper (bZIP) TF TGA5 and its target, the monoxygenase CYP81D11 reduced the effect of added 9-HOT, presumably due to activation of a detoxification pathway. The highly related ETHYLENE RESPONSE FACTORs ERF106 and ERF107 induce a broad detoxification response towards 9-LOX-oxylipins and xenobiotic compounds. From a set of 18 related group S-bZIP factors isolated in the screen, bZIP11 is known to participate in auxin-mediated root growth and may connect oxylipins to root meristem function. The TF candidates isolated in this screen provide starting points for further attempts to dissect putative signaling pathways involving 9-LOX-derived oxylipins.
The impurity profiling of pharmaceutical ingredients can oppose many challenges. The best part of active pharmaceutical ingredients (APIs) and the related substances are detectable by UV detection, a very common detection principle. However, if an API lacks a suitable chromophore other means of detection are necessary. The corona charged aerosol detector (CAD) is a detector capable of detecting substances independent of their chemical structure. This “universal” detector has only one limitation: The analyte has to have a sufficiently low vapor pressure. Another important challenge that comes often together with the lack of a chromophore concerns the separation. These substances (e.g. most amino acids and derivatives) often contain structures that make them difficult to retain on conventional reversed phase columns.
Possible solutions to overcome these challenges, like the application of the CAD and the benefit of so-called mixed-mode stationary phases in impurity profiling for pharmacopoeial purposes were explored in this work. The related substances analyzed in this thesis comprise amino acids, inorganic ions, bisphosphonic acids, basic and acidic derivatives of amino acids (esters and amides).
The successful development and validation of mixed-mode liquid chromatography methods with CAD detection for carbocisteine and ibandronate sodium might help to increase the acceptance of this versatile detector in the pharmaceutical industry and in official authorities dealing with the determination of related substances.
The combination of UV and CAD detection proved very useful during the analysis of Bicisate. Most of the related substances and some unidentified impurities were detectable by CAD whereas a synthesis by-product, a semi-volatile ester, was only detectable in the UV trace. The simple combination covers all relevant impurities in a single analysis.
Two truly orthogonal methods regarding separation and detection for the enantiomeric purity of magnesium-L-aspartate helped to find the reason for elevated D aspartic acid content in the drug substance. A very quick and sensitive indirect separation using the OPA derivatization with NAC was developed as a powerful screening tool, whereas the direct separation of D- and L-CBQCA-Asp derivatives confirmed the results. Both methods were optimized in order to do without substances mentioned on the REACH list, like sodium tetraborate which is very frequently applied in standard derivatization protocols and CE separations.
The importance of orthogonal detection principles in the determination of related substances of amino acids was discussed in a review article dealing with the revision of amino acid monographs in the Ph. Eur..
The present work addressed the influence of spins on fundamental processes in organic
semiconductors. In most cases, the role of spins in the conversion of sun light
into electricity was of particular interest. However, also the reversed process, an electric
current creating luminescence, was investigated by means of spin sensitive measurements.
In this work, many material systems were probed with a variety of innovative
detection techniques based on electron paramagnetic resonance spectroscopy.
More precisely, the observable could be customized which resulted in the experimental
techniques photoluminescence detected magnetic resonance (PLDMR), electrically
detected magnetic resonance (EDMR), and electroluminescence detected magnetic
resonance (ELDMR). Besides the commonly used continuous wave EPR spectroscopy,
this selection of measurement methods yielded an access to almost all intermediate
steps occurring in organic semiconductors during the conversion of light into electricity
and vice versa. Special attention was paid to the fact that all results were applicable
to realistic working conditions of the investigated devices, i.e. room temperature application and realistic illumination conditions.
Long non-coding RNAs are important regulators of gene expression and signaling pathways. The expression of long ncRNAs is dysregulated in cancer and other diseases. The identification and characterization of long ncRNAs is often challenging due to their low expression level and localization to chromatin. Here, we identify a functional long ncRNA, PARROT (Proliferation Associated RNA and Regulator Of Translation) transcribed by RNA polymerase II and expressed at a relatively high level in a number of cell lines. The PARROT long ncRNA is associated with proliferation in both transformed and normal cell lines. We characterize the long ncRNA PARROT as an upstream regulator of c-Myc affecting cellular proliferation and translation using RNA sequencing and mass spectrometry following depletion of the long ncRNA. PARROT is repressed during senescence of human mammary epithelial cells and overexpressed in some cancers, suggesting an important association with proliferation through regulation of c-Myc. With this study, we add to the knowledge of cytoplasmic functional long ncRNAs and extent the long ncRNA-Myc regulatory network in transformed and normal cells.
Introduction
Genes involved in body weight regulation that were previously investigated in genome-wide association studies (GWAS) and in animal models were target-enriched followed by massive parallel next generation sequencing.
Methods
We enriched and re-sequenced continuous genomic regions comprising FTO, MC4R, TMEM18, SDCCAG8, TKNS, MSRA and TBC1D1 in a screening sample of 196 extremely obese children and adolescents with age and sex specific body mass index (BMI) ≥ 99th percentile and 176 lean adults (BMI ≤ 15th percentile). 22 variants were confirmed by Sanger sequencing. Genotyping was performed in up to 705 independent obesity trios (extremely obese child and both parents), 243 extremely obese cases and 261 lean adults.
Results and Conclusion
We detected 20 different non-synonymous variants, one frame shift and one nonsense mutation in the 7 continuous genomic regions in study groups of different weight extremes. For SNP Arg695Cys (rs58983546) in TBC1D1 we detected nominal association with obesity (pTDT = 0.03 in 705 trios). Eleven of the variants were rare, thus were only detected heterozygously in up to ten individual(s) of the complete screening sample of 372 individuals. Two of them (in FTO and MSRA) were found in lean individuals, nine in extremely obese. In silico analyses of the 11 variants did not reveal functional implications for the mutations. Concordant with our hypothesis we detected a rare variant that potentially leads to loss of FTO function in a lean individual. For TBC1D1, in contrary to our hypothesis, the loss of function variant (Arg443Stop) was found in an obese individual. Functional in vitro studies are warranted.
Colorectal Cancer and the Human Gut Microbiome: Reproducibility with Whole-Genome Shotgun Sequencing
(2016)
Accumulating evidence indicates that the gut microbiota affects colorectal cancer development, but previous studies have varied in population, technical methods, and associations with cancer. Understanding these variations is needed for comparisons and for potential pooling across studies. Therefore, we performed whole-genome shotgun sequencing on fecal samples from 52 pre-treatment colorectal cancer cases and 52 matched controls from Washington, DC. We compared findings from a previously published 16S rRNA study to the metagenomics-derived taxonomy within the same population. In addition, metagenome-predicted genes, modules, and pathways in the Washington, DC cases and controls were compared to cases and controls recruited in France whose specimens were processed using the same platform. Associations between the presence of fecal Fusobacteria, Fusobacterium, and Porphyromonas with colorectal cancer detected by 16S rRNA were reproduced by metagenomics, whereas higher relative abundance of Clostridia in cancer cases based on 16S rRNA was merely borderline based on metagenomics. This demonstrated that within the same sample set, most, but not all taxonomic associations were seen with both methods. Considering significant cancer associations with the relative abundance of genes, modules, and pathways in a recently published French metagenomics dataset, statistically significant associations in the Washington, DC population were detected for four out of 10 genes, three out of nine modules, and seven out of 17 pathways. In total, colorectal cancer status in the Washington, DC study was associated with 39% of the metagenome-predicted genes, modules, and pathways identified in the French study. More within and between population comparisons are needed to identify sources of variation and disease associations that can be reproduced despite these variations. Future studies should have larger sample sizes or pool data across studies to have sufficient power to detect associations that are reproducible and significant after correction for multiple testing.
Magnetic Particle Imaging (MPI) ist eine noch sehr junge Technologie unter den nicht-invasiven tomographischen Verfahren. Seit der ersten Veröffentlichung 2005 wurden einige Scannertypen und Konzepte vorgestellt, welche durch die Messung des Antwortsignals von superparamagnetischen Eisennanopartikeln (SPIOs) auf wechselnde Magnetfelder ein dreidi-mensionales Bild ihrer Verteilung berechnen können. Durch die direkte Messung des Tracers handelt es sich beim MPI um eine sehr sensitive und hochspezifische bildgebende Methode.
Zu Beginn dieser Forschungsarbeit gab es nur wenige bekannte MPI-Scanner, die jedoch alle ein nur kleines Field-of-View (FOV) vorweisen konnten. Der Grund dafür liegt in der Ver-wendung von Permanentmagneten.
Das Ziel war es nun, ein neues Konzept auszuarbeiten und einen 3D-MPI-Scanner zu entwer-fen, der in der Lage ist, ein mausgroßes Objekt zu messen.
In dieser Arbeit wird ein alternatives Scannerkonzept für die dreidimensionale Bildge-bung superparamagnetischer Eisennanopartikel vorgestellt. Der Traveling Wave MPI-Scanner (TWMPI) basiert auf einem neu entwickelten Hauptspulensystem, welches aus mehreren Elektromagneten besteht. Dadurch ist die Hardware bereits in der Lage, eine Linie entlang der Symmetrieachse über einen großen Bereich dynamisch zu kodieren. Mit Hilfe weiterer Ab-lenkspulen kann schließlich ein FOV von 65 x 25 x 25 Millimetern dreidimensional abgetastet werden. Dazu stehen mehrere Scanverfahren zur Verfügung, welche das Probenvolumen li-nienweise oder ebenenweise abtasten und mit einer Auflösung von ca. 2 Millimetern die Ver-teilung der SPIOs in wenigen Millisekunden abbilden können.
Mit diesem neuen Hardwareansatz konnte erstmals ein MPI-Scanner mit einem MR-Tomographen (MRT) kombiniert werden. Das MPI/MRT-Hybridsystem liefert tomographi-sche Bilder des Gewebes (MRT) und zeigt die Verteilung des eisenhaltigen Kontrastmittels (MPI), ohne die Probe bewegen zu müssen.
In einer in-vivo Echtzeitmessung konnte der TWMPI-Scanner mit 20 Bildern pro Se-kunde die dynamische Verteilung eines eisenhaltigen Kontrastmittels im Körper und speziell im schlagenden Herzen eines Tieres darstellen. Diese Echtzeitfähigkeit eröffnet in der kardi-ovaskuläre Bildgebung neue Möglichkeiten.
Erste Messungen mit funktionalisierten Eisenpartikeln zeigen die spezifische Bildge-bung verschiedener Zelltypen und stellen einen interessanten Aspekt für die molekulare Bild-gebung dar. Die Sensitivität des Scanners liegt dabei im Bereich von wenigen Mikrogramm Eisen pro Milliliter, was für den Nachweis von wenigen 10.000 mit Eisen markierten Zellen ausreicht.
Neben Messungen an diversen Ferrofluiden und eisenhaltigen Kontrastmitteln konnte der Einfluss von massiven Materialen, wie Eisenstückchen oder Eisenspänen, auf die rekon-struierten Bilder untersucht werden.
Erste Messungen an Gestein zeigen die Verteilung von Eiseneinschlüssen und bieten die Möglichkeit einer weiteren zerstörungsfreien Untersuchungsmethode für Materialwissen-schaftler und Geologen. Weiterführende Testmessungen mit einer unabhängigen μMPI-Anlage zeigen erste Ergebnisse mit Auflösungen im Mikrometerbereich und liefern Erkennt-nisse für den Umgang und Messung mit starken Gradientenfeldern.
Eine Modifizierung der Messanlage erlaubt es, in gerade einmal 500 μs ein komplettes Bild aufzunehmen, womit die Bewegung eines Ferrofluidtropfens in Wasser sichtbar gemacht werden konnte. Damit ist diese TWMPI-Anlage das schnellste MPI-System und eröffnet die Möglichkeit grundlegende Erfahrungen in der Partikeldynamik zu erlangen.
Der vorgestellte Traveling Wave MPI-Scanner ist ein alternativer Scannertyp, welcher sich von anderen MPI-Scannern abhebt. Mit neuen Ansätzen ist in der Lage ein mausgroßes Objekt auf dynamische Weise sehr schnell abzutasten. Dabei konnten in verschiedenen Mes-sungen die Funktionalität und Leistungsfähigkeit des TWMPI-Konzeptes demonstriert wer-den, welche die gesteckten Ziele deutlich übertreffen.
Population-based genome wide association studies have identified a locus at 9p22.2 associated with ovarian cancer risk, which also modifies ovarian cancer risk in BRCA1 and BRCA2 mutation carriers. We conducted fine-scale mapping at 9p22.2 to identify potential causal variants in BRCA1 and BRCA2 mutation carriers. Genotype data were available for 15,252 (2,462 ovarian cancer cases) BRCA1 and 8,211 (631 ovarian cancer cases) BRCA2 mutation carriers. Following genotype imputation, ovarian cancer associations were assessed for 4,873 and 5,020 SNPs in BRCA1 and BRCA 2 mutation carriers respectively, within a retrospective cohort analytical framework. In BRCA1 mutation carriers one set of eight correlated candidate causal variants for ovarian cancer risk modification was identified (top SNP rs10124837, HR: 0.73, 95%CI: 0.68 to 0.79, p-value 2× 10−16). These variants were located up to 20 kb upstream of BNC2. In BRCA2 mutation carriers one region, up to 45 kb upstream of BNC2, and containing 100 correlated SNPs was identified as candidate causal (top SNP rs62543585, HR: 0.69, 95%CI: 0.59 to 0.80, p-value 1.0 × 10−6). The candidate causal in BRCA1 mutation carriers did not include the strongest associated variant at this locus in the general population. In sum, we identified a set of candidate causal variants in a region that encompasses the BNC2 transcription start site. The ovarian cancer association at 9p22.2 may be mediated by different variants in BRCA1 mutation carriers and in the general population. Thus, potentially different mechanisms may underlie ovarian cancer risk for mutation carriers and the general population.
Obesity is a major risk factor predisposing to the development of peripheral insulin resistance and type 2 diabetes (T2D). Elevated food intake and/or decreased energy expenditure promotes body weight gain and acquisition of adipose tissue. Number of studies implicated phospholipase D (PLD) enzymes and their product, phosphatidic acid (PA), in regulation of signaling cascades controlling energy intake, energy dissipation and metabolic homeostasis. However, the impact of PLD enzymes on regulation of metabolism has not been directly determined so far. In this study we utilized mice deficient for two major PLD isoforms, PLD1 and PLD2, to assess the impact of these enzymes on regulation of metabolic homeostasis. We showed that mice lacking PLD1 or PLD2 consume more food than corresponding control animals. Moreover, mice deficient for PLD2, but not PLD1, present reduced energy expenditure. In addition, deletion of either of the PLD enzymes resulted in development of elevated body weight and increased adipose tissue content in aged animals. Consistent with the fact that elevated content of adipose tissue predisposes to the development of hyperlipidemia and insulin resistance, characteristic for the pre-diabetic state, we observed that Pld1\(^{-/-}\) and Pld2\(^{-/-}\) mice present elevated free fatty acids (FFA) levels and are insulin as well as glucose intolerant. In conclusion, our data suggest that deficiency of PLD1 or PLD2 activity promotes development of overweight and diabetes.
We employ transient absorption from the deep-UV to the visible region and fluorescence upconversion to investigate the photoinduced excited-state intramolecular proton-transfer dynamics in a biologically relevant drug molecule, 2-acetylindan-1,3-dione. The molecule is a ß-diketone which in the electronic ground state exists as exocyclic enol with an intramolecular H-bond. Upon electronic excitation at 300 nm, the first excited state of the exocyclic enol is initially populated, followed by ultrafast proton transfer (≈160 fs) to form the vibrationally hot endocyclic enol. Subsequently, solvent-induced vibrational relaxation takes place (≈10 ps) followed by decay (≈390 ps) to the corresponding ground state.
Gefitinib, an EGFR tyrosine kinase inhibitor, is used as FDA approved drug in breast cancer and non-small cell lung cancer treatment. However, this drug has certain side effects and complications for which the underlying molecular mechanisms are not well understood. By systems biology based in silico analysis, we identified off-targets of gefitinib that might explain side effects of this drugs. The crystal structure of EGFR-gefitinib complex was used for binding pocket similarity searches on a druggable proteome database (Sc-PDB) by using IsoMIF Finder. The top 128 hits of putative off-targets were validated by reverse docking approach. The results showed that identified off-targets have efficient binding with gefitinib. The identified human specific off-targets were confirmed and further analyzed for their links with biological process and clinical disease pathways using retrospective studies and literature mining, respectively. Noticeably, many of the identified off-targets in this study were reported in previous high-throughput screenings. Interestingly, the present study reveals that gefitinib may have positive effects in reducing brain and bone metastasis, and may be useful in defining novel gefitinib based treatment regime. We propose that a system wide approach could be useful during new drug development and to minimize side effect of the prospective drug.
Accumulating evidences have assigned a central role to parasite-derived proteins in immunomodulation. Here, we report on the proteomic identification and characterization of immunomodulatory excretory-secretory (ES) products from the metacestode larva (tetrathyridium) of the tapeworm Mesocestoides corti (syn. M. vogae). We demonstrate that ES products but not larval homogenates inhibit the stimuli-driven release of the pro-inflammatory, Th1-inducing cytokine IL-12p70 by murine bone marrow-derived dendritic cells (BMDCs). Within the ES fraction, we biochemically narrowed down the immunosuppressive activity to glycoproteins since active components were lipid-free, but sensitive to heat- and carbohydrate-treatment. Finally, using bioassay-guided chromatographic analyses assisted by comparative proteomics of active and inactive fractions of the ES products, we defined a comprehensive list of candidate proteins released by M. corti tetrathyridia as potential suppressors of DC functions. Our study provides a comprehensive library of somatic and ES products and highlight some candidate parasite factors that might drive the subversion of DC functions to facilitate the persistence of M. corti tetrathyridia in their hosts.
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.
The protozoan parasite Trypanosoma brucei is the causal agent of sleeping sickness and besides its epidemiological importance it has been used as model organism for the study of many aspects of cellular and molecular biology especially the post-transcriptional control of gene expression.
Several studies in the last 30 years have shown the importance of mRNA processing and stability for gene regulation. In T. brucei genes are unusually arranged in polycistronic transcription units (PTUs) and a coupled process of trans-splicing and polyadenylation produces the mature mRNAs. Both processes, mRNA processing and stability, cannot completely explain the control of gene expression in the different life cycle stages analyzed in T. brucei so far.
In recent years, the relevance of expression regulation at the level of translation has become evident in other eukaryotes. Therefore, in the first part of my thesis I studied the impact of translational regulation by means of a genome-wide ribosome profiling approach. My data suggest that translational efficiencies vary between life cycle stages of the parasite as well as between genes within one life cycle stage. Furthermore, using ribosome profiling I was able to identify many new putative un-annotated coding sequences and to evaluate the coding potential of upstream open reading frames (uORF). Comparing my results with previously published proteomic and RNA interference (RNAi) target sequencing (RIT-seq) datasets allowed me to validate some of the new coding sequences and to evaluate their relevance for the fitness of the parasite.
In the second part of my thesis I used the transcriptomic and translatomic profiles obtained from the ribosome profiling analysis for the identification of putative non-coding RNAs (ncRNAs). These results led to the analysis of the coding potential in the regions upstream and downstream of the expressed variant surface glycoprotein (VSG), which is outlined in the third part of the results section. The region upstream of the VSG, the co-transposed region (CTR), has been implicated in an increase of the in situ switching rate upon its deletion. The ribosome profiling results indicated moderate transcription but not translation in this region. These results raised the possibility that the CTR may be transcribed into ncRNA. Therefore, in the third part of my thesis, I performed a primary characterization of the CTR-derived transcripts based on northern blotting and RACE. The results suggested the presence of a unique transcript species of about 1,200 nucleotides (nt) and polyadenylated at the 3’-end of the sequence.
The deletion of the CTR sequence promoting and increase of the in situ switching rates was performed around 20 years ago by means of inserting reporter genes. With the recent development of endonuclease-based tools for genome editing, it is now possible to delete sequences in a marker-free way. In the fourth part of my thesis, I show the results on the implementation of the highly efficient genome-editing CRISPR-Cas9 system in T. brucei using episomes. As a proof of principle, I inserted the sequence coding for the enhanced green fluorescent protein (eGFP) at the end of the SCD6 coding sequence (CDS). Fluorescent cells were observed as early as two days after transfection. Therefore, after the successful set up of the CRISPR-Cas9 system it will be possible to modify genomic regions with more relevance for the biology of the parasite, such as the substitution of codons present in gene tandem arrays.
The implementation of ribosome profiling in T. brucei opens the opportunity for the study of translational regulation in a genome-wide scale, the re-annotation of the currently available genome, the search for new putative coding sequences, the detection of putative ncRNAs, the evaluation of the coding potential in uORFs and the role of unstranslated regions (UTRs) in the regulation of translation. In turn, the implementation of the CRISPR-Cas9 system offers the possibility to manipulate the genome of the parasite at a nucleotide resolution and without the need of including resistant makers. The CRISPR-Cas9 system is a powerful tool for editing ncRNAs, UTRs, multicopy gene families and CDSs keeping their endogenous UTRs. Moreover, the system can be used for the modification of both alleles after just one round of transfection and of codons coding for amino acids carrying post-translational modifications (PTMs) among other possibilities.
G-protein coupled receptors (GPCRs) can activate a heterotrimeric G-protein complex with subsecond kinetics. Genetically encoded biosensors based on Förster resonance energy transfer (FRET) are ideally suited for the study of such fast signaling events in single living cells. Here we report on the construction and characterization of three FRET biosensors for the measurement of Gα\(_{i1}\), Gα\(_{i2}\) and Gα\(_{i3}\) activation. To enable quantitative long-term imaging of FRET biosensors with high dynamic range, fluorescent proteins with enhanced photophysical properties are required. Therefore, we use the currently brightest and most photostable CFP variant, mTurquoise2, as donor fused to Gα\(_{i}\) subunit, and cp173Venus fused to the Gγ\(_{2}\) subunit as acceptor. The Gα\(_{i}\) FRET biosensors constructs are expressed together with Gβ\(_{1}\) from a single plasmid, providing preferred relative expression levels with reduced variation in mammalian cells. The Gα\(_{i}\) FRET sensors showed a robust response to activation of endogenous or over-expressed alpha-2A-adrenergic receptors, which was inhibited by pertussis toxin. Moreover, we observed activation of the Gα\(_{i}\) FRET sensor in single cells upon stimulation of several GPCRs, including the LPA\(_{2}\), M\(_{3}\) and BK\(_{2}\) receptor. Furthermore, we show that the sensors are well suited to extract kinetic parameters from fast measurements in the millisecond time range. This new generation of FRET biosensors for Gα\(_{i1}\), Gα\(_{i2}\) and Gα\(_{i3}\) activation will be valuable for live-cell measurements that probe Gα\(_{i}\) activation.
Most animals live in seasonal environments and experience very different conditions throughout the year. Behavioral strategies like migration, hibernation, and a life cycle adapted to the local seasonality help to cope with fluctuations in environmental conditions. Thus, how an individual utilizes the environment depends both on the current availability of habitat and the behavioral prerequisites of the individual at that time. While the increasing availability and richness of animal movement data has facilitated the development of algorithms that classify behavior by movement geometry, changes in the environmental correlates of animal movement have so far not been exploited for a behavioral annotation. Here, we suggest a method that uses these changes in individual–environment associations to divide animal location data into segments of higher ecological coherence, which we term niche segmentation. We use time series of random forest models to evaluate the transferability of habitat use over time to cluster observational data accordingly. We show that our method is able to identify relevant changes in habitat use corresponding to both changes in the availability of habitat and how it was used using simulated data, and apply our method to a tracking data set of common teal (Anas crecca). The niche segmentation proved to be robust, and segmented habitat suitability outperformed models neglecting the temporal dynamics of habitat use. Overall, we show that it is possible to classify animal trajectories based on changes of habitat use similar to geometric segmentation algorithms. We conclude that such an environmentally informed classification of animal trajectories can provide new insights into an individuals' behavior and enables us to make sensible predictions of how suitable areas might be connected by movement in space and time.
Epitranscriptome modifications are required for structure and function of RNA and defects in these pathways have been associated with human disease. Here we identify the RNA target for the previously uncharacterized 5-methylcytosine (m5C) methyltransferase NSun3 and link m5C RNA modifications with energy metabolism. Using whole-exome sequencing, we identified loss-of-function mutations in NSUN3 in a patient presenting with combined mitochondrial respiratory chain complex deficiency. Patient-derived fibroblasts exhibit severe defects in mitochondrial translation that can be rescued by exogenous expression of NSun3. We show that NSun3 is required for deposition of m5C at the anticodon loop in the mitochondrially encoded transfer RNA methionine (mt-tRNAMet). Further, we demonstrate that m5C deficiency in mt-tRNAMet results in the lack of 5-formylcytosine (f5C) at the same tRNA position. Our findings demonstrate that NSUN3 is necessary for efficient mitochondrial translation and reveal that f5C in human mitochondrial RNA is generated by oxidative processing of m5C.
Cycloid psychoses in the psychosis spectrum: evidence for biochemical differences with schizophrenia
(2016)
Cycloid psychoses (CP) differ from schizophrenia regarding symptom profile, course, and prognosis and over many decades they were thought to be a separate entity within the psychosis spectrum. As to schizophrenia, research into the pathophysiology has focused on dopamine, brain-derived neurotrophic factor, and glutamate signaling in which, concerning the latter, the N-methyl-d-aspartate receptor plays a crucial role. The present study aims to determine whether CP can biochemically be delineated from schizophrenia. Eighty patients referred for psychotic disorders were assessed with the Comprehensive Assessment of Symptoms and History, and (both at inclusion and after 6 weeks of antipsychotic treatment) with the Positive and Negative Syndrome Scale and Clinical Global Impression. From 58 completers, 33 patients were diagnosed with schizophrenia and ten with CP according to the Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders, Fourth Edition, and Leonhard criteria, respectively. Fifteen patients were diagnosed with other disorders within the psychosis spectrum. At both time points, blood levels of the dopamine metabolite homovanillic acid, brain-derived neurotrophic factor, and amino acids related to glutamate neurotransmission were measured and compared with a matched control sample. Patients with CP showed a significantly better response to antipsychotic treatment as compared to patients with schizophrenia. In CP, glycine levels were elevated and tryptophan levels were lowered as compared to schizophrenia. Glutamate levels were increased in both patient groups as compared to controls. These results, showing marked differences in both treatment outcome and glutamate-related variable parameters, may point at better neuroplasticity in CP, necessitating demarcation of this subgroup within the psychosis spectrum.
Adamantiades-Behçet disease (ABD) is a chronic, multisystemic, recurrent, inflammatory vascular disorder of unknown etiology. Patients with symptoms initially appearing at the age of 16 or less are considered as cases of juvenile-onset ABD (JABD). JABD is relatively rare compared to ABD of adults, and only case reports and case studies have been published regarding this subtype of the disease. Epidemiology, clinical features, diagnosis and treatment of JABD are discussed in this review.
In der heutigen Strahlentherapie kann durch eine am Linearbeschleuniger integrierte
Röntgenröhre eine 3D-Bildgebung vor der Bestrahlung durchgeführt werden. Die
sogenannte Kegel-Strahl-CT (Cone-Beam-CT, CBCT) erlaubt eine präzise Verifikation
der Patientenlagerung sowie ein Ausgleich von Lagerungsungenauigkeiten. Dem
Nutzen der verbesserten Patientenlagerung steht jedoch bei täglicher Anwendung eine
erhöhte, nicht zu vernachlässigbare Strahlenexposition des Patienten gegenüber. Eine
Verringerung des Dosisbeitrages bei der CBCT-Bildgebung lässt sich durch
Reduzierung des Stroms zur Erzeugung der Röntgenstrahlung sowie durch
Verringerung der Anzahl an Projektionen erreichen. Die so aufgenommen Projektionen
lassen sich dann aber nur durch aufwendige Rekonstruktionsverfahren zu qualitativ
hochwertigen Bilddatensätzen rekonstruieren. Ein Verfahren, dass für die
Rekonstruktion vorab vorhandene Vorwissensbilder verwendet, ist der Prior-Image-
Constrained-Compressed-Sensing-Rekonstruktionsalgorithmus (PICCS). Die Rekonstruktionsergebnisse
des PICCS-Verfahrens übertreffen die Ergebnisse des auf den
konventionellen Feldkamp-Davis-Kress-Algorithmus (FDK) basierenden Verfahrens,
wenn nur eine geringe Anzahl an Projektionen zur Verfügung steht. Allerdings können
bei dem PICCS-Verfahren derzeit keine großen Variationen in den Vorwissensbildern
berücksichtigt werden und führen zu einer geringeren Bildqualität. Diese Variationen
treten insbesondere durch anatomische Veränderungen wie Tumorverkleinerung oder
Gewichtsveränderungen auf. Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand folglich darin,
einen neuen vorwissensbasierten Rekonstruktionsalgorithmus zu entwickeln, der auf
Basis des PICCS-Verfahrens zusätzlich die Verwendung von lokalen
Verlässlichkeitsinformationen über das Vorwissensbild ermöglicht, um damit die
Variationen in den Vorwissensbildern bei der Rekonstruktion entsprechend
berücksichtigen zu können.
Die grundlegende Idee des neu entwickelten Rekonstruktionsverfahrens ist die
Annahme, dass die Vorwissensbilder aus Bereichen mit kleinen und großen Variationen
bestehen. Darauf aufbauend wird eine Gewichtungsmatrix erzeugt, die die Stärke der
Variationen des Vorwissens im Rekonstruktionsalgorithmus berücksichtigt. In
Machbarkeitsstudien wurde das neue Verfahren hinsichtlich der Verbesserung der Bildqualität unter Berücksichtigung gängiger Dosisreduzierungsstrategien untersucht.
Dazu zählten die Reduktion der Anzahl der Projektionen, die Akquisition von
Projektionen mit kleinerer Fluenz sowie die Verkleinerung des Akquisitionsbereiches.
Die Studien erfolgten an einem Computerphantom sowie insbesondere an
experimentellen Daten, die mit dem klinischen CBCT aufgenommen worden sind. Zum
Vergleich erfolgte die Rekonstruktion mit dem Standardverfahren basierend auf der
gefilterten Rückprojektion, dem Compressed Sensing- sowie dem konventionellen
PICCS-Verfahren.
Das neue Verfahren konnte in den untersuchten Fällen Bilddatensätze mit verbesserter
bis ausgezeichneter Qualität rekonstruieren, sogar dann, wenn nur eine sehr geringe
Anzahl an Projektionen oder nur Projektionen mit starkem Rauschen zur Verfügung
standen. Demgegenüber wiesen die Rekonstruktionsergebnisse der anderen
Algorithmen starke Artefakte auf. Damit eröffnet das neu entwickelte Verfahren die
Möglichkeit durch die Integration von Zuverlässigkeitsinformationen über die
vorhandenen Vorwissensbildern in den Rekonstruktionsalgorithmus, den Dosisbeitrag
bei der täglichen CBCT-Bildgebung zu minimieren und eine ausgezeichnete
Bildqualität erzielen zu können.
Festkörperbasierte Einzelphotonenquellen als Grundbausteine der Quanteninformationstechnologie
(2016)
Die vorliegende Arbeit hatte das Ziel basierend auf Halbleiternanostrukturen eine effiziente und skalierbare Quelle einzelner und ununterscheidbarer Photonen zu entwickeln. Dies ist eine Basiskomponente von zukünftigen quantenphysikalischen Anwendungen wie der Quantenkommunikation oder dem Quantencomputer. Diese Konzepte nutzen gezielt quantenmechanische Systeme um einerseits Kommunikation absolut abhörsicher zu machen oder um neuartige Computer zu konstruieren, die bestimmte Aufgaben - wie die Produktzerlegung großer Zahlen - effizienter lösen als heutige Systeme. Ein mögliche Realisierung der Quantenkommunikation ist beispielsweise die Schlüsselverteilung zwischen zwei Parteien durch Verwendung des BB84-Protokolls. Dazu wird eine Lichtquelle benötigt, welche die physikalisch kleinstmögliche Lichtmenge - ein einzelnes Photon - aussendet. Der Kommunikationskanal wird dann über verschiedene Polarisationszustände dieser Photonen gegen ein Abhören nach außen hin abgesichert. Da die maximale Kommunikationsdistanz aufgrund von Verlusten im Quantenkanal beschränkt ist, muss das Signal für größere Distanzen mit Hilfe eines sog. Quantenrepeaters aufbereitet werden. Ein solcher kann ebenfalls unter Verwendung von Einzelphotonenquellen realisiert werden. Das Konzept des Quantenverstärkers stellt aber die zusätzliche Anforderung an die Einzelphotonenquelle, dass die ausgesendeten Lichtteilchen in der Summe ihrer Eigenschaften wie Energie und Polarisation immer gleich und somit ununterscheidbar sein müssen.
Auf Basis solcher ununterscheidbarer Photonen gibt es zudem mit dem linear optischen Quantenrechner auch mögliche theoretische Ansätze zur Realisierung eines Quantencomputers. Dabei kann über die Quanteninterferenz von ununterscheidbaren Photonen an optischen Bauteilen wie Strahlteilern ein Quanten-NOT-Gatter zur Berechnung spezieller Algorithmen realisiert werden.
Als vielversprechende Kandidaten für eine solche Lichtquelle einzelner Photonen haben sich in den letzten Jahren Halbleiter-Quantenpunkte herauskristallisiert. Dank des festkörperbasierten Ansatzes können diese Strukturen in komplexe photonische Umgebungen zur Erhöhung der Photonen-Extraktionseffizienz und -Emissionsrate eingebettet werden. Ziel dieser Arbeit war somit eine effiziente Quelle einzelner ununterscheidbarer Photonen zu realisieren. Im Hinblick auf die spätere Anwendbarkeit wurde der Fokus zudem auf die skalierbare bzw. deterministische Fabrikation der Quantenpunkt-Strukturen gelegt und zwei technologische Ansätze - die kryogene in-situ-Lithographie und das positionierte Wachstum von Quantenpunkten - untersucht.
Im ersten experimentellen Kapitel dieser Arbeit wird ein neuartiges Materialsystem vorgestellt, welches sich zur Generation einzelner Photonen eignet. Es können spektral scharfe Emissionslinien mit Linienbreiten bis knapp über 50 µeV aus Al$_{0,48}$In$_{0,52}$As Volumenmaterial beobachtet werden, wenn diese Schicht auf InP(111) Substraten abgeschieden wird. In Querschnitt-Rastertunnelmikroskopie-Messungen wurden ca. 16 nm große Cluster, welche eine um ungefähr 7 % höhere Indiumkonzentration im Vergleich zur nominellen Zusammensetzung des Volumenmaterials besitzen, gefunden. Über die Simulation dieser Strukturen konnten diese als Quelle der spektral scharfen Emissionslinien identifiziert werden. Zudem wurde mittels Auto- und Kreuzkorrelationsmessungen nachgewiesen, dass diese Nanocluster einzelne Photonen emittieren und verschieden geladene exzitonische und biexzitonische Ladungsträgerkomplexe binden können.
Anschließend wurde der Fokus auf InGaAs-Quantenpunkte gelegt und zunächst im Rahmen einer experimentellen und theoretischen Gemeinschaftsarbeit die Kohärenzeigenschaften eines gekoppelten Quantenpunkt-Mikrokavität-Systems untersucht. Über temperaturabhängige Zwei-Photonen Interferenz Messungen und dem Vergleich mit einem mikroskopischen Modell des Systems konnten gezielt die Bestandteile der Quantenpunkt-Dephasierung extrahiert werden. Auf diesen Ergebnissen aufbauend wurde die gepulste, strikt resonante Anregung von Quantenpunkten als experimentelle Schlüsseltechnik etabliert. Damit konnten bei tiefen Temperaturen nahezu vollständig ununterscheidbare Photonen durch eine Zwei-Photonen Interferenz Visibilität von über 98 % nachgewiesen werden.
Für ein skalierbares und deterministisches Quantenpunkt-Bauelement ist entweder die Kontrolle über die Position an welcher der Quantenpunkt gewachsen wird nötig, oder die Position an der eine Mikrokavität geätzt wird muss auf die Position eines selbstorganisiert gewachsenen Quantenpunktes abgestimmt werden. Im weiteren Verlauf werden Untersuchungen an beiden technologischen Ansätzen durchgeführt.
Zunächst wurde der Fokus auf positionierte Quantenpunkte gelegt. Mittels in das Substrat geätzter Nanolöcher wird der Ort der Quantenpunkt-Nukleation festgelegt. Durch die geätzten Grenzflächen in Quantenpunkt-Nähe entstehen jedoch auch Defektzustände, die negativen Einfluss auf die Kohärenz der Quantenpunkt-Emission nehmen. Deshalb wurde an diesem Typus von Quantenpunkten die strikt resonante Anregung etabliert und zum ersten Mal die kohärente Kopplung des Exzitons an ein resonantes Lichtfeld demonstriert. Zudem konnte die deterministische Kontrolle der Exzitonbesetzung über den Nachweis einer Rabi-Oszillation gezeigt werden.
Abschließend wird das Konzept der kryogenen in-situ-Lithographie vorgestellt. Diese erlaubt die laterale Ausrichtung der Mikrokavität an die Position eines selbstorganisiert gewachsenen Quantenpunktes. Damit konnte gezielt die Emission eines zuvor ausgewählten, spektral schmalen Quantenpunktes mit nahezu 75 % Gesamteffizienz eingesammelt werden. Die Ununterscheidbarkeit der Quantenpunkt-Photonen war dabei mit einer Zwei-Photonen Interferenz Visibilität von bis zu $\nu=(88\pm3)~\%$ sehr hoch. Damit wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Einzelphotonenquelle realisiert, aus der sich sehr effizient kohärente Photonen auskoppeln lassen, was einen wichtigen Schritt hin zur deterministischen Fabrikation von Lichtquellen für quantenphysikalischen Anwendungen darstellt.
Gambling is a popular activity in Germany, with 40% of a representative sample reporting having gambled at least once in the past year (Bundeszentrale für gesundheitliche Aufklärung, 2014). While the majority of gamblers show harmless gambling behavior, a subset develops serious problems due to their gambling, affecting their psychological well-being, social life and work. According to recent estimates, up to 0.8% of the German population are affected by such pathological gambling. People in general and pathological gamblers in particular show several cognitive distortions, that is, misconceptions about the chances of winning and skill involvement, in gambling. The current work aimed at elucidating the biopsychological basis of two such kinds of cognitive distortions, the illusion of control and the gambler’s and hot hand fallacies, and their modulation by gambling problems. Therefore, four studies were conducted assessing the processing of near outcomes (used as a proxy for the illusion of control) and outcome sequences (used as a proxy for the gambler’s and hot hand fallacies) in samples of varying degrees of gambling problems, using a multimethod approach.
The first study analyzed the processing and evaluation of near outcomes as well as choice behavior in a wheel of fortune paradigm using electroencephalography (EEG). To assess the influence of gambling problems, a group of problem gamblers was compared to a group of controls. The results showed that there were no differences in the processing of near outcomes between the two groups. Near compared to full outcomes elicited smaller P300 amplitudes. Furthermore, at a trend level, the choice behavior of participants showed signs of a pattern opposite to the gambler’s fallacy, with longer runs of an outcome color leading to increased probabilities of choosing this color again on the subsequent trial. Finally, problem gamblers showed smaller feedback-related negativity (FRN) amplitudes relative to controls.
The second study also targeted the processing of near outcomes in a wheel of fortune paradigm, this time using functional magnetic resonance imaging and a group of participants with varying degrees of gambling problems. The results showed increased activity in the bilateral superior parietal cortex following near compared to full outcomes.
The third study examined the peripheral physiology reactions to near outcomes in the wheel of fortune. Heart period and skin conductance were measured while participants with varying degrees of gambling problems played on the wheel of fortune. Near compared to full outcomes led to increased heart period duration shortly after the outcome. Furthermore, heart period reactions and skin conductance responses (SCRs) were modulated by gambling problems. Participants with high relative to low levels of gambling problems showed increased SCRs to near outcomes and similar heart period reactions to near outcomes and full wins.
The fourth study analyzed choice behavior and sequence effects in the processing of outcomes in a coin toss paradigm using EEG in a group of problem gamblers and controls. Again, problem gamblers showed generally smaller FRN amplitudes compared to controls. There were no differences between groups in the processing of outcome sequences. The break of an outcome streak led to increased power in the theta frequency band. Furthermore, the P300 amplitude was increased after a sequence of previous wins. Finally, problem gamblers compared to controls showed a trend of switching the outcome symbol relative to the previous outcome symbol more often.
In sum, the results point towards differences in the processing of near compared to full outcomes in brain areas and measures implicated in attentional and salience processes. The processing of outcome sequences involves processes of salience attribution and violation of expectations. Furthermore, problem gamblers seem to process near outcomes as more win-like compared to controls. The results and their implications for problem gambling as well as further possible lines of research are discussed.
In der vorliegenden Arbeit wurde der Fokus auf die Synthese neuer Diborene mit unterschiedlichem Substitutionsmuster gerichtet. Ein Ziel bestand darin, die Gruppe der heteroaromatisch substituierten Diborene, die sich bisher aus den literaturbekannten Thienyl-substituierten Diborenen 59 und 60 zusammensetzt, um weitere Vertreter zu bereichern. In diesem Kontext konnte das Furanyl-substituierte Diboren 85 synthetisiert und charakterisiert werden (Schema 59). Die Festkörperstruktur von 85 zeigt eine koplanare Anordnung zwischen der B=B-Doppelbindung und den Furanylsubstituenten, was als Hinweis auf eine Konjugation zwischen der B=B-Doppelbindung und den Heteroaromaten gewertet werden kann und damit Parallelen zu den Thienyl-substituierten Diborenen 59 und 60 erkennen lässt. Analog dazu weist 85 drei Banden im UV-Vis-Absorptionsspektrum auf, die anhand von quantenchemischen Rechnungen den entsprechenden elektronischen Anregungen zugeordnet werden können. Demzufolge sind die HOMOs ausschließlich an der B=B-Doppelbindung und die LUMOs an den Furanylringen, sowie den NHCs lokalisiert. Cyclovoltammetrische Messungen legen zudem den Elektronenreichtum des Furanyl-substituierten Diborens 85 offen und sprechen für dessen Eignung als starkes, neutrales nichtmetallisches Oxidationsmittel. Darüber hinaus zeigen sie eine teilweise reversible Oxidation zu dem entsprechenden Monoradikalkation auf.
Zur Realisierung weiterer heteroaromatisch substituierter Diborene wurden Versuche unternommen die Pyrrolylgruppe als Substituent zu etablieren, die noch elektronenreicher verglichen zu Furanyl- und Thienylgruppen ist. Die erfolgreiche Darstellung des NHC-stabilisierten Diborens 88 konnte mittels NMR-Spektroskopie verifiziert werden, jedoch gelang die weitere Charakterisierung aufgrund der extremen Empfindlichkeit von 88 nicht (Schema 59). Der Einsatz von vergleichsweise großen NHCs wie IMes zur kinetischen Stabilisierung der B=B-Doppelbindung eines Pyrrolyl-substituierten Diborens war nicht erfolgreich.
Schema 59: Synthese der NHC-stabilisierten heteroaromatisch substituierten Diborene (85, 88) durch Reduktion der korrespondierenden NHC-Boran-Addukte (84, 87).
In unmittelbarer Fortführung der aussichtsreichen Arbeiten von Dr. Philipp Bissinger wurde an geeigneten Syntheserouten zu den NHC-stabilisierten Diborenen 95 und 99 mit derivatisierten Thiophensubstituenten gearbeitet. Ausgehend von den BMes2- und B(FMes)2-funktionalisierten Thiophensubstituenten konnten über mehrere Reaktionssequenzen die korrespondierenden NHC-Boran-Addukte synthetisiert und charakterisiert werden. Die Reduktion dieser NHC-Boran-Addukte erzeugt intensiv gefärbte Lösungen, deren 11B-NMR-spektroskopische Untersuchungen Hinweise auf die Generierung der Diborene 95 und 99 lieferten (Schema 60). Darüber hinaus wird die erfolgreiche Darstellung des Diborens 95 durch Röntgenstrukturanalyse an Einkristallen gestützt.
Schema 60: Synthese der Diborene 95 und 99 mit derivatisierten Thiophensubstituenten.
Die Isolierung größerer Mengen der Diborene 95 und 99 in analytisch reiner Form gelang jedoch bislang nicht. UV-Vis Absorptionsspektroskopie, Cyclovoltammetrie und TD-DFT-Rechnungen offenbaren die drastische Einflussnahme der BMes2- bzw. der B(FMes)2-Gruppe auf die Eigenschaften der resultierenden Diborene 95 und 99. Vor allem die elektronenziehende B(FMes)2-Gruppe senkt die Grenzorbitale energetisch erheblich ab und verringert das HOMO-LUMO-gap signifikant. Die Hauptabsorptionsbande im UV-Vis-Absorptionsspektrum findet sich im nahinfraroten Bereich (NIR) und ist damit gegenüber jener des Thienyl-substituierten Diborens 59 stark bathochrom verschoben. Ziel anknüpfender Arbeiten der Gruppe um Braunschweig ist die Optimierung der Synthese der Diborene 95 und 99, sowie die weitere Charakterisierung der physikalischen Eigenschaften und die Erforschung der Reaktivitäten.
Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war die Synthese von Vinyl-substituierten Diborenen. Das NHC-Boran-Addukt 102 konnte, ausgehend von 1,1-Diphenylethen, erfolgreich dargestellt werden. Die Reduktion mit KC8 erzeugte eine intensiv gefärbte Reaktionslösung, deren 11B-NMR-spektroskopische Untersuchung eine gegenüber bekannten Diborenen leicht tieffeldverschobene Resonanz im 11B-NMR-Spektrum zeigt. Die Isolierung und zweifelsfreie Identifizierung des Reaktionsprodukts gelang aufgrund der hohen Empfindlichkeit bislang nicht. Weitere Versuche ein Diboren mit vinylogem Substitutionsmuster zu synthetisieren, in dem die alpha-Position des Vinyl-Substituenten durch eine Phenylgruppe besetzt ist, waren nicht zielführend (Schema 61).
Anknüpfend an die Arbeiten von Thomas Steffenhagen, dem die Darstellung des ersten [2]Diboraferrocenophans mit Diborenbrücke 109 und dessen Identifizierung mittels NMR-Spektroskopie gelang, wurden Versuche unternommen, 109 zu kristallisieren. Dabei konnten geeignete Einkristalle zur röntgenstrukturanalytischen Charakterisierung erhalten werden und das Strukturmotiv im Festkörper bestätigt werden (Schema 62).
Zentraler Gegenstand dieser Arbeit war neben der Synthese und Charakterisierung von neuen Diborenen die Untersuchung der Chemie der reaktiven B=B-Doppelbindung. Dazu wurden unter anderem Reaktivitätsstudien mit Münzmetallkomplexen durchgeführt, um die Koordinationschemie der heteroaromatisch substituierten Diborene 59 und 85, sowie des Diboren-verbrückten [2]Diboraferrocenophans 109 zu erforschen. Die Umsetzungen von 59, 85 und 109 mit CuCl führten zu den entsprechenden Münzmetall π-Diboren-Komplexen 111-113 (Schema 63). Röntgenstrukturanalytische Untersuchungen zeigen die T-förmige Geometrie der Komplexe, die aus der side-on Koordination des jeweiligen Diborens an das Metallzentrum resultiert. Das erhaltene Strukturmotiv entspricht damit dem der literaturbekannten Münzmetall-π-Diboren-Komplexe 71 und 72. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit konnten allerdings weder die Ausbeute bestimmt noch eine detaillierte NMR-spektroskopische Charakterisierung durchgeführt werden. Das photophysikalische Potential dieser Verbindungsklasse wird dennoch in qualitativen Tests durch Bestrahlung mit UV-Licht erkennbar.
Die Koordination von Kupferalkinen an die B=B-Doppelbindung der Verbindungen 59, 85 und 109 verläuft demgegenüber selektiv (Schema 63). Die ebenfalls T-förmigen Komplexe (114-116) erweisen sich als deutlich stabiler als die CuCl-Analoga und konnten demzufolge in analysenreiner Form isoliert werden. Allerdings zeigen diese in qualitativen Tests kein Lumineszenzverhalten. Eine genauere Analyse dieser Befunde erfolgte bislang nicht, ist aber aktueller Bestandteil der Forschung der Arbeitsgruppe um Braunschweig.
Da die heteroaromatisch substituierten Diborene wegen ihres energetisch hoch liegenden HOMO bereitwillig zur Abgabe von Elektronen tendieren, wie in cyclovoltammetrischen Messungen gezeigt werden konnte, wurde deren potentielle Verwendung als Reduktionsmittel untersucht. Die Diborene 59, 60, 85 und 88 wurden dazu mit dem milden Oxidationsmittel (C7H7)BArf4 oxidiert und die Monoradikalkationen 117-120 mittels EPR-Spektroskopie nachgewiesen (Schema 64). Aufgrund der hohen Empfindlichkeit der Radikale (117-120) konnte keine weitere Charakterisierung erfolgen.
Durch Oxidation des Diborens 85 mit Iod konnte Verbindung 121 erhalten werden (Schema 65). Die Festkörperstruktur zeigt einen dreigliedrigen Heterocyclus, bestehend aus einem positiv polarisierten Iodatom, das eine B2-Einheit verbrückt und damit die gleichwertige Beschreibung als Iodoniumion in Analogie zu den gleichnamigen Intermediaten, die bei der Addition von Halogenen an Alkene entstehen, rechtfertigt.
Die Hydroborierungsreaktion ist eine bekannte Additionsreaktion von H-B-Bindungen an C=C-Doppelbindungen und konnte in dieser Arbeit erfolgreich auf die alkenanalogen Diborene übertragen werden. Die Reaktion des heteroaromatisch substituierten Diborens 85 mit Catecholboran ergibt das Triboran 122, das strukturell den klassischen Hydroborierungsprodukten von Alkenen gleicht. In Analogie dazu wird von einer syn-Addition der H-B-Bindung an die B=B-Doppelbindung des Diborens ausgegangen. Wird hingegen das Hydroborierungsreagenz Durylboran eingesetzt, so findet eine nicht-klassische Addition der H-B-Fragmente an die B=B-Doppelbindung statt. Der genaue Mechanismus, der zur Bildung des Triborans 124 führt, ist bisher nicht aufgeklärt (Schema 66).
Wird das [2]Diboraferrocenophan 109, das ein cyclisches, cis-konfiguriertes Diboren als Brücke beinhaltet, mit Catecholboran bzw. Durylboran umgesetzt, so werden ebenfalls Triborane (123 und 125) generiert, die sich jedoch von den Triboranen 122 und 124 in ihrer Struktur grundlegend unterscheiden (Schema 67). Ein Erklärungsansatz hierfür könnte in der hohen Ringspannung im cyclischen Diboren-verbrückten [2]Diboraferrocenophan 109 verglichen mit dem acyclischen heteroaromatisch substituierten Diboren 85 liegen. Ein Schritt zur Bildung des Triborans 123 aus der Umsetzung von 109 mit Catecholboran findet offenbar, wie die Festkörperstruktur von 123 nahe legt, durch eine Ringerweiterung des Fünfringes des Catecholborans zu einem Sechsring durch Insertion eines Boratoms der Diborenbrücke statt. Um genauere Aussagen zur Bildung von 123 wie auch 125 treffen zu können, sind quantenchemische Studien zu diesem Thema aktuelles Arbeitsgebiet der Arbeitsgruppe um Braunschweig.
Die Reaktivität der elektronenreichen B=B-Doppelbindung der heteroaromatisch substituierten Diborene wurde in der vorliegenden Arbeit gegenüber der Substanzklasse der Chalkogene überprüft. Dabei stellte sich heraus, dass die Reaktionen der Diborene 60 und 85 mit elementarem Schwefel durch reduktive Insertion von Schwefel in die B=B-Doppelbindung zur Bildung von Produktgemischen aus Trithiadiborolanen und Diborathiiranen führen. Es zeigte sich, dass die gezielte Darstellung der Trithiadiborolane 126 und 127 durch Einwirkung von Ultraschall gelingt, wohingegen das Thiadiborolan 128 selektiv durch Reaktion des Diborens 85 mit Ethylensulfid oder einem Überschuss an Triphenylphosphansulfid zugänglich gemacht werden kann (Schema 68).
Die Reaktion der Diborene 60 und 85 mit elementarem Selen bzw. elementarem Tellur ergibt die entsprechenden Diboraselenirane (129 und 130) bzw. Diboratellurirane (131 und 132), die durch reduktive Insertion des entsprechenden Chalkogens in die B=B-Doppelbindung entstehen (Schema 69). Eine vollständige Spaltung der B=B-Bindung durch Insertion weiterer Äquivalente Selen bzw. Tellur ist auch unter Behandlung mit Ultraschall nicht zu beobachten.
Das Furanyl-substituierte Diboren 85 konnte zudem mit chalkogenhaltigen Verbindungen erfolgreich umgesetzt werden. 85 reagiert mit Diphenyldisulfid und Diphenyldiselenid selektiv durch Addition der E-E-Bindung an die B=B Doppelbindung (Schema 70). Die diaseteroselektiven, analysenreinen 1,2-Additionsprodukte (133, 137) lassen auf einen Mechanismus, der in Analogie zu den Additionen von Disulfiden bzw. Diseleniden an Alkene über die Zwischenstufe entsprechender Sulfonium- bzw. Seleniumionen verläuft, folgern. Alternativ dazu muss eine konzertierte syn-Addition der E-E-Bindung in Erwägung gezogen werden.
Demgegenüber konnten aus den Umsetzungen des Thienyl-substituierten Diborens 60 mit Diphenyldisulfid, Diphenyldiselenid und isoPropylthiol keine analysenreinen Produkte isoliert werden.
Das Diboren-verbrückte [2]Diboraferrocenophan 109 reagiert mit Diphenyldisulfid in einer 1,2-Addition der S-S-Bindung an die B=B-Doppelbindung, wobei ein sp2-sp3-Diboran durch Abspaltung eines NHCs gebildet wird. Die verkürzte Fe-Bsp2-Bindungslänge lässt auf eine Stabilisierung des sp2-Boratoms durch das Fe-Zentrum schließen. In einer vergleichbaren Reaktion mit Dimethyldisulfid konnte das identische Strukturmotiv, ein sp2-sp3-Diboran, erhalten werden (Schema 71).
Die Reaktion des [2]Diboraferrocenophans 109 mit Diphenyldiselenid führt zur vollständigen Spaltung der B=B-Doppelbindung unter Addition zweier Se-Se-Bindungen von zwei Äquivalenten Diphenyldiselenid und der damit einhergehenden Bildung der acyclischen bisborylierten Ferrocenspezies 139 (Schema 72). Die Bildung des einfachen Additionsprodukts, was wahrscheinlich intermediär auftritt, wurde auch bei Umsetzung mit nur einem Äquivalent Diphenyldiselenid nicht beobachtet.
Die Umsetzung des Furanyl-substituierten Diborens 85 mit isoPropylthiol verläuft unter Addition der H-S-Bindung an die B=B-Doppelbindung, wobei in allen Fällen das syn-Additionsprodukt 142 erhalten wurde (Schema 72). Die von Thomas Steffenhagen beschriebene Addition der H-S-Bindung von isoPropylthiol an die B=B-Doppelbindung des [2]Diboraferrocenophans 109 ergibt dagegen selektiv ein anti-Additionsprodukt. In einer vergleichbaren Reaktion des [2]Diboraferrocenophans 109 mit tert-Butylthiol wurden anhand von NMR-Spektroskopie Indizien für die Bildung eines 1,2-Additionsproduktes erhalten. Allerdings gelang die Isolierung eines analysenreinen Produktes bislang nicht.
This study investigates a two component decomposition technique for HH/VV-polarized PolSAR (Polarimetric Synthetic Aperture Radar) data. The approach is a straight forward adaption of the Yamaguchi decomposition and decomposes the data into two scattering contributions: surface and double bounce under the assumption of a negligible vegetation scattering component in Tundra environments. The dependencies between the features of this two and the classical three component Yamaguchi decomposition were investigated for Radarsat-2 (quad) and TerraSAR-X (HH/VV) data for the Mackenzie Delta Region, Canada. In situ data on land cover were used to derive the scattering characteristics and to analyze the correlation among the PolSAR features. The double bounce and surface scattering features of the two and three component scattering model (derived from pseudo-HH/VV- and quad-polarized data) showed similar scattering characteristics and positively correlated-R2 values of 0.60 (double bounce) and 0.88 (surface scattering) were observed. The presence of volume scattering led to differences between the features and these were minimized for land cover classes of low vegetation height that showed little volume scattering contribution. In terms of separability, the quad-polarized Radarsat-2 data offered the best separation of the examined tundra land cover types and will be best suited for the classification. This is anticipated as it represents the largest feature space of all tested ones. However; the classes “wetland” and “bare ground” showed clear positions in the feature spaces of the C- and X-Band HH/VV-polarized data and an accurate classification of these land cover types is promising. Among the possible dual-polarization modes of Radarsat-2 the HH/VV was found to be the favorable mode for the characterization of the aforementioned tundra land cover classes due to the coherent acquisition and the preserved co-pol. phase. Contrary, HH/HV-polarized and VV/VH-polarized data were found to be best suited for the characterization of mixed and shrub dominated tundra.
The Sentinel-1 Satellite (S-1) of ESA's Copernicus Mission delivers freely available C-Band Synthetic Aperture Radar (SAR) data that are suited for interferometric applications (InSAR). The high geometric resolution of less than fifteen meter and the large coverage offered by the Interferometric Wide Swath mode (IW) point to new perspectives on the comprehension and understanding of surface changes, the quantification and monitoring of dynamic processes, especially in arid regions. The contribution shows the application of S-1 intensities and InSAR coherences in time series analysis for the delineation of changes related to fluvial morphodynamics in Damghan, Iran. The investigations were carried out for the period from April to October 2015 and exhibit the potential of the S-1 data for the identification of surface disturbances, mass movements and fluvial channel activity in the surroundings of the Damghan Playa. The Amplitude Change Detection highlighted extensive material movement and accumulation - up to sizes of more than 4,000 m in width - in the east of the Playa via changes in intensity. Further, the Coherence Change Detection technique was capable to indicate small-scale channel activity of the drainage system that was neither recognizable in the S-1 intensity nor the multispectral Landsat-8 data. The run off caused a decorrelation of the SAR signals and a drop in coherence. Seen from a morphodynamic point of view, the results indicated a highly dynamic system and complex tempo-spatial patterns were observed that will be subject of future analysis. Additionally, the study revealed the necessity to collect independent reference data on fluvial activity in order to train and adjust the change detector.
Infectious complications after allogeneic haematopoietic stem cell transplantation (allo-HCT) remain a clinical challenge. This is a guideline provided by the AGIHO (Infectious Diseases Working Group) of the DGHO (German Society for Hematology and Medical Oncology). A core group of experts prepared a preliminary guideline, which was discussed, reviewed, and approved by the entire working group. The guideline provides clinical recommendations for the preventive management including prophylactic treatment of viral, bacterial, parasitic, and fungal diseases. The guideline focuses on antimicrobial agents but includes recommendations on the use of vaccinations. This is the updated version of the AGHIO guideline in the field of allogeneic haematopoietic stem cell transplantation utilizing methods according to evidence-based medicine criteria.
Background
Clinical decision-making and prognostic statements in individuals with manifest or suspected temporomandibular disorders (TMDs) may involve assessment of (a) the position of articular disc relative to the mandibular condyle, (b) the location of the condyle relative to the temporal joint surfaces, and (c) the depth of the glenoid fossa of the temporomandibular joints (TMJs). The aim of this study was twofold: (1) Determination of the prevalence of these variables in two representative population-based birth cohorts. (2) Reinterpretation of the clinical significance of the findings.
Methods
From existing magnetic resonance imaging (MRI) scans of the TMJs that had been taken in 2005 and 2006 from 72 subjects born between 1930 and 1932 and between 1950 and 1952, respectively, the condylar position at closed jaw was calculated as percentage displacement of the condyle from absolute centricity. By using the criteria introduced by Orsini et al. (Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod 86:489-97, 1998), a textbook-like disc position at closed jaw was distinguished from an anterior location. TMJ morphology of the temporal joint surfaces was assessed at open jaw by measuring the depth of the glenoid fossa, using the method proposed by Muto et al. (J Oral Maxillofac Surg 52:1269-72, 1994).
Frequency distributions were recorded for the condylar and disc positions at closed jaw.
Student’s t-test with independent samples was used as test of significance to detect differences of condylar positions between the age cohorts (1930 vs. 1950) and the sexes. The significance levels were set at 5%. First, the results from the measurement of the age cohorts were compared without differentiation of sexes, i.e., age cohort 1930–1932 versus age cohort 1950–1952. Subsequently, the age cohorts were compared by sex, i.e., men in cohort 1930–1932 versus men in cohort 1950–1952, and women in cohort 1930–1932 women men in cohort 1950–1952.
Results
In both cohorts, condylar position was characterized by great variability. About 50% of the condyles were located centrically, while the other half was either in an anterior or in a posterior position. In both female cohorts, a posterior position predominated, whereas a centric position prevailed among men. Around 75% of the discs were positioned textbook-like, while the remaining forth was located anteriorly. Age had no statistically significant influence on condylar or on disc position. Conversely, comparison between the age groups revealed a statistically significant decrease of the depth of the glenoid fossa in both older cohorts. This age-dependent changes may be interpreted as flattening of the temporal joint surfaces.
Conclusions
We call for a re-interpretation of imaging findings because they may insinuate pathology which usually is not present. Instead, anterior or posterior positions of the mandibular condyle as well as an anterior location of the articular disc should be construed as a variation of normalcy. Likewise, flattening of articular surfaces of the TMJs may be considered as normal adaptive responses to increased loading, rather than pathological degenerative changes.
Background: In the GOLD (Global initiative for chronic Obstructive Lung Disease) strategy document, the Clinical COPD Questionnaire (CCQ), COPD Assessment Test (CAT), or modified Medical Research Council (mMRC) scale are recommended for the assessment of symptoms using the cutoff points of CCQ ≥1, CAT ≥10, and mMRC scale ≥2 to indicate symptomatic patients. The current study investigates the criterion validity of the CCQ, CAT and mMRC scale based on a reference cutoff point of St George’s Respiratory Questionnaire (SGRQ) ≥25, as suggested by GOLD, following sensitivity and specificity analysis. In addition, areas under the curve (AUCs) of the CCQ, CAT, and mMRC scale were compared using two SGRQ cutoff points (≥25 and ≥20).
Materials and methods: Two data sets were used: study A, 238 patients from a pulmonary rehabilitation program; and study B, 101 patients from primary care. Receiver-operating characteristic (ROC) curves were used to assess the correspondence between the recommended cutoff points of the questionnaires.
Results: Sensitivity, specificity, and AUC scores for cutoff point SGRQ ≥25 were: study A, 0.99, 0.43, and 0.96 for CCQ ≥1, 0.92, 0.48, and 0.89 for CAT ≥10, and 0.68, 0.91, and 0.91 for mMRC ≥2; study B, 0.87, 0.77, and 0.9 for CCQ ≥1, 0.76, 0.73, and 0.82 for CAT ≥10, and 0.21, 1, and 0.81 for mMRC ≥2. Sensitivity, specificity, and AUC scores for cutoff point SGRQ ≥20 were: study A, 0.99, 0.73, and 0.99 for CCQ ≥1, 0.91, 0.73, and 0.94 for CAT ≥10, and 0.66, 0.95, and 0.94 for mMRC ≥2; study B, 0.8, 0.89, and 0.89 for CCQ ≥1, 0.69, 0.78, and 0.8 for CAT ≥10, and 0.18, 1, and 0.81 for mMRC ≥2.
Conclusion: Based on data from these two different samples, this study showed that the suggested cutoff point for the SGRQ (≥25) did not seem to correspond well with the established cutoff points of the CCQ or CAT scales, resulting in low specificity levels. The correspondence with the mMRC scale seemed satisfactory, though not optimal. The SGRQ threshold of ≥20 corresponded slightly better than SGRQ ≥25, recently suggested by GOLD 2015, with the established cutoff points for the CCQ, CAT, and mMRC scale.
Active galactic nuclei (AGNs) are among the brightest sources in our universe. These galaxies are considered active because their central region is brighter than the luminosities of all stars in a galxies can provide. In their center is a supermassive black hole (SMBH) surrounded by an accretion disk and further out a dusty torus. AGN can be found with emission over the whole electromagnetic spectrum, starting at radio frequencies over optical and X-ray emission up to the $\gamma$-rays. Not all of these sources are detected in each frequency regime. In this work mainly blazars are examined at low radio frequencies. Blazars are a subclass of radio-loud AGN. These radio-loud sources usually exhibit highly collimated jets perpendicular to the accretion disk. For blazars these jets are pointed in the direction of the observer and their emission is highly variable. \\
AGN are classified in different subclasses based on their morphology. These different subclasses are combined in the AGN unification model, which explains the different morphologies by having sources only varying in their luminosities and their angle to the line of sight to the observer. Blazars are these targets, where the jet is pointing towards the observer, while the AGN observed edge on are called radio galaxies. This means that blazars should be the counterparts to radio galaxies seen from a different angle. Testing this is one of the goals in this work. \\
After the discovery of AGN in the 1940s these objects have been studied at all wavelengths. With the development of interferometry with radio telescopes the angular resolution for radio observations could be improved. In the last 20 years many AGN are regularly monitored. One of these monitoring programs is the MOJAVE program, monitoring 274 AGNs with using the Very Long Baseline Interferometry (VLBI) technique. The monitoring provides information on the evolution and structure of AGN and their jets. However, the mechanisms of the jet formation and their collimation are not fully understood. Due to relativistic effects it is difficult to obtain intrinsic instead of apparent parameters of these jets. One approach to get closer to the intrinsic jet power is by observing the regions, in which the jets end and interact with the intergalactic medium. Observations at lower radio frequencies are more sensitive for extended diffuse emission. \\
Since December 2012 a new radio telescope for low frequencies is observing. It is a telescope with stations consisting of dipole antennas. The major part of the array located in the Netherlands (38 stations) with 12 additional international stations in Germany, France, Sweden, Poland and the United Kingdom. This instrument is called the Low Frequency Array (LOFAR). LOFAR offers the possibility to observe at frequencies between 30--250 MHz in combination with angular resolution (below 1 arcsec for the full array), which was not available with previous telescopes. \\
In this work results of blazar studies with LOFAR observations are presented. To take advantage of a large database with multi-wavelength observations and kinematic studies the MOJAVE 1.5 Jy flux limited sample was chosen. Based on the preliminary results of the LOFAR Multifrequency Snapshot Sky Survey (MSSS) the flux densities and spectral indices of blazars of the MOJAVE sample are examined. 125 counterparts of MOJAVE blazars were found in the MSSS catalog. Since the MSSS observations only contain the stations in the Netherlands and observes in snapshots, the angular resolution and the sensitivity is limited. The first MSSS catalog was produced with an angular resolution of $\sim$120 arcsec and a sensitivity of $\sim$50--100 mJy. Another advantage of the MOJAVE sample is the monitoring of these sources with the Owens Valley Radio Observatory (OVRO) at 15 GHz to produce radio lightcurves. With these observations it is possible to get quasi-simultaneous flux densities at 15 GHz for the corresponding MSSS observations. By having quasi-simultaneous observations the variability of the blazars affects the flux densities less than with the use of archival data. The spectral indices obtained by the combination of MSSS and OVRO flux densities can be used to estimate the contribution of the diffuse extended emission for these AGNs. \\
Comparing the MSSS catalog with the OVRO data points, the flux densities have a tendency to be higher at low frequencies. This is expected due to the higher contribution of extended emission. The broadband spectral index distribution shows a peak at $\sim-0.2$. While some sources seem to have steeper spectral indices meaning that extended emission contributes a large fraction of the total flux density, more than the half of the sample shows flat spectral indices. The flat spectral indices show that the total flux densities of these sources are dominated by their relativistic beamed emission regions, which is the same for the observations at GHz frequencies. \\
To obtain more detailed images of these sources the MSSS measurement sets including sources of the sample were reprocessed to improve the angular resolution to $\sim$30 arcsec. The higher angular resolution reveals extended diffuse emission of several blazars. Since the reimaging results were not fully calibrated only the morphology at this resolution could be examined. However, with the short snapshot observations the images obtained with this strategy are affected from artifacts. The reimaging could be successfully performed for 93 sources in one frequency band. For 45 of these sources all availabe frequency bands could be reprocessed and used to created averaged images. These images are presented in this work. As a results of the reimaging process a pilot sample was defined to observe targets with diffuse extended emission using the whole LOFAR array including the international stations. \\
The second part of this work presents the results of a pilot sample consisting of four blazars observed with the LOFAR international array. Since the calibration of this kind of LOFAR observation is still in development, the main focus was the description of the used calibration strategy. The calibration strategies still has some limitation but resulted in images with angular resolutions of less than 1 arcsec. The morphology of all four blazars show features confirming the expectations of their counterpart radio galaxies. With the flux densities of the extended emission found in these brightness distributions the extended radio luminosities are calculated. Comparing these to the radio galaxy classifications also confirm the expectations from the unification model. \\
By extending the sample of observed blazars with LOFAR international in future the calibration strategy can be used to create similar high resolution images. A larger sample can be used to test the unification model with statistical significant results. \\
In der vorliegenden Arbeit wurde zum einen das Koordinationsverhalten von Lewis-Basen an die Lewis-aciden Borzentren der symmetrisch konfigurierten 1,2-Dihalogendiborane(4) des Typs B2R2X2 (R = NMe2, Mes, Dur, tBu; X = Cl, Br, I) und des unsymmetrisch 1,1 substituierten Diborans(4) F2BB(Mes)2, sowie die Eigenschaften und die Reaktivität der erhaltenen sp2–sp3 Diboran(4)-Verbindungen untersucht. Zum anderem wurde die Fähigkeit des 1,1-substituierten Diborans(4) F2BB(Mes)2 zur oxidativen Addition der B–F- bzw. B–B-Bindung an Bisphosphan-Platin(0)-Komplexe untersucht.
Background
Even though bleeding and thromboembolic events are major complications of extracorporeal membrane oxygenation (ECMO), data on the incidence of venous thrombosis (VT) and thromboembolism (VTE) under ECMO are scarce. This study analyzes the incidence and predictors of VTE in patients treated with ECMO due to respiratory failure.
Methods
Retrospective analysis of patients treated on ECMO in our center from 04/2010 to 11/2015. Patients with thromboembolic events prior to admission were excluded. Diagnosis was made by imaging in survivors and postmortem examination in deceased patients.
Results
Out of 102 screened cases, 42 survivors and 21 autopsy cases [mean age 46.0 ± 14.4 years; 37 (58.7 %) males] fulfilling the above-mentioned criteria were included. Thirty-four patients (54.0 %) underwent ECMO therapy due to ARDS, and 29 patients (46.0 %) with chronic organ failure were bridged to lung transplantation. Despite systemic anticoagulation at a mean PTT of 50.6 ± 12.8 s, [VT/VTE 47.0 ± 12.3 s and no VT/VTE 53.63 ± 12.51 s (p = 0.037)], VT and/or VTE was observed in 29 cases (46.1 %). The rate of V. cava thrombosis was 15/29 (51.7 %). Diagnosis of pulmonary embolism prevailed in deceased patients [5/21 (23.8 %) vs. 2/42 (4.8 %) (p = 0.036)]. In a multivariable analysis, only aPTT and time on ECMO predicted VT/VTE. There was no difference in the incidence of clinically diagnosed VT in ECMO survivors and autopsy findings.
Conclusions
Venous thrombosis and thromboembolism following ECMO therapy are frequent. Quality of anticoagulation and ECMO runtime predicted thromboembolic events.
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Background
The aim of this study was to quantify the variability in spinal radiosurgery (SRS) planning practices between five international institutions, all member of the Elekta Spine Radiosurgery Research Consortium.
Methods
Four institutions provided one representative patient case each consisting of the medical history, CT and MR imaging. A step-wise planning approach was used where, after each planning step a consensus was generated that formed the basis for the next planning step. This allowed independent analysis of all planning steps of CT-MR image registration, GTV definition, CTV definition, PTV definition and SRS treatment planning. In addition, each institution generated one additional SRS plan for each case based on intra-institutional image registration and contouring, independent of consensus results.
Results
Averaged over the four cases, image registration variability ranged between translational 1.1 mm and 2.4 mm and rotational 1.1° and 2.0° in all three directions. GTV delineation variability was 1.5 mm in axial and 1.6 mm in longitudinal direction averaged for the four cases. CTV delineation variability was 0.8 mm in axial and 1.2 mm in longitudinal direction. CTV-to-PTV margins ranged between 0 mm and 2 mm according to institutional protocol. Delineation variability was 1 mm in axial directions for the spinal cord. Average PTV coverage for a single fraction18 Gy prescription was 87 ± 5 %; Dmin to the PTV was 7.5 ± 1.8 Gy averaged over all cases and institutions. Average Dmax to the PRV_SC (spinal cord + 1 mm) was 10.5 ± 1.6 Gy and the average Paddick conformity index was 0.69 ± 0.06.
Conclusions
Results of this study reflect the variability in current practice of spine radiosurgery in large and highly experienced academic centers. Despite close methodical agreement in the daily workflow, clinically significant variability in all steps of the treatment planning process was demonstrated. This may translate into differences in patient clinical outcome and highlights the need for consensus and established delineation and planning criteria.
This article focuses on the effects that crusade motives woven into Middle High German courtly lovesongs have on gender binarism in these text. The analysis draws on two examples from the first period of Middle High German crusade poetry: Friedrich von Hausen, ‘Si darf mich des zîhen niet’ and Albrecht von Johansdorf, ‘Guote liute, holt die gâbe’. I examine whether the relation between lady and male speaker is altered by the crusader’s divine service and whether this affects the gender binarism in the songs. The article concludes with a discussion of the repercussions gender binarism has on the concepts of crusading in the two texts.
Die Autorin verknüpft die Frage nach der Sympathiesteuerung mit dem Aspekt der Tragik, um auf diese Weise eine neue Perspektive auf den alt vertrauten und viel gedeuteten Erzähltext des 9. Jahrhunderts zu werfen. Indem sie zuerst das Verhältnis von Sympathie und Tragik allgemein bestimmt, dann die Steuerungselemente im ‘Hildebrandslied’ untersucht, die eine tragödienspezifische Wirkung hervorrufen, und sich schließlich mit der Rezeptionsgeschichte des ‘Hildebrandslieds’ auseinandersetzt, kann sie grundlegende Schlussfolgerungen zur Sympathielenkung durch tragisches Handeln ableiten.
Aims: We set out to investigate the antibacterial activity of a new Mn-based photoactivated carbon monoxide-releasing molecule (PhotoCORM, [Mn(CO)\(_3\)(tpa-kappa\(^3\)N)]\(^+\)) against an antibiotic-resistant uropathogenic strain (EC958) of Escherichia coli. Results: Activated PhotoCORM inhibits growth and decreases viability of E. coli EC958, but non-illuminated carbon monoxide-releasing molecule (CORM) is without effect. NADH-supported respiration rates are significantly decreased by activated PhotoCORM, mimicking the effect of dissolved CO gas. CO from the PhotoCORM binds to intracellular targets, namely respiratory oxidases in strain EC958 and a bacterial globin heterologously expressed in strain K-12. However, unlike previously characterized CORMs, the PhotoCORM is not significantly accumulated in cells, as deduced from the cellular manganese content. Activated PhotoCORM reacts avidly with hydrogen peroxide producing hydroxyl radicals; the observed peroxide-enhanced toxicity of the PhotoCORM is ameliorated by thiourea. The PhotoCORM also potentiates the effect of the antibiotic, doxycycline. Innovation: The present work investigates for the first time the antimicrobial activity of a light-activated PhotoCORM against an antibiotic-resistant pathogen. A comprehensive study of the effects of the PhotoCORM and its derivative molecules upon illumination is performed and mechanisms of toxicity of the activated PhotoCORM are investigated. Conclusion: The PhotoCORM allows a site-specific and time-controlled release of CO in bacterial cultures and has the potential to provide much needed information on the generality of CORM activities in biology. Understanding the mechanism(s) of activated PhotoCORM toxicity will be key in exploring the potential of this and similar compounds as antimicrobial agents, perhaps in combinatorial therapies with other agents.
Various research works and practitioners conclude that media pedagogy should be integrated in teacher education in order to enable future teachers to use media for their lessons effectively and successfully. However, this realization is not necessarily reflected in actual university curricula, as preservice teachers at some places can still finish their studies without ever dealing with media pedagogical issues. To understand, assess and eventually improve the status of media pedagogical teacher education, comprehensive research is required. Against this background, the following article seeks to present a theory-based and empirical overview of the status quo of preservice teachers’ pedagogical media competencies focusing Germany and the USA exemplarily. To form a basis, different models of pedagogical media competencies from both countries will be introduced and the extent to which these competencies have become part of teacher education programs and related studies will be summarised. Afterwards, method and selected results of a study will be described where the skills in question were measured with students from both countries, based on a comprehensive model of pedagogical media competencies that connects German and international research in this field. The international comparative perspective will help broaden the viewpoint and understand differences, but also similarities. These data serve to identify different ways of integrating media pedagogy into teacher training and draw conclusions on the consequences these processes entail for preservice teachers and their pedagogical media competencies.
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.
Common birthmarks can be an indicator of underlying genetic disease but are often overlooked. Mongolian blue spots (dermal melanocytosis) are usually localized and transient, but they can be extensive, permanent, and associated with extracutaneous abnormalities. Co-occurrence with vascular birthmarks defines a subtype of phakomatosis pigmentovascularis, a group of syndromes associated with neurovascular, ophthalmological, overgrowth, and malignant complications. Here, we discover that extensive dermal melanocytosis and phakomatosis pigmentovascularis are associated with activating mutations in GNA11 and GNAQ, genes that encode Ga subunits of heterotrimeric G proteins. The mutations were detected at very low levels in affected tissues but were undetectable in the blood, indicating that these conditions are postzygotic mosaic disorders. In vitro expression of mutant GNA11\(^R183C\) and GNA11\(^Q209L\) in human cell lines demonstrated activation of the downstream p38 MAPK signaling pathway and the p38, JNK, and ERK pathways, respectively. Transgenic mosaic zebrafish models expressing mutant GNA11\(^R183C\) under promoter mitfa developed extensive dermal melanocytosis recapitulating the human phenotype. Phakomatosis pigmentovascularis and extensive dermal melanocytosis are therefore diagnoses in the group of mosaic heterotrimeric G-protein disorders, joining McCune-Albright and Sturge-Weber syndromes. These findings will allow accurate clinical and molecular diagnosis of this subset of common birthmarks, thereby identifying infants at risk for serious complications, and provide novel therapeutic opportunities.
Out of the myriad of potential DNA binding sites of the glucocorticoid receptor (GR) found in the human genome, only a cell-type specific minority is actually bound, indicating that the presence of a recognition sequence alone is insufficient to specify where GR binds. Cooperative interactions with other transcription factors (TFs) are known to contribute to binding specificity. Here, we reasoned that sequence signals preventing GR recruitment to certain loci provide an alternative means to confer specificity. Motif analyses uncovered candidate Negative Regulatory Sequences (NRSs) that interfere with genomic GR binding. Subsequent functional analyses demonstrated that NRSs indeed prevent GR binding to nearby response elements. We show that NRS activity is conserved across species, found in most tissues and that they also interfere with the genomic binding of other TFs. Interestingly, the effects of NRSs appear not to be a simple consequence of changes in chromatin accessibility. Instead, we find that NRSs interact with proteins found at sub-nuclear structures called paraspeckles and that these proteins might mediate the repressive effects of NRSs. Together, our studies suggest that the joint influence of positive and negative sequence signals partition the genome into regions where GR can bind and those where it cannot.
HtrA proteases and chaperones exhibit important roles in periplasmic protein quality control and stress responses. The genetic inactivation of htrA has been described for many bacterial pathogens. However, in some cases such as the gastric pathogen Helicobacter pylori, HtrA is secreted where it cleaves the tumour-suppressor E-cadherin interfering with gastric disease development, but the generation of htrA mutants is still lacking. Here, we show that the htrA gene locus is highly conserved in worldwide strains. HtrA presence was confirmed in 992 H.pylori isolates in gastric biopsy material from infected patients. Differential RNA-sequencing (dRNA-seq) indicated that htrA is encoded in an operon with two subsequent genes, HP1020 and HP1021. Genetic mutagenesis and complementation studies revealed that HP1020 and HP1021, but not htrA, can be mutated. In addition, we demonstrate that suppression of HtrA proteolytic activity with a newly developed inhibitor is sufficient to effectively kill H.pylori, but not other bacteria. We show that Helicobacter htrA is an essential bifunctional gene with crucial intracellular and extracellular functions. Thus, we describe here the first microbe in which htrA is an indispensable gene, a situation unique in the bacterial kingdom. HtrA can therefore be considered a promising new target for anti-bacterial therapy.
Die akute lymphatische Leukämie ist die häufigste maligne Erkrankung im Kindesalter. Trotz systematischer Erhebung und Auswertung von Daten im Rahmen der ALL-BFM-Studiengruppe und der damit verbundenen kontinuierlichen Verbesserung der Prognose hat man noch immer keine Ursache für eine ALL gefunden. Daher nimmt eine umfangreiche Risikostratifizierung eine zentrale Rolle in der Behandlungsplanung einer ALL ein. Basierend auf einer exakten Stratifizierung kann die Therapie risikoadaptiert und individualisiert werden, um eine Übertherapie zu vermeiden und letztlich die Heilungschancen zu verbessern.
Pro- und antiinflammatorische Zytokine kommt in den komplexen Wirkungsmechanismen des Immunsystems eine Schlüsselrolle zu. Viele Infektions-, Auto-immun- oder Tumorerkrankungen werden durch das Produktionsprofil der Zyto-kine beeinflusst. Da genetisch determinierte Zytokingenpolymorphismen Krank-heitsverläufe beeinflussen und verändern, wurde untersucht, ob Zytokine einen Einfluss auf pädiatrische Patienten mit einer ALL haben.
Im Zuge dieser Arbeit wurden 95 pädiatrische Patienten mit ALL auf Polymorphismen der Zytokine TNF-α, TGF-β1, IL-10, IL-6 und IFN-γ analysiert, die im Zeitraum vom 21.06.2004 bis zum 30.04.2014 an der Kinderklinik des Universitätsklinikums Würzburg behandelt wurden. Mittels DNA-Extraktion, sequenz-spezifischer PCR und Gelelektropherese wurden 35 Proben bei Erstdiagnose und 93 zum Zeitpunkt der Remission mit folgender zentralen Fragestellung untersucht:
Gibt es genetische Risikofaktoren, die Einfluss auf
• die Risikogruppe
• die Art der Leukämie
• die Genfrequenz
• die Rezidivrate und
• das Gesamtüberleben
einer akuten lymphatische Leukämie im Kindesalter haben und sich zudem durch Einzelnukleotidpolymorphismen in pro- und antiinflammatorischen Zytokinen auszeichnen?
Im Rahmen dieser Studie konnte festgestellt werden, dass das immunsuppressive Zytokin IL-10 einen Einfluss auf die Genfrequenz, die Risikogruppe, die Rezidivrate sowie die Prognose bei Kindern mit ALL hat. Patienten mit niedrigen Zytokinexpressionsraten (Genotypen ACC/ACC und ACC/ATA) wurden häufiger in der Hochrisikogruppe therapiert, hatten mehr Rezidive und eine schlechtere Prognose als Patienten mit hohen Zytokinexpressionsraten. Dar-über hinaus ist der Genotyp GCC/ACC signifikant häufiger bei ALL-Patienten anzutreffen als im gesunden Kollektiv. Beim immunsuppressiven IL-6 konnte festgestellt werden, dass der Genotyp C/C signifikant häufiger bei Patienten mit einer ALL auftritt als bei gesunden Patienten. Ferner zeigte sich, dass es so-wohl für IL-6 als auch für TNF-α eine Änderung des Genotyps zwischen Erstdiagnose und in Remission auftrat, die Hinweise auf einen blastenspezifischen „immune-escape“-Mechanismus geben. Ebenfalls konnte gezeigt werden, dass das immunmodulatorische Zytokin TGF-β1 einen Einfluss auf die Risikogruppe sowie die Rezidivrate hat. Patienten, die eine T/T Kombination am Codon 10 aufwiesen wurden häufiger im Hochrisikozweig therapiert als Patienten mit den Genotypen T/C oder C/C. Des Weiteren wurde demonstriert, dass Patienten mit einem C/C an Codon 25 häufiger an Rezidiven erkrankten als Patienten mit ei-nem G/C oder G/G. Für die TH1 Zytokine IFN-γ sowie TNF-α wurde kein Zusammenhang zwischen der Genfrequenz, der Risikogruppe, der Art der Leukämie, der Rezidivrate oder dem Gesamtüberleben gefunden.
Auch wenn man bisher noch nicht genau weiß, wie Zytokingenpolymorphismen Einfluss auf pädiatrische ALL nehmen, wird anhand dieser Arbeit gezeigt, dass Zytokine einen Beitrag zur Pathogenese der ALL leisten und daher zukünftig für eine umfassendere Risikostratifizierung geeignet sind. Darüber hinaus können diese Ergebnisse dazu beitragen, dass Zytokine als biologische Marker etabliert werden, um eine weniger toxische immunmodulierende bzw. -suppressive Therapie zu gewährleisten. Dies führt dazu, dass eine Therapie anhand des Risikoprofils individuell und prognoseverbessernd abgestimmt werden kann. Je-doch wäre für eine nachfolgende Untersuchung eine größere multizentrische Stichprobe sowie eine prospektive Evaluation der Daten erstrebenswert. Gera-de bei hereditären Erkrankungen haben einzelne Gene nur einen geringen Einfluss auf das Gesamtrisiko, sodass größere Fallzahlen erforderlich wären, um auch schwache Effekte zu detektieren.