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Sonstige beteiligte Institutionen
Background
Multimodal treatment strategies – perioperative chemotherapy (CTx) and radical surgery – are currently accepted as treatment standard for locally advanced gastric cancer. However, the role of adjuvant postoperative CTx (postCTx) in addition to neoadjuvant preoperative CTx (preCTx) in this setting remains controversial.
Methods
Between 4/2006 and 12/2013, 116 patients with locally advanced gastric cancer were treated with preCTx. 72 patients (62 %), in whom complete tumor resection (R0, subtotal/total gastrectomy with D2-lymphadenectomy) was achieved, were divided into two groups, one of which receiving adjuvant therapy (n = 52) and one without (n = 20). These groups were analyzed with regard to survival and exclusion criteria for adjuvant therapy.
Results
Postoperative complications, as well as their severity grade, did not correlate with fewer postCTx cycles administered (p = n.s.). Long-term survival was shorter in patients receiving postCTx in comparison to patients without postCTx, but did not show statistical significance. In per protocol analysis by excluding two patients with perioperative death, a shorter 3-year survival rate was observed in patients receiving postCTx compared to patients without postCTx (3-year survival: 71.2 % postCTx group vs. 90.0 % non-postCTx group; p = 0.038).
Conclusion
These results appear contradicting to the anticipated outcome. While speculative, they question the value of post-CTx. Prospectively randomized studies are needed to elucidate the role of postCTx.
Die Sequenzierungstechnologien entwickeln sich stetig weiter, dies ermöglicht eine zuvor nicht erreichte Ausbeute an experimentellen Daten und auch an Neuentwicklungen von zuvor nicht realisierbaren Experimenten. Zugleich werden spezifische Datenbanken, Algorithmen und Softwareprogramme entwickelt, um die neu entstandenen Daten zu analysieren. Während der Untersuchung bioinformatischer Methoden für die Identifizierung und Klassifizierung somatischer Mutationen in hämatologischen Erkrankungen, zeigte sich eine hohe Vielfalt an alternativen Softwaretools die für die jeweiligen Analyseschritte genutzt werden können. Derzeit existiert noch kein Standard zur effizienten Analyse von Mutationen aus Next-Generation-Sequencing (NGS)-Daten. Die unterschiedlichen Methoden und Pipelines generieren Kandidaten, die zum größten Anteil in allen Ansätzen identifiziert werden können, jedoch werden Software spezifische Kandidaten nicht einheitlich detektiert.
Um eine einheitliche und effiziente Analyse von NGS-Daten durchzuführen war im Rahmen dieser Arbeit die Entwicklung einer benutzerfreundlichen und einheitlichen Pipeline vorgesehen. Hierfür wurden zunächst die essentiellen Analysen wie die Identifizierung der Basen, die Alignierung und die Identifizierung der Mutationen untersucht. Des Weiteren wurden unter Berücksichtigung von Effizienz und Performance diverse verfügbare Softwaretools getestet, ausgewertet und sowohl mögliche Verbesserungen als auch Erleichterungen der bisherigen Analysen vorgestellt und diskutiert. Durch Mitwirken in Konsortien wie der klinischen Forschergruppe 216 (KFO 216) und International Cancer Genome Consortium (ICGC) oder auch bei Haus-internen Projekten wurden Datensätze zu den Entitäten Multiples Myelom (MM), Burkitt Lymphom (BL) und Follikuläres Lymphom (FL) erstellt und analysiert. Die Selektion geeigneter Softwaretools und die Generierung der Pipeline basieren auf komparativen Analysen dieser Daten, sowie auf geteilte Ergebnisse und Erfahrungen in der Literatur und auch in Foren. Durch die gezielte Entwicklung von Skripten konnten biologische und klinische Fragestellungen bearbeitet werden. Hierzu zählten eine einheitliche Annotation der Gennamen, sowie die Erstellung von Genmutations-Heatmaps mit nicht Variant-Calling-File (VCF)-Syntax konformen Dateien. Des Weiteren konnten nicht abgedeckte Regionen des Genoms in den NGS-Daten identifiziert und analysiert werden. Neue Projekte zur detaillierten Untersuchung der Verteilung von wiederkehrender Mutationen und Funktionsassays zu einzelnen Mutationskandidaten konnten basierend auf den Ergebnissen initiiert werden.
Durch eigens erstellte Python-Skripte konnte somit die Funktionalität der Pipeline erweitert werden und zu wichtigen Erkenntnissen bei der biologischen Interpretation der Sequenzierungsdaten führen, wie beispielsweise zu der Detektion von drei neuen molekularen Subgruppen im MM. Die Erweiterungen, der in dieser Arbeit entwickelten Pipeline verbesserte somit die Effizienz der Analyse und die Vergleichbarkeit unserer Daten. Des Weiteren konnte durch die Erstellung eines eigenen Skripts die Analyse von unbeachteten Regionen in den NGS-Daten erfolgen.
Honeybees learn color information of rewarding flowers and recall these memories in future decisions. For fine color discrimination, bees require differential conditioning with a concurrent presentation of target and distractor stimuli to form a long-term memory. Here we investigated whether the long-term storage of color information shapes the neural network of microglomeruli in the mushroom body calyces and if this depends on the type of conditioning. Free-flying honeybees were individually trained to a pair of perceptually similar colors in either absolute conditioning towards one of the colors or in differential conditioning with both colors. Subsequently, bees of either conditioning groups were tested in non-rewarded discrimination tests with the two colors. Only bees trained with differential conditioning preferred the previously learned color, whereas bees of the absolute conditioning group, and a stimuli-naïve group, chose randomly among color stimuli. All bees were then kept individually for three days in the dark to allow for complete long-term memory formation. Whole-mount immunostaining was subsequently used to quantify variation of microglomeruli number and density in the mushroom-body lip and collar. We found no significant differences among groups in neuropil volumes and total microglomeruli numbers, but learning performance was negatively correlated with microglomeruli density in the absolute conditioning group. Based on these findings we aim to promote future research approaches combining behaviorally relevant color learning tests in honeybees under free-flight conditions with neuroimaging analysis; we also discuss possible limitations of this approach.q
RNA sequencing (RNA-seq) has become a powerful tool to understand molecular mechanisms and/or developmental programs. It provides a fast, reliable and cost-effective method to access sets of expressed elements in a qualitative and quantitative manner. Especially for non-model organisms and in absence of a reference genome, RNA-seq data is used to reconstruct and quantify transcriptomes at the same time. Even SNPs, InDels, and alternative splicing events are predicted directly from the data without having a reference genome at hand. A key challenge, especially for non-computational personnal, is the management of the resulting datasets, consisting of different data types and formats. Here, we present TBro, a flexible de novo transcriptome browser, tackling this challenge. TBro aggregates sequences, their annotation, expression levels as well as differential testing results. It provides an easy-to-use interface to mine the aggregated data and generate publication-ready visualizations. Additionally, it supports users with an intuitive cart system, that helps collecting and analysing biological meaningful sets of transcripts. TBro’s modular architecture allows easy extension of its functionalities in the future. Especially, the integration of new data types such as proteomic quantifications or array-based gene expression data is straightforward. Thus, TBro is a fully featured yet flexible transcriptome browser that supports approaching complex biological questions and enhances collaboration of numerous researchers.
Modulating key dynamics of plant growth and development, the effects of the plant hormone cytokinin on animal cells gained much attention recently. Most previous studies on cytokinin effects on mammalian cells have been conducted with elevated cytokinin concentration (in the μM range). However, to examine physiologically relevant dose effects of cytokinins on animal cells, we systematically analyzed the impact of kinetin in cultured cells at low and high concentrations (1nM-10μM) and examined cytotoxic and genotoxic conditions. We furthermore measured the intrinsic antioxidant activity of kinetin in a cell-free system using the Ferric Reducing Antioxidant Power assay and in cells using the dihydroethidium staining method. Monitoring viability, we looked at kinetin effects in mammalian cells such as HL60 cells, HaCaT human keratinocyte cells, NRK rat epithelial kidney cells and human peripheral lymphocytes. Kinetin manifests no antioxidant activity in the cell free system and high doses of kinetin (500 nM and higher) reduce cell viability and mediate DNA damage in vitro. In contrast, low doses (concentrations up to 100 nM) of kinetin confer protection in cells against oxidative stress. Moreover, our results show that pretreatment of the cells with kinetin significantly reduces 4-nitroquinoline 1-oxide mediated reactive oxygen species production. Also, pretreatment with kinetin retains cellular GSH levels when they are also treated with the GSH-depleting agent patulin. Our results explicitly show that low kinetin doses reduce apoptosis and protect cells from oxidative stress mediated cell death. Future studies on the interaction between cytokinins and human cellular pathway targets will be intriguing.
Lung cancer is currently the leading cause of cancer related mortality due to late diagnosis and limited treatment intervention. Non-coding RNAs are not translated into proteins and have emerged as fundamental regulators of gene expression. Recent studies reported that microRNAs and long non-coding RNAs are involved in lung cancer development and progression. Moreover, they appear as new promising non-invasive biomarkers for early lung cancer diagnosis. Here, we highlight their potential as biomarker in lung cancer and present how bioinformatics can contribute to the development of non-invasive diagnostic tools. For this, we discuss several bioinformatics algorithms and software tools for a comprehensive understanding and functional characterization of microRNAs and long non-coding RNAs.
The detection of mRNAs undergoing transcription or decay is challenging, because both processes are fast. However, the relative proportion of an mRNA in synthesis or decay increases with mRNA size and decreases with mRNA half-life. Based on this rationale, I have exploited a 22 200 nucleotide-long, short-lived endogenous mRNA as a reporter for mRNA metabolism in trypanosomes. The extreme 5΄ and 3΄ ends were labeled with red- and green-fluorescent Affymetrix® single mRNA FISH probes, respectively. In the resulting fluorescence images, yellow spots represent intact mRNAs; red spots are mRNAs in transcription or 3΄-5΄ decay, and green spots are mRNAs in 5΄-3΄ degradation. Most red spots were nuclear and insensitive to transcriptional inhibition and thus likely transcription intermediates. Most green spots were cytoplasmic, confirming that the majority of cytoplasmic decay in trypanosomes is 5΄-3΄. The system showed the expected changes at inhibition of transcription or translation and RNAi depletion of the trypanosome homologue to the 5΄-3΄ exoribonuclease Xrn1. The method allows to monitor changes in mRNA metabolism both on cellular and on population/tissue wide levels, but also to study the subcellular localization of mRNA transcription and decay pathways. I show that the system is applicable to mammalian cells.
Daily activities within an ant colony need precise temporal organization, and an endogenous clock appears to be essential for such timing processes. A clock drives locomotor rhythms in isolated workers in a number of ant species, but its involvement in activities displayed in the social context is unknown. We compared locomotor rhythms in isolated individuals and behavioral rhythms in the social context of workers of the ant Camponotus rufipes. Both forager and nurse workers exhibited circadian rhythms in locomotor activity under constant conditions, indicating the involvement of an endogenous clock. Activity was mostly nocturnal and synchronized with the 12:12h light-dark-cycle. To evaluate whether rhythmicity was maintained in the social context and could be synchronized with non-photic zeitgebers such as feeding times, daily behavioral activities of single workers inside and outside the nest were quantified continuously over 24 hours in 1656 hours of video recordings. Food availability was limited to a short time window either at day or at night, thus mimicking natural conditions of temporally restricted food access. Most foragers showed circadian foraging behavior synchronized with food availability, either at day or nighttime. When isolated thereafter in single locomotor activity monitors, foragers mainly displayed arrhythmicity. Here, high mortality suggested potential stressful effects of the former restriction of food availability. In contrast, nurse workers showed high overall activity levels in the social context and performed their tasks all around the clock with no circadian pattern, likely to meet the needs of the brood. In isolation, the same individuals exhibited in turn strong rhythmic activity and nocturnality. Thus, endogenous activity rhythms were inhibited in the social context, and timing of daily behaviors was flexibly adapted to cope with task demands. As a similar socially-mediated plasticity in circadian rhythms was already shown in honey bees, the temporal organization in C. rufipes and honey bees appear to share similar basic features.
In vertebrates, one of the first recognizable sex differences in embryos is the onset of meiosis, known to be regulated by retinoic acid (RA) in mammals. We investigated in medaka a possible meiotic function of RA during the embryonic sex determination (SD) period and in mature gonads. We found RA mediated transcriptional activation in germ cells of both sexes much earlier than the SD stage, however, no such activity during the critical stages of SD. In adults, expression of the RA metabolizing enzymes indicates sexually dimorphic RA levels. In testis, RA acts directly in Sertoli, Leydig and pre-meiotic germ cells. In ovaries, RA transcriptional activity is highest in meiotic oocytes. Our results show that RA plays an important role in meiosis induction and gametogenesis in adult medaka but contrary to common expectations, not for initiating the first meiosis in female germ cells at the SD stage.
Background
Anastomotic leakage (AL) is one of the most common and serious complications following visceral surgery. In recent years, endoluminal vacuum therapy has dramatically changed therapeutic options for AL, but its use has been limited to areas easily accessible by endoscope.
Case presentation
We describe the first use of endoluminal vacuum therapy in the small intestine employing a combined surgical and endoscopic “rendezvous technique” in which the surgeon assists the endoscopic placement of an endoluminal vacuum therapy sponge in the jejunum by means of a pullback string. This technique led to a completely closed AL after 27 days and 7 changes of the endosponge.
Conclusion
The combined surgical and endoscopic rendezvous technique can be useful in cases of otherwise difficult endosponge placement.
Natural genetic variation makes it possible to discover evolutionary changes that have been maintained in a population because they are advantageous. To understand genotype–phenotype relationships and to investigate trait architecture, the existence of both high-resolution genotypic and phenotypic data is necessary. Arabidopsis thaliana is a prime model for these purposes. This herb naturally occurs across much of the Eurasian continent and North America. Thus, it is exposed to a wide range of environmental factors and has been subject to natural selection under distinct conditions. Full genome sequencing data for more than 1000 different natural inbred lines are available, and this has encouraged the distributed generation of many types of phenotypic data. To leverage these data for meta analyses, AraPheno (https://arapheno.1001genomes.org) provide a central repository of population-scale phenotypes for A. thaliana inbred lines. AraPheno includes various features to easily access, download and visualize the phenotypic data. This will facilitate a comparative analysis of the many different types of phenotypic data, which is the base to further enhance our understanding of the genotype–phenotype map.
African trypanosomes thrive in the bloodstream and tissue spaces of a wide range of mammalian hosts. Infections of cattle cause an enormous socio-economic burden in sub-Saharan Africa. A hallmark of the trypanosome lifestyle is the flagellate’s incessant motion. This work details the cell motility behavior of the four livestock-parasites Trypanosoma vivax, T. brucei, T. evansi and T. congolense. The trypanosomes feature distinct swimming patterns, speeds and flagellar wave frequencies, although the basic mechanism of flagellar propulsion is conserved, as is shown by extended single flagellar beat analyses. Three-dimensional analyses of the trypanosomes expose a high degree of dynamic pleomorphism, typified by the ‘cellular waveform’. This is a product of the flagellar oscillation, the chirality of the flagellum attachment and the stiffness of the trypanosome cell body. The waveforms are characteristic for each trypanosome species and are influenced by changes of the microenvironment, such as differences in viscosity and the presence of confining obstacles. The distinct cellular waveforms may be reflective of the actual anatomical niches the parasites populate within their mammalian host. T. vivax displays waveforms optimally aligned to the topology of the bloodstream, while the two subspecies T. brucei and T. evansi feature distinct cellular waveforms, both additionally adapted to motion in more confined environments such as tissue spaces. T. congolense reveals a small and stiff waveform, which makes these parasites weak swimmers and destined for cell adherence in low flow areas of the circulation. Thus, our experiments show that the differential dissemination and annidation of trypanosomes in their mammalian hosts may depend on the distinct swimming capabilities of the parasites.
Background
Enteric glial cells (EGCs) are the main constituent of the enteric nervous system and share similarities with astrocytes from the central nervous system including their reactivity to an inflammatory microenvironment. Previous studies on EGC pathophysiology have specifically focused on mucosal glia activation and its contribution to mucosal inflammatory processes observed in the gut of inflammatory bowel disease (IBD) patients. In contrast knowledge is scarce on intestinal inflammation not locally restricted to the mucosa but systemically affecting the intestine and its effect on the overall EGC network.
Methods and Results
In this study, we analyzed the biological effects of a systemic LPS-induced hyperinflammatory insult on overall EGCs in a rat model in vivo, mimicking the clinical situation of systemic inflammation response syndrome (SIRS). Tissues from small and large intestine were removed 4 hours after systemic LPS-injection and analyzed on transcript and protein level. Laser capture microdissection was performed to study plexus-specific gene expression alterations. Upon systemic LPS-injection in vivo we observed a rapid and dramatic activation of Glial Fibrillary Acidic Protein (GFAP)-expressing glia on mRNA level, locally restricted to the myenteric plexus. To study the specific role of the GFAP subpopulation, we established flow cytometry-purified primary glial cell cultures from GFAP promotor-driven EGFP reporter mice. After LPS stimulation, we analyzed cytokine secretion and global gene expression profiles, which were finally implemented in a bioinformatic comparative transcriptome analysis. Enriched GFAP+ glial cells cultured as gliospheres secreted increased levels of prominent inflammatory cytokines upon LPS stimulation. Additionally, a shift in myenteric glial gene expression profile was induced that predominantly affected genes associated with immune response.
Conclusion and Significance
Our findings identify the myenteric GFAP-expressing glial subpopulation as particularly susceptible and responsive to acute systemic inflammation of the gut wall and complement knowledge on glial involvement in mucosal inflammation of the intestine.
Feeding and sleep are fundamental behaviours with significant interconnections and cross-modulations. The circadian system and peptidergic signals are important components of this modulation, but still little is known about the mechanisms and networks by which they interact to regulate feeding and sleep. We show that specific thermogenetic activation of peptidergic Allatostatin A (AstA)-expressing PLP neurons and enteroendocrine cells reduces feeding and promotes sleep in the fruit fly Drosophila. The effects of AstA cell activation are mediated by AstA peptides with receptors homolog to galanin receptors subserving similar and apparently conserved functions in vertebrates. We further identify the PLP neurons as a downstream target of the neuropeptide pigment-dispersing factor (PDF), an output factor of the circadian clock. PLP neurons are contacted by PDF-expressing clock neurons, and express a functional PDF receptor demonstrated by cAMP imaging. Silencing of AstA signalling and continuous input to AstA cells by tethered PDF changes the sleep/activity ratio in opposite directions but does not affect rhythmicity. Taken together, our results suggest that pleiotropic AstA signalling by a distinct neuronal and enteroendocrine AstA cell subset adapts the fly to a digestive energy-saving state which can be modulated by PDF.
Inhibition of Hsp90 can increase the radiosensitivity of tumor cells. However, inhibition of Hsp90 alone induces the anti-apoptotic Hsp70 and thereby decreases radiosensitivity. Therefore, preventing Hsp70 induction can be a promising strategy for radiosensitization. PI-103, an inhibitor of PI3K and mTOR, has previously been shown to suppress the up-regulation of Hsp70. Here, we explore the impact of combining PI-103 with the Hsp90 inhibitor NVP-AUY922 in irradiated glioblastoma and colon carcinoma cells. We analyzed the cellular response to drug-irradiation treatments by colony-forming assay, expression of several marker proteins, cell cycle progression and induction/repair of DNA damage. Although PI-103, given 24 h prior to irradiation, slightly suppressed the NVP-AUY922-mediated up-regulation of Hsp70, it did not cause radiosensitization and even diminished the radiosensitizing effect of NVP-AUY922. This result can be explained by the activation of PI3K and ERK pathways along with G1-arrest at the time of irradiation. In sharp contrast, PI-103 not only exerted a radiosensitizing effect but also strongly enhanced the radiosensitization by NVP-AUY922 when both inhibitors were added 3 h before irradiation and kept in culture for 24 h. Possible reasons for the observed radiosensitization under this drug-irradiation schedule may be a down-regulation of PI3K and ERK pathways during or directly after irradiation, increased residual DNA damage and strong G2/M arrest 24 h thereafter. We conclude that duration of drug treatment before irradiation plays a key role in the concomitant targeting of PI3K/mTOR and Hsp90 in tumor cells.
The process of tumor invasion requires degradation of extracellular matrix by proteolytic enzymes. Cancer cells form protrusive invadopodia, which produce and release matrix metalloproteinases (MMPs) to degrade the basement membrane thereby enabling metastasis. We investigated the effect of LASP1, a newly identified protein in invadopodia, on expression, secretion and activation of MMPs in invasive breast tumor cell lines.
By analyzing microarray data of in-house generated control and LASP1-depleted MDA-MB-231 breast cancer cells, we observed downregulation of MMP1, -3 and -9 upon LASP1 depletion. This was confirmed by Western blot analysis. Conversely, rescue experiments restored in part MMP expression and secretion. The regulatory effect of LASP1 on MMP expression was also observed in BT-20 breast cancer cells as well as in prostate and bladder cancer cell lines.
In line with bioinformatic FunRich analysis of our data, which mapped a high regulation of transcription factors by LASP1, public microarray data analysis detected a correlation between high LASP1 expression and enhanced c-Fos levels, a protein that is part of the transcription factor AP-1 and known to regulate MMP expression. Compatibly, in luciferase reporter assays, AP-1 showed a decreased transcriptional activity after LASP1 knockdown.
Zymography assays and Western blot analysis revealed an additional promotion of MMP secretion into the extracellular matrix by LASP1, thus, most likely, altering the microenvironment during cancer progression.
The newly identified role of LASP1 in regulating matrix degradation by affecting MMP transcription and secretion elucidated the migratory potential of LASP1 overexpressing aggressive tumor cells in earlier studies.
The Venus flytrap, \textit{Dionaea muscipula}, with its carnivorous life-style and its highly
specialized snap-traps has fascinated biologist since the days of Charles Darwin. The
goal of the \textit{D. muscipula} genome project is to gain comprehensive insights into the
genomic landscape of this remarkable plant.
The genome of the diploid Venus flytrap with an estimated size between 2.6 Gbp to
3.0 Gbp is comparatively large and comprises more than 70 % of repetitive regions.
Sequencing and assembly of genomes of this scale are even with state-of-the-art
technology and software challenging. Initial sequencing and assembly of the genome
was performed by the BGI (Beijing Genomics Institute) in 2011 resulting in a 3.7 Gbp
draft assembly. I started my work with thorough assessment of the delivered assembly
and data. My analysis showed that the BGI assembly is highly fragmented and
at the same time artificially inflated due to overassembly of repetitive sequences.
Furthermore, it only comprises about on third of the expected genes in full-length,
rendering it inadequate for downstream analysis.
In the following I sought to optimize the sequencing and assembly strategy to obtain
an assembly of higher completeness and contiguity by improving data quality and
assembly procedure and by developing tailored bioinformatics tools. Issues with
technical biases and high levels of heterogeneity in the original data set were solved
by sequencing additional short read libraries from high quality non-polymorphic DNA
samples. To address contiguity and heterozygosity I examined numerous alternative
assembly software packages and strategies and eventually identified ALLPATHS-LG
as the most suited program for assembling the data at hand. Moreover, by utilizing
digital normalization to reduce repetitive reads, I was able to substantially reduce
computational demands while at the same time significantly increasing contiguity of
the assembly.
To improve repeat resolution and scaffolding, I started to explore the novel PacBio
long read sequencing technology. Raw PacBio reads exhibit high error rates of 15 %
impeding their use for assembly. To overcome this issue, I developed the PacBio
hybrid correction pipeline proovread (Hackl et al., 2014). proovread uses high
coverage Illumina read data in an iterative mapping-based consensus procedure to
identify and remove errors present in raw PacBio reads. In terms of sensitivity and
accuracy, proovread outperforms existing software. In contrast to other correction
programs, which are incapable of handling data sets of the size of D. muscipula
project, proovread’s flexible design allows for the efficient distribution of work load on high-performance computing clusters, thus enabling the correction of the Venus
flytrap PacBio data set.
Next to the assembly process itself, also the assessment of the large de novo draft
assemblies, particularly with respect to coverage by available sequencing data, is
difficult. While typical evaluation procedures rely on computationally extensive
mapping approaches, I developed and implemented a set of tools that utilize k-mer
coverage and derived values to efficiently compute coverage landscapes of large-scale
assemblies and in addition allow for automated visualization of the of the obtained
information in comprehensive plots.
Using the developed tools to analyze preliminary assemblies and by combining my
findings regarding optimizations of the assembly process, I was ultimately able to
generate a high quality draft assembly for D. muscipula. I further refined the assembly
by removal of redundant contigs resulting from separate assembly of heterozygous
regions and additional scaffolding and gapclosing using corrected PacBio data. The
final draft assembly comprises 86 × 10 3 scaffolds and has a total size of 1.45 Gbp.
The difference to the estimated genomes size is well explained by collapsed repeats.
At the same time, the assembly exhibits high fractions full-length gene models,
corroborating the interpretation that the obtained draft assembly provides a complete
and comprehensive reference for further exploration of the fascinating biology of the
Venus flytrap.
Die Blut-Hirn-Schranke (BHS) stellt eine der dichtesten und wichtigsten Barrieren zwischen Blutzirkulation und Zentralnervensystem (ZNS) dar. Sie besteht aus spezialisierten Endothelzellen, welche die zerebralen Kapillaren auskleiden und durch sehr dichte Tight Junctions (TJs) miteinander verbunden sind. Weitere Komponenten der dynamischen Blut-Hirn-Schrankenbarriere stellen Perizyten, Astrozyten, Neurone und Mikrogliazellen dar, welche zusammen mit der extrazellulären Matrix der Basalmembran der Gehirnkapillaren und den zuvor genannten Endothelzellen ein komplexes regulatorisches System, die so genannte neurovaskuläre Einheit bilden (Hawkins und Davis 2005).
Die Hauptfunktionen der BHS lassen sich in drei Untergruppen untergliedern, die physikalische, metabolische und Transport-Barriere (Neuhaus und Noe 2010). Hauptsächlich dient die BHS der Aufrechterhaltung der Homöostase des ZNS und dem Schutz vor neurotoxischen Substanzen sowie Pathogenen, wie Bakterien und Viren. Zudem ist sie auch für die Versorgung der Neuronen mit Nährstoffen und regulierenden Substanzen sowie den Efflux von Stoffwechselendprodukten des ZNS zurück ins Blut verantwortlich. Für die Entwicklung von Medikamenten zur Behandlung von neurodegenerativen Erkrankungen, wie Morbus Alzheimer, Morbus Parkinson und Multiple Sklerose oder Gehirntumoren, stellt die Dichtigkeit der BHS gegenüber Substanzen und die hohe metabolische Aktivität der Endothelzellen aber ein großes Problem dar. Viele Medikamente sind nicht in der Lage in ausreichender Konzentration die BHS zu überwinden, um an ihren Wirkort zu gelangen oder werden vor dem Transport metabolisiert und die Wirksamkeit dadurch eingeschränkt. Weiterhin spielen auch Defekte der BHS eine entscheidende Rolle in der Beeinflussung der Pathogenese vieler ZNS-Erkrankungen.
Aufgrund des hohen Bedarfs an geeigneten Testsystemen in der Grundlagen- sowie präklinischen Forschung für Medikamentenentwicklung und Infektionsstudien wurden eine Vielzahl unterschiedlicher BHS-Modelle entwickelt. Neben in silico-, azellulären in vitro- und in vivo-Modellen sind auch zahlreiche zellbasierte Modelle der BHS entwickelt worden. Standardisierte Modelle auf Basis immortalisierter
Zelllinien jedoch weisen nur eine inhomogene TJ-Expression auf und verfügen meist
über eine geringe Barriereintegrität, erfasst über transendotheliale elektrische Widerstände (TEER)
unter 150
· cm2 (Deli et al. 2005). Im Vergleich dazu wurden in Tierexperimenten TEER-Werte
von mehr als 1500
· cm2 an der BHS gemessen (Butt et al. 1990; Crone und Olesen 1982). Die
Verfügbarkeit humaner primärer BHS-Zellen ist sehr limitiert und ihr Einsatz nicht nur im Hinblick
auf ethische Aspekte bedenklich. Humane Gehirnzellen können z. B. aus Biopsie- oder Autopsiematerial
von Patienten mit Epilepsie oder Gehirntumoren isoliert werden. Allerdings besteht hier
das Risiko, dass die isolierten Zellen krankheitsbedingt verändert sind, was die Eigenschaften der
BHS-Modelle erheblich beeinflussen kann.
Eine Alternative, die diese Probleme umgeht, ist die Verwendung von humanen induziert pluripotenten
Stammzellen (hiPSCs), um standardisierte humane BHS-Modelle unter reproduzierbaren
Bedingungen bereitzustellen.
Im Rahmen dieser Arbeit ist es gelungen, hiPSCs in vitro nach etablierten und standardisierten Methoden
in Endothelzellen der BHS, neurale Stammzellen (hiPS-NSCs) sowie Astrozyten (hiPS-A)
zu differenzieren (Lippmann et al. 2012; Lippmann et al. 2014; Wilson et al. 2015; Yan et al. 2013;Reinhardt et al. 2013) und zum Aufbau der Modelle einzusetzen. Die Endothelzellen wurden mit
Hilfe protein- und genbasierter Nachweismethoden auf das Vorhandensein von endothelzellspezifischen
TJ-Markern sowie spezifischen Transportern untersucht und funktionell charakterisiert. Die
Kryokonservierung der hiPS-EC-Progenitoren, die im Rahmen der vorliegenden Arbeit entwickelt
wurde, ermöglicht eine größere räumliche und zeitliche Flexibilität beim Arbeiten mit den stammzellbasierten
Modellen sowie das Anlegen standardisierter Zellbanken. Weiterhin wurden multipotente
NSCs aus fetalen Gehirnbiopsien isoliert (fNSCs) und als Kontrollkulturen zu den hiPS-NSCs
für den Aufbau von BHS-Modellen eingesetzt.
Mit dem Ziel die in vivo-BHS bestmöglich zu imitieren und die Modelleigenschaften zu optimieren,
wurde ein Set aus zehn unterschiedlichen BHS-Modellen basierend auf primären Zellen, hiPSCs
und fNSCs analysiert. Der Aufbau der BHS-Modelle erfolgte unter Verwendung von Transwellsystemen.
Durch die systematische Untersuchung des Einflusses der unterschiedlichen Zelltypen der
neurovaskulären Einheit auf die Barriereintegrität und Genexpression des BHS-Endothels, konnten
die Quadrupel-Kulturen mit Perizyten, Astrozyten und hiPS-NSCs als die Kultur mit den physiologischsten
Eigenschaften identifiziert werden. Auf Grund der signifikant erhöhten TEER-Werte
von bis zu 2500
· cm2 und einer um mindestens 1,5-fachen Steigerung der Genexpression BHSrelevanter
Transporter und TJ-Moleküle gegenüber den Monokulturen, wurden diese Modelle für
weiterführende Studien ausgewählt.
Das Vorhandensein eines komplexen, in vivo-ähnlichen TJ-Netzwerkes, bestehend aus Occludin,
Claudin 1, 3, 4 und 5, konnte mittels quantitativer Realtime-PCR, Western Blot sowie ultrastruktureller
Analyse in der Gefrierbruch- und Raster-Elektronenmikroskopie nachgewiesen werden.
Neben der Begrenzung der parazellulären Permeabilität, welche über die geringe Permeation von
FITC-Dextran (4 kDa und 40 kDa), Fluoreszein und Lucifer Yellow nachgewiesen wurde, stellt die
BHS ebenfalls eine Barriere für den transzellulären Transport von Substanzen dar. Eine Beurteilung
der Modelle hinsichtlich der Qualifikation für die Nutzung im Wirkstoffscreening wurde mit
Hilfe von Transportversuchen unter dem Einsatz von BHS-relevanten Referenzsubstanzen durchgeführt.
Die Klassifikation der Testsubstanzen erfolgte analog ihrer Permeationsgeschwindigkeiten:
Diazepam und Koffein gelten als schnell transportierte Wirkstoffe, Ibuprofen, Celecoxib und Diclofenac
werden mit einer mittleren Geschwindigkeit über die BHS transportiert und Loratadin sowie
Rhodamin 123 sind langsam permeierende Substanzen. Innerhalb der Versuche mit den Quadrupelkulturen
wurde diese Reihenfolge bestätigt, lediglich für Koffein wurde ein signifikant niedrigerer
Permeationskoeffizient verglichen mit der Monokultur erzielt.
Der Einsatz der hiPSC-Technologie ermöglicht es zudem, aus einer Stammzelllinie große Mengen
an humanen somatischen Zelltypen zu generieren und für gezielte Anwendungen bereitzustellen.
Es konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass mit Hilfe eines eigens für diese Zwecke
konstruierten Rührreaktorsystems eine reproduzierbare Expansion der hiPSCs unter definierten Bedingungen
ermöglicht wurde. Basierend auf dieser Grundlage ist nun ein Hochdurchsatz-Screening
von Medikamenten denkbar.
Die in dieser Arbeit präsentierten Daten belegen die Etablierung eines stammzellbasierten in vitro-
Quadrupelmodels der humanen BHS, welches über in vivo-ähnliche Eigenschaften verfügt. Die
Anforderungen, die an humane BHS-Modelle gestellt werden, wie die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse,
eine angemessene Charakterisierung, welche die Untersuchung der Permeabilität von Referenzsubstanzen
einschließt, die Analyse der Expression von BHS-relevanten Transportermolekülen sowie die solide und physiologische Morphologie der Zellen, wurden erfüllt.
Das etablierte BHS-Modell kann in der Pharmaindustrie für die Entwicklung von Medikamenten
eingesetzt werden. Ausreichend qualifizierte Modelle können hier in der präklinischen Forschung
genutzt werden, um Toxizitäts- und Transportstudien an neu entwickelten Substanzen durchzuführen
und eine bessere in vitro-in vivo-Korrelation der Ergebnisse zu ermöglichen oder Mechanismen
zu entwickeln, um die BHS-Barriere gezielt zu überwinden.
Aufklärung der molekularen Struktur und Funktion des R-Typ Anionenkanals QUAC1 in Schließzellen
(2016)
Zum Gasaustausch mit Ihrer Umgebung besitzen höhere Pflanzen stomatäre Komplexe. Die Turgor-getrieben Atmungsöffnungen in der Epidermis der Blätter werden von zwei Schließzellen umsäumt. Um bei Trockenheit einen exzessiven Verlust von Wasser zu verhindern, synthetisieren/importieren Schließzellen das Stresshormon ABA (Abszisinsäure), das über eine schnelle ABA-Signalkaskade plasmamembrangebundene Ionenkanäle steuert. Dabei wird der Stomaschluss durch die Aktivität von R-(rapid) und S-(slow)Typ Anionenkanälen initiiert. Obwohl die R- und S-Typ Anionenströme in Schließzellen seit Jahrzehnten bekannt waren, konnte erst kürzlich das Gen identifiziert werden, das für den S-Typ Anionenkanal (SLAC1, Slow activating Anion Channel 1) kodiert. Daraufhin wurde schnell der Zusammenhang zwischen dem Stresshormon ABA, der ABA-Signalkette und der Aktivität des SLAC1 Anionenkanals im heterologen Expressionssystem der X. laevis Oozyten als auch in Schließzellprotoplasten aufgeklärt. Es konnte gezeigt werden, dass ABA durch einen zytosolischen Rezeptor/Phosphatasekomplex (RCAR1/ABI1) erkannt wird und die Aktivität von kalziumabhängigen Kinasen (CPK-Familie) sowie kalziumunabhängigen Kinasen der SnRK2-Familie (OST1) steuert. In Anwesenheit von ABA phosphorylieren diese Kinasen SLAC1 und sorgen so für die Aktivierung von Anionenströmen und damit für die Initiierung des Stomaschlusses.
Die genetische Herkunft der ABA-induzierten R-Typ Ströme in Schließzellen war zu Beginn der vorliegenden Arbeit noch nicht bekannt. R-Typ Ströme zeichnen sich durch eine strikte Spannungsabhängigkeit und sehr schnellen Aktivierungs- sowie Deaktivierungskinetiken aus. Die Charakterisierung von Verlustmutanten des Schließzell-exprimierten Gens ALMT12 (Aluminium-aktivierter Malattransporter 12) konnte in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe Martinoia (Zürich) erste Hinweise auf die Beteiligung dieses Gens an der Stomabewegung demonstrieren. Anschließende Patch-Clamp Untersuchungen an Schließzellprotoplasten aus Wildtyppflanzen und ALMT12-Verlustmutanten zeigten, dass ALMT12 für die Malat-aktivierte R-Typ Anionenstromkomponente verantwortlich ist. Deshalb wurde der Anionenkanal QUAC1 (Quickly activating Anion Channel 1) benannt - in Anlehnung an die Benennung des Anionenkanals SLAC1. Mit der Identifizierung von QUAC1 in planta war es nun meine Aufgabe, die elektrischen Eigenschaften von ALMT12/QUAC1 und dessen Aktivitätskontrolle durch die ABA-Signalkaskade im heterologen Expressionssystem der Xenopus Oozyten zu untersuchen.
Protein-Protein Interaktionsstudien mit der Hilfe der Bimolekularen Fluoreszenz-Technik, sowie die Beobachtung von markant erhöhten QUAC1 Anionenströmen in Anwesenheit der SnRK2 Kinase OST1 und den Calcium-abhängigen Kinasen CPK2 und CPK20, ließen den Schluss zu, dass QUAC1, ebenso wie SLAC1, unter der Kontrolle des schnellen ABA-Signalwegs steht. Eine zusätzliche Expression des negativen Regulators ABI1 unterdrückte die aktivierenden Eigenschaften der QUAC1-aktivierenden Kinasen, was die Hypothese der Koregulation von S- und R-Typ Anionenkanälen durch die gleiche ABA-Signalkaskade weiter unterstützt.
Zur weiteren Aufklärung der elektrischen Eigenschaften von QUAC1 wurden tiefgreifende elektrophysiologische Untersuchungen mit der Zwei-Elektroden-Spannungsklemmen Technik durchgeführt. Durch die Wahl von geschickten Spannungsprotokollen konnte sowohl die schnelle Aktivierungskinetik als auch die schnelle Deaktivierungskinetik von QUAC1 bestimmt und quantifiziert werden. Diese Stromantworten waren sehr ähnlich zu den R-Typ Strömen, die man von Patch-Clamp Untersuchungen an Schließzellprotoplasten kannte, was ein weiteres Indiz dafür war, dass es sich bei QUAC1 tatsächlich um eine Komponente des R-Typ Kanals aus Schließzellen handelt. Weiterführende Untersuchungen bezüglich der Spannungsabhängigkeit und der Selektivität von QUAC1 charakterisierten das Protein als einen Depolarisations-aktivierten Anionenkanal mit einer starken Präferenz für Dicarbonsäuren wie Malat und Fumarat. Zudem konnte auch eine Leitfähigkeit für Sulfat und Chlorid nachgewiesen werden. Interessanterweise erwies sich Malat nicht nur als ein permeierendes Ion, sondern auch als ein regulierendes Ion, welches das spannungsabhängige Schalten von QUAC1 maßgeblich beeinflusst. Extrazelluläres Malat verschob die Offenwahrscheinlichkeit von QUAC1 sehr stark zu negativeren Membranspannungen, so dass der Anionenkanal bereits bei typischen Ruhespannungen von Schließzellen (ca. -150 mV) aktiviert werden konnte. Eine Beladung von QUAC1-exprimierender Oozyten mit Malat bewirkte zum einen höhere Anioneneffluxströme, aber auch eine Verschiebung der spannungsabhängigen Offenwahrscheinlichkeit zu negativeren Membranpotentialen.
Struktur-Funktionsanalysen sollten die umstrittene Topologie von ALMT-ähnlichen Proteinen beleuchten und die molekulare Herkunft der Phosphorylierungsaktivierung aufzeigen, sowie die Malatabhängigkeit und die starke Spannungsabhängigkeit von QUAC1 aufklären. Es zeigte sich jedoch schnell, dass Punktmutationen und Deletionen im C-Terminus von QUAC1 sehr häufig zu nicht-funktionellen Mutanten führten. Diese Tatsache weist darauf hin, dass es sich um einen hoch-strukturierten und funktionell sehr wichtigen Bereich des Anionenkanals handelt. Auch die Topologie des Anionenkanalproteins wird in der Literatur kontrovers diskutiert. Sowohl die Lage des N- und C-Terminus (extrazellulär oder intrazellulär), als auch die Anzahl der membrandurchspannenden Domänen war nicht abschließend geklärt. Deshalb wurde in einem Fluoreszenz-basiertem Ansatz die Lage der Termini bestimmt. Im Rahmen meiner Arbeit konnte somit eindeutig gezeigt werden, dass sich beide Termini im Zytosol der Zelle befinden. Auf Grundlage von Modellen aus der Literatur und meiner Topologiebestimmungen konnte schließlich ein erweitertes Modell zur Struktur von QUAC1 entwickelt werden. Dieses Modell kann in Zukunft als Ausgangspunkt für weiterführende Struktur-Funktionsanalysen dienen.
Diese Arbeit hat somit gezeigt, dass das Gen QUAC1 tatsächlich eine Komponente der R-Typ Ströme in Schließzellen kodiert. Ebenso wie SLAC1 steht der Malat-induzierte Anionenkanal QUAC1 unter der Kontrolle der schnellen ABA-Signalkaskade. In Zukunft bleibt zu klären, welche weiteren Gene für die R-Typ Kanalproteine in Schließzellen kodieren und welche strukturelle Grundlage für die besonderen Eigenschaften von QUAC1 hinsichtlich seiner schnellen Kinetiken, seiner Selektivität und Aktivierbarkeit durch Malat.
Spermiogenesis describes the differentiation of haploid germ cells into motile, fertilization-competent spermatozoa. During this fundamental transition the species-specific sperm head is formed, which necessitates profound nuclear restructuring coincident with the assembly of sperm-specific structures and chromatin compaction. In the case of the mouse, it is characterized by reshaping of the early round spermatid nucleus into an elongated sickle-shaped sperm head. This tremendous shape change requires the transduction of cytoskeletal forces onto the nuclear envelope (NE) or even further into the nuclear interior. LINC (linkers of nucleoskeleton and cytoskeleton) complexes might be involved in this process, due to their general function in bridging the NE and thereby physically connecting the nucleus to the peripheral cytoskeleton.
LINC complexes consist of inner nuclear membrane integral SUN-domain proteins and outer nuclear membrane KASH-domain counterparts. SUN- and KASH-domain proteins are directly connected to each other within the perinuclear space, and are thus capable of transferring forces across the NE. To date, these protein complexes are known for their essential functions in nuclear migration, anchoring and positioning of the nucleus, and even for chromosome movements and the maintenance of cell polarity and nuclear shape.
In this study LINC complexes were investigated with regard to their potential role in sperm head formation, in order to gain further insight into the processes occurring during spermiogenesis. To this end, the behavior and function of the testis-specific SUN4 protein was studied. The SUN-domain protein SUN4, which had received limited characterization prior to this work, was found to be exclusively expressed in haploid stages during germ cell development. In these cell stages, it specifically localized to the posterior NE at regions decorated by the manchette, a spermatid-specific structure which was previously shown to be involved in nuclear shaping. Mice deficient for SUN4 exhibited severely disorganized manchette residues and gravely misshapen sperm heads. These defects resulted in a globozoospermia-like phenotype and male mice infertility. Therefore, SUN4 was not only found to be mandatory for the correct assembly and anchorage of the manchette, but also for the correct localization of SUN3 and Nesprin1, as well as of other NE components. Interaction studies revealed that SUN4 had the potential to interact with SUN3, Nesprin1, and itself, and as such is likely to build functional LINC complexes that anchor the manchette and transfer cytoskeletal forces onto the nucleus.
Taken together, the severe impact of SUN4 deficiency on the nucleocytoplasmic junction during sperm development provided direct evidence for a crucial role of SUN4 and other LINC complex components in mammalian sperm head formation and fertility.