TY - GEN A1 - Politi, Antonio A1 - Pikovskij, Arkadij A1 - Ullner, Ekkehard T1 - Chaotic macroscopic phases in one-dimensional oscillators T2 - Postprints der Universität Potsdam Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The connection between the macroscopic description of collective chaos and the underlying microscopic dynamics is thoroughly analysed in mean-field models of one-dimensional oscillators. We investigate to what extent infinitesimal perturbations of the microscopic configurations can provide information also on the stability of the corresponding macroscopic phase. In ensembles of identical one-dimensional dynamical units, it is possible to represent the microscopic configurations so as to make transparent their connection with the macroscopic world. As a result, we find evidence of an intermediate, mesoscopic, range of distances, over which the instability is neither controlled by the microscopic equations nor by the macroscopic ones. We examine a whole series of indicators, ranging from the usual microscopic Lyapunov exponents, to the collective ones, including finite-amplitude exponents. A system of pulse-coupled oscillators is also briefly reviewed as an example of non-identical phase oscillators where collective chaos spontaneously emerges. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 721 KW - networks Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-429790 SN - 1866-8372 IS - 721 ER - TY - THES A1 - Durek, Pawel T1 - Comparative analysis of molecular interaction networks : the interplay between spatial and functional organizing principles T1 - Vergleichende Analyse molekularer Interaktionsnetzwerke : der Zusammenhang von räumlichen und funktionellen Organisationsprinzipien N2 - The study of biological interaction networks is a central theme in systems biology. Here, we investigate common as well as differentiating principles of molecular interaction networks associated with different levels of molecular organization. They include metabolic pathway maps, protein-protein interaction networks as well as kinase interaction networks. First, we present an integrated analysis of metabolic pathway maps and protein-protein interaction networks (PIN). It has long been established that successive enzymatic steps are often catalyzed by physically interacting proteins forming permanent or transient multi-enzyme complexes. Inspecting high-throughput PIN data, it has been shown recently that, indeed, enzymes involved in successive reactions are generally more likely to interact than other protein pairs. In this study, we expanded this line of research to include comparisons of the respective underlying network topologies as well as to investigate whether the spatial organization of enzyme interactions correlates with metabolic efficiency. Analyzing yeast data, we detected long-range correlations between shortest paths between proteins in both network types suggesting a mutual correspondence of both network architectures. We discovered that the organizing principles of physical interactions between metabolic enzymes differ from the general PIN of all proteins. While physical interactions between proteins are generally dissortative, enzyme interactions were observed to be assortative. Thus, enzymes frequently interact with other enzymes of similar rather than different degree. Enzymes carrying high flux loads are more likely to physically interact than enzymes with lower metabolic throughput. In particular, enzymes associated with catabolic pathways as well as enzymes involved in the biosynthesis of complex molecules were found to exhibit high degrees of physical clustering. Single proteins were identified that connect major components of the cellular metabolism and hence might be essential for the structural integrity of several biosynthetic systems. Besides metabolic aspects of PINs, we investigated the characteristic topological properties of protein interactions involved in signaling and regulatory functions mediated by kinase interactions. Characteristic topological differences between PINs associated with metabolism, and those describing phosphorylation networks were revealed and shown to reflect the different modes of biological operation of both network types. The construction of phosphorylation networks is based on the identification of specific kinase-target relations including the determination of the actual phosphorylation sites (P-sites). The computational prediction of P-sites as well as the identification of involved kinases still suffers from insufficient accuracies and specificities of the underlying prediction algorithms, and the experimental identification in a genome-scale manner is not (yet) doable. Computational prediction methods have focused primarily on extracting predictive features from the local, one-dimensional sequence information surrounding P-sites. However the recognition of such motifs by the respective kinases is a spatial event. Therefore, we characterized the spatial distributions of amino acid residue types around P-sites and extracted signature 3D-profiles. We then tested the added value of spatial information on the prediction performance. When compared to sequence-only based predictors, a consistent performance gain was obtained. The availability of reliable training data of experimentally determined P-sites is critical for the development of computational prediction methods. As part of this thesis, we provide an assessment of false-positive rates of phosphoproteomic data. N2 - Ein zentrales Thema der Systembiologie ist die Untersuchung biologischer Interaktionsnetzwerke. In der vorliegenden Arbeit wurden gemeinsame sowie differenzierende Prinzipien molekularer Interaktionsnetzwerke untersucht, die sich durch unterschiedliche Ebenen der molekulareren Organisation auszeichnen. Zu den untersuchten Interaktionsnetzwerken gehörten Netzwerke, die auf metabolischen Wechselwirkungen, physikalischen Wechselwirkungen zwischen Proteinen und Kinase-Interaktionen aufbauen. Zunächst wird eine integrativen Analyse der metabolischen Pfade und Protein Interaktionsnetzwerke vorgestellt. Es wird seit schon seit langem angenommen, dass aufeinander folgende enzymatische Schritte oft durch permanente oder transiente Multienzymkomplexe, die auf physikalischen Wechselwirkungen der involvierten Proteine basieren, katalysiert werden. Diese Annahme konnte durch die Auswertung von Ergebnissen aus Hochdurchsatz-Experimenten bestätigt werden. Demnach treten aufeinander folgende Enzyme häufiger in physikalische Wechselwirkung als zufällige Enzympaare. Die vorliegende Arbeit geht in ihrer Analyse weiter, in dem die Topologien der zugrundeliegenden Netzwerke, die auf metabolischen und physikalischen Wechselwirkungen basieren verglichen werden und der Zusammenhang zwischen der räumlichen Organisation der Enzyme und der metabolischen Effizienz gesucht wird. Ausgehend von Interaktionsdaten aus Hefe hat die Analyse der auf metabolischen und physikalischen Wechselwirkungen aufbauenden Interaktionswege eine weitgehende Korrelation der Distanzen aufgezeigt und somit eine wechselseitige Übereinstimmung der Architekturen nahegelegt. Allerdings folgen physikalische Wechselwirkungen zwischen metabolischen Enzymen anderen organisatorischen Regeln als Proteininteraktionen im allgemeinem PIN, das alle Proteininteraktionen enthält. Während Proteininteraktionen im allgemeinen PIN sich dissortativ verhalten, sind physikalische Enzyminteraktionen assortativ, d.h. dass die Anzahl der Interaktionen benachbarter Proteine im allgemeinem Netzwerk negativ und im metabolischen Netzwerk positiv korreliert. Ferner scheinen Enzyme von höherem metabolischen Durchsatz häufiger in Wechselwirkungen involviert zu sein. Enzyme der zentralen katabolischen Prozesse sowie der Biosynthese komplexer Membranlipide zeigen dabei einen besonders hohen Verknüpfungsgrad und eine dichte Clusterbildung. Einzelne Proteine wurden identifiziert, die die Hauptkomponenten des zellulären Metabolismus verbinden und so die Integrität verschiedener biosynthetischer Systeme essenziell beeinflussen könnten. Neben dem metabolischen Aspekt der PIN wurde auch der Aspekt der Regulation sowie der Signaltransduktion, der Kinase-Interaktionen, näher analysiert. Dabei wurden charakteristische topologische Unterschiede der mit dem Metabolismus und der Phosphorylierung assoziierten PIN gefunden, die die unterschiedlichen Aufgaben beider Netzwerke widerspiegeln. Die Rekonstruktion von Phosphorylierungs-Netzwerken basiert im Wesentlichen auf der Vorhersage von Kinase-Zielprotein Relationen und kann deshalb immer noch an der nicht genügenden Vorhersagegüte der angewandten Vorhersage-Algorithmen während der Bestimmung von Phosphorylierungsstellen (P-Stellen) und der dazugehörigen Kinasen leiden. Auch die experimentelle, genomweite Bestimmung der P-Stellen ist (noch) nicht durchführbar. Bisherige computergestützte Vorhersagemethoden beruhten für gewöhnlich auf der Auswertung charakteristischer Merkmale der lokalen, die P-Stelle umgebenden Proteinsequenz. Dieser Ansatz wird durch die Verwendung räumlicher 3D-Information in der vorliegenden Arbeit erweitert. Hierbei wird die Verteilung der Aminosäuren um die P-Stelle berechnet und spezifische 3D-Signaturen zur Vorhersage extrahiert. Beim Vergleich mit sequenz-basierten Vorhersagemethoden konnte eine konsistente Verbesserung der Vorhersage durch die Einbeziehung räumlicher Information gezeigt werden. Weiterhin wird in der vorliegenden Arbeit auch der Frage nach der Fehlerrate der experimentellen Phosphoprotein-Daten nachgegangen und ihre Verlässlichkeit bewertet. Die Verfügbarkeit eines verlässlichen Datensatzes ist bei der Entwicklung einer Vorhersagemethode ein entscheidendes Kriterium. KW - Proteinphosphorylation KW - Systembiologie KW - Netzwerke KW - metabolisch KW - phosphorylation KW - systemsbiology KW - networks KW - metabolic Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-31439 ER - TY - THES A1 - Mühlenhoff, Judith T1 - Culture-driven innovation BT - acknowledging culture as a knowledge source for innovation N2 - This cumulative dissertation deals with the potential of underexplored cultural sources for innovation. Nowadays, firms recognize an increasing demand for innovation to keep pace with an ever-growing dynamic worldwide competition. Knowledge is one of the most crucial sources and resource, while until now innovation has been foremost driven by technology. But since the last years, we have been witnessing a change from technology's role as a driver of innovation to an enabler of innovation. Innovative products and services increasingly differentiate through emotional qualities and user experience. These experiences are hard to grasp and require alignment in innovation management theory and practice. This work cares about culture in a broader matter as a source for innovation. It investigates the requirements and fundamentals for "culture-driven innovation" by studying where and how to unlock cultural sources. The research questions are the following: What are cultural sources for knowledge and innovation? Where can one find cultural sources and how to tap into them? The dissertation starts with an overview of its central terms and introduces cultural theories as an overarching frame to study cultural sources for innovation systematically. Here, knowledge is not understood as something an organization owns like a material resource, but it is seen as something created and taking place in practices. Such a practice theoretical lens inheres the rejection of the traditional economic depiction of the rational Homo Oeconomicus. Nevertheless, it also rejects the idea of the Homo Sociologicus about the strong impact of society and its values on individual actions. Practice theory approaches take account of both concepts by underscoring the dualism of individual (agency, micro-level) and structure (society, macro-level). Following this, organizations are no enclosed entities but embedded within their socio-cultural environment, which shapes them and is also shaped by them. Then, the first article of this dissertation acknowledges a methodological stance of this dualism by discussing how mixed methods support an integrated approach to study the micro- and macro-level. The article focuses on networks (thus communities) as a central research unit within studies of entrepreneurship and innovation. The second article contains a network analysis and depicts communities as central loci for cultural sources and knowledge. With data from the platform Meetup.com about events etc., the study explores which overarching communities and themes have been evolved in Berlin's start up and tech scene. While the latter study was about where to find new cultural sources, the last article addresses how to unlock such knowledge sources. It develops the concept of a cultural absorptive capacity, that is the capability of organizations to open up towards cultural sources. Furthermore, the article points to the role of knowledge intermediaries in the early phases of knowledge acquisition. Two case studies on companies working with artists illustrate the roles of such intermediaries and how they support firms to gain knowledge from cultural sources. Overall, this dissertation contributes to a better understanding of culture as a source for innovation from a theoretical, methodological, and practitioners' point of view. It provides basic research to unlock the potential of such new knowledge sources for companies - sources that so far have been neglected in innovation management. N2 - Diese kumulative Dissertation beschäftigt sich mit dem Potenzial von bisher wenig untersuchten kulturellen Quellen für Innovation. Firmen erleben heutzutage einen ansteigenden Bedarf nach Innovationen um in einer immer dynamisch werdenden Welt im Wettbewerb nicht zurückzufallen. Wissen gehört hierbei zu einer der zentralen Quelle und Ressource, wobei das Wissen um Innovationen bisher meistens stark durch den Einfluss von Technik geprägt wurde. Jedoch können wir in den letzten Jahren vermehrt beobachten, wie Technik als Treiber von Innovationen zurückgeht und eher die Rolle eines Gehilfen übernimmt. Innovative Produkte und Services differenzieren sich zunehmend über emotionale und über Erfahrungsqualitäten. Diese Nutzungserfahrungen sind schwer zu fassen und erfordern Anpassungen im bisherigen Management von Innovationen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Kultur im weitest gehenden Sinne als Quelle für Innovationen. Sie behandelt die Voraussetzungen und Grundlagen für "Culture-Driven Innovation" indem darauf eingegangen wird wo und wie kulturelle Quellen erschlossen werden können. Die Forschungsfragen lauten: Was sind kulturelle Quellen für Wissen und Innovation? Wo kann man diese Quellen finden und wie sie sich erschließen? Dafür beginnt die Arbeit mit einem Überblick zu den wesentlichen Begriffen des Promotionsthemas und führt Kulturtheorien als übergreifende Klammer ein, von denen kulturelle Quellen für Innovationen systematisch betrachtet werden können. Wissen wird hierbei nicht als etwas gesehen, das eine Organisation besitzen kann wie eine materielle Ressource, sondern als etwas, das erst in Praktiken erlebbar und geniert wird. Solch einer praxistheoretischen Sichtweise innewohnend ist die Ablehnung klassischer wirtschaftswissenschaftlicher Vorstellungen eines rational agierenden Homo Oeconomicus. Auf der anderen Seite lehnt sie aber auch die Idee eines Homo Sociologicus ab, in dem das Handeln des Einzelnen hauptsächlich von der Gesellschaft und ihren Werten geprägt wird. Praxistheoretische Ansätze positionieren sich dazwischen indem sie den Dualismus von Individuum (Akteur, Mikro-Ebene) und Struktur (Gesellschaft, Makro-Ebene) betont. Organisationen sind demnach keine in sich geschlossene Einheiten, sondern eingebettet in ihre sozio-kulturelle Umwelt, die sie prägt und die sie gleichzeitig wiederum mitprägen. Im Folgenden widmet sich der erste Artikel einer methodischen Betrachtung dieses Dualismus' indem erörtert wird, wie Mixed Methods helfen Mikro-Ebene und Makro-Ebene integriert erforschen zu können. Dabei konzentriert sich der Artikel auf Netzwerke (und somit auch Communities) als zentrale Untersuchungseinheit von Entrepreneurship- und Innovationsforschung. Der zweite Artikel der Dissertation beinhaltet eine Netzwerkanalyse und widmet sich Communities als zentralen Ort für kulturelle Quellen und Wissen. An Hand der Daten der Plattform Meetup.com zu Veranstaltungen etc., untersucht die Studie welche übergreifenden Communities und welche Themen sich in Berlin's Start Up- und Tech-Szene gebildet haben. Nachdem dieser Beitrag sich der Frage widmet wo neue kulturelle Wissensquellen entdeckt werden können, geht der letzte Beitrag der vorliegenden Doktorarbeit der Frage nach, wie solches Wissen erschlossen werden kann. In dem Artikel wird die Idee einer Cultural Absorptive Capacity entwickelt, also der Fähigkeit von Organisationen sich gegenüber kulturellen Quellen zu öffnen, und die Rolle von Wissensvermittlern in der frühen Phase von Wissenserschließung betont. In zwei Fallstudien über Firmen, die mit Künstlern zusammenarbeiten, wird aufgezeigt, welche Rollen solche Vermittler übernehmen können und wie sie Unternehmen dabei helfen, Wissen aus kulturellen Quellen zu nutzen. Insgesamt trägt diese Dissertation zu einem besseren Verständnis von Kultur als Quelle für Innovationen auf theoretischer, methodischer und praktischer Ebene bei. Sie leistet damit Grundlagenarbeit um das Potenzial solcher neuen Wissensquellen für Unternehmen zu erschließen da diese bisher im Innovationsmanagement vernachlässigt wurden. KW - innovation management KW - Innovationsmanagement KW - culture KW - Kultur KW - intermediaries KW - knowledge KW - Wissen KW - networks KW - Netzwerke KW - mixed methods KW - communities KW - entrepreneurship KW - absorptive capacity Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-104626 ER - TY - THES A1 - Gengel, Erik T1 - Direct and inverse problems of network analysis T1 - Direkte und Inverse Probleme der Netzwerk-Analyse N2 - Selfsustained oscillations are some of the most commonly observed phenomena in biological systems. They emanate from non-linear systems in a heterogeneous environment and can be described by the theory of dynamical systems. Part of this theory considers reduced models of the oscillator dynamics by means of amplitudes and a phase variable. Such variables are highly attractive for theoretical and experimental studies. Theoretically these variables correspond to an integrable linearization of the generally non-linear system. Experimentally, there exist well established approaches to extract phases from oscillator signals. Notably, one can define phase models also for networks of oscillators. One highly active field examines effects of non-local coupling among oscillators, which is thought to play a key role in networks with strong coupling. The dissertation introduces and expands the knowledge about high-order phase coupling in networks of oscillators. Mathematical calculations consider the Stuart-Landau oscillator. A novel phase estimation scheme for direct observations of an oscillator dynamics is introduced based on numerics. A numerical study of high-order phase coupling applies a Fourier fit for the Stuart-Landau and for the van-der-Pol oscillator. The numerical approach is finally tested on observation-based phase estimates of the Morris-Lecar neuron. A popular approach for the construction of phases from signals is based on phase demodulation by means of the Hilbert transform. Generally, observations of oscillations contain a small and generic variation of their amplitude. The work presents a way to quantify how much the variations of signal amplitude spoil a phase demodulation procedure. For the ideal case of phase modulated signals, amplitude modulations vanish. However, the Hilbert transform produces artificial variations of the reconstructed amplitude even in this case. The work proposes a novel procedure called Iterative Hilbert Transform Embedding to obtain an optimal demodulation of signals. The text presents numerous examples and tests of application for the method, covering multicomponent signals, observables of highly stable limit cycle oscillations and noisy phase dynamics. The numerical results are supported by a spectral theory of convergence for weak phase modulations. N2 - Selbsterhaltende Ozillationen finden sich häufig in biologischen Systemen. Sie emergieren aus nichtlinearen Prozessen in einem heterogenen Umfeld und können durch die Theorie dynamischer Systeme beschrieben werden. Ein Teil dieser Theorie befasst ich mit reduzierten Beschreibungen von Oszillationen anhand von Amplituden-, und Phasenvariablen. Selbige sind für theoretische und experimentelle Anwendungen von großer Bedeutung. Im theoretischen Bereich korrespondieren Phasen und Amplituden zur integrablen Linearisierung eines nichtlinearen Systems. Im experimentellen Bereich existieren weit verbreitete Ansätze, Phasenvariablen aus oszillierenden Signalen zu gewinnen. Phasenmodelle können auch für Netzwerke von Oszillatoren definiert werden. Ein aktives Forschungsgebiet befasst sich in diesem Zusammenhang mit nicht-lokalen Kopplungen zwischen den Oszillatoren. Die Fachwelt geht davon aus, dass solche nicht-lokalen Kopplungen eine entscheidende Rolle spielen, wenn die Kopplungen zwischen den einzelnen Einheiten nicht schwach ist. Die Dissertation gibt eine Einführung in dieses Themengebiet und liefert einen Beitrag zum weiteren Verständnis derartiger Probleme. Mathematische Berechnungen gehen vom Stuart-Landau-Oszillator aus. Eine neue numerische Berechnungsmethode für die Phasendynamik von Oszillatoren wird vorgestellt; sie basiert auf vollständiger Kenntnis des dynamischen Systems. Eine numerische Studie der Phasenkopplungen höherer Ordnung verwendet einen Fourier-Fit. Als Beispiele dienen hier das Stuart-Landau-Modell und der van-der-Pol Oszillator. Die vollständige numerische Prozedur wird final getestet für die datengetriebene Bestimmung der Phasenkopplung dreier Morris-Lecar Neuronen. Eine der beliebtesten Methoden zur Phasenextraktion aus Messdaten basiert auf dem Prinzip der Phasendemodulation. Hierfür verwendet man die Hilbert-Transformation. Im Allgemeinen beinhalten Observablen nichtlinearer Oszillatoren kleine - als generisch anzusehende - Variationen ihrer Amplitude. Die dargelegte Arbeit präsentiert eine Möglichkeit, wie der Einfluss derartiger Variationen die Phasendemodulation behindert. Für den idealen Fall reiner Phasenmodulation in Signalen, gehen Amplitudenvariationen gegen null. Dennnoch reproduziert die Hilbert-Transformation auch in derartigen Fällen nicht die tatsächliche Phase des Signals. Die Dissertation stellt eine neue Methode vor, die dieses spezielle Problem behebt. Diese Methode trägt den Namen Iterative Hilbert-Transformations-Einbettung und erlaubt die optimale Demodulation zu finden. Im Text werden zahlreiche Beispiele vorgestellt, insbesondere Multikomponentensignale, Observablen starrer Grenzzyklen und verrauschte Phasendynamiken. Die numerischen Resultate werden unterstützt durch eine spektrale Theorie der Konvergenz für schwache Phasenmodulationen. KW - non-linear oscillators KW - Hilbert transform KW - networks KW - phase demodulation KW - phase-amplitude mixing KW - high-order phase coupling KW - Hilbert-Transformation KW - Phasenkopplungen höherer Ordnung KW - Netzwerke KW - nichtlineare Oszillationen KW - Phasendemodulation KW - Phasen-Amplituden Trennung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-512367 ER - TY - THES A1 - Giorgi, Federico Manuel T1 - Expression-based reverse engineering of plant transcriptional networks T1 - Expressionsbasierte Rekonstruktion von pflanzlichen Transkriptionsnetzwerken N2 - Regulation of gene transcription plays a major role in mediating cellular responses and physiological behavior in all known organisms. The finding that similar genes are often regulated in a similar manner (co-regulated or "co-expressed") has directed several "guilt-by-association" approaches in order to reverse-engineer the cellular transcriptional networks using gene expression data as a compass. This kind of studies has been considerably assisted in the recent years by the development of high-throughput transcript measurement platforms, specifically gene microarrays and next-generation sequencing. In this thesis, I describe several approaches for improving the extraction and interpretation of the information contained in microarray based gene expression data, through four steps: (1) microarray platform design, (2) microarray data normalization, (3) gene network reverse engineering based on expression data and (4) experimental validation of expression-based guilt-by-association inferences. In the first part test case is shown aimed at the generation of a microarray for Thellungiella salsuginea, a salt and drought resistant close relative to the model plant Arabidopsis thaliana; the transcripts of this organism are generated on the combination of publicly available ESTs and newly generated ad-hoc next-generation sequencing data. Since the design of a microarray platform requires the availability of highly reliable and non-redundant transcript models, these issues are addressed consecutively, proposing several different technical solutions. In the second part I describe how inter-array correlation artifacts are generated by the common microarray normalization methods RMA and GCRMA, together with the technical and mathematical characteristics underlying the problem. A solution is proposed in the form of a novel normalization method, called tRMA. The third part of the thesis deals with the field of expression-based gene network reverse engineering. It is shown how different centrality measures in reverse engineered gene networks can be used to distinguish specific classes of genes, in particular essential genes in Arabidopsis thaliana, and how the use of conditional correlation can add a layer of understanding over the information flow processes underlying transcript regulation. Furthermore, several network reverse engineering approaches are compared, with a particular focus on the LASSO, a linear regression derivative rarely applied before in global gene network reconstruction, despite its theoretical advantages in robustness and interpretability over more standard methods. The performance of LASSO is assessed through several in silico analyses dealing with the reliability of the inferred gene networks. In the final part, LASSO and other reverse engineering methods are used to experimentally identify novel genes involved in two independent scenarios: the seed coat mucilage pathway in Arabidopsis thaliana and the hypoxic tuber development in Solanum tuberosum. In both cases an interesting method complementarity is shown, which strongly suggests a general use of hybrid approaches for transcript expression-based inferences. In conclusion, this work has helped to improve our understanding of gene transcription regulation through a better interpretation of high-throughput expression data. Part of the network reverse engineering methods described in this thesis have been included in a tool (CorTo) for gene network reverse engineering and annotated visualization from custom transcription datasets. N2 - Die Regulation der Gentranskription spielt eine wichtige Rolle bei der Steuerung des physiologischen Verhaltens in allen Organismen. Dass ähnliche Gene oft in gleicher Weise reguliert werden (koreguliert oder koexpimiert), hat zu diversen „guilt-by-association“-Ansätzen zur Rekonstruktion von zellulären Transkriptionsnetzwerken geführt, die Genexpressionsdaten zur Orientierung nutzen. Studien dieser Art wurden in den letzten Jahren durch die Entwicklung von Hochdurchsatzmessungen von Transkriptmengen mittels Mikroarrays und ‚Next Generation‘ Sequenziertechniken stark gefördert. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Ansätze zur Verbesserung der Extraktion und Interpretation von Mikroarray-basierten Genexpressionsdaten in vier Schritten beschrieben: (1) Mikroarray-Sonden-Design, (2) Mikroarray Datennormalisierung, (3) Rekonstruktion von Gennetzwerken unter Verwendung von Expressionsdaten und (4) experimentelle Überprüfung von expressionsbasierten „guilt-by-association“ Schlussfolgerungen. Im ersten Teil wird ein Beispiel zur Erstellung eines Mikroarrays für Thelungiella salsuginea gezeigt, einem salz- und trockenresistenten Verwandten von Arabidopsis thaliana. Zur Rekonstruktion der Transkripte wurden sowohl öffentliche ESTs (‚expressed sequence tags‘) als auch neu erzeugte ‚Next Generation‘ Sequenzierdaten genutzt. Da das Design von Mikroarrays speziesspezifische, nicht-redundante Transkriptmodelle erfordert, werden diese Aufgaben nacheinander abgearbeitet und verschiedene technische Lösungsmöglichkeiten aufgezeigt. Im zweiten Teil wird beschrieben, wie übliche Mikroarray-Normalisierungsverfahren wie RMA und GCRMA zu Korrelationsartefakten führen können. Technische sowie mathematische Hintergründe werden erläutert und zur Lösung des Problems wird mit tRMA eine neue Normalisierungsmethode vorgestellt. Der dritte Teil der Arbeit beschäftigt sich der expressionsbasierten Rekonstruktion von Gennetzwerken. Es wird demonstriert, wie dabei verschiedene „Zentralitäten“ bei zur Unterscheidung von spezifischen Genklassen, hier beispielhaft essentielle Gene von Arabidopsis thaliana, genutzt werden können und wie die Verwendung von konditioneller Korrelation tieferes Verständnis des der Transkriptionsregulation zugrundeliegenden Informationsflusses ermöglicht. Weiterhin werden Ansätze zur Netzwerkrekonstruktion verglichen. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der LASSO Technik, einer Art linearer Regression, die trotz ihren theoretischen Vorteilen in Robustheit und Interpretierbarkeit gegenüber Standardmethoden bisher selten zur Rekonstruktion von globalen Gennetzwerken genutzt wurde. Die Leistungsfähigkeit von LASSO wird durch in silico Analysen der Zuverlässigkeit der erstellten Gennetzwerke gemessen. Im letzten Teil der Arbeit wurden LASSO und andere Rekonstruktionsmethoden genutzt um experimentell neue Gene der folgenden zwei Szenarien zu identifizieren: im Samenschleim von Arabidopsis thaliana und während der Knollenentwicklung von Solanum tuberosum unter Sauerstoffmangel. In beiden Fällen wird eine interessante Methodenkomplementarität gezeigt, nach welcher eine Mischung mehrerer Ansätze zu empfehlen ist um Schlüsse aufgrund von Transkriptexpression zu ziehen. Zusammenfassend zielt diese Arbeit darauf ab, das Verständnis der Regulation von Gentranskriptionsnetzwerken durch bessere Interpretation von Hochdurchsatzexpressionsdaten zu verbessern. Ein Teil der in dieser Arbeit beschriebenen Methoden wurden im Programm CorTo zur Gennetzwerkrekonstruktion und annotierten Visualisierung von benutzerdefinierten Transkriptionsdaten verarbeitet. KW - Koexpression KW - Microarrays KW - Essentialität KW - Transkriptionsnetzwerke KW - LASSO KW - Coexpression KW - microarrays KW - essentiality KW - networks KW - LASSO Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-56760 ER - TY - JOUR A1 - Schwarz, Ingo A1 - Buffon, Giuseppe A1 - Ette, Ottmar A1 - Garrido, Elisa A1 - Heyd, Thomas A1 - Lundberg, Karin A1 - Werner, Petra ED - Ette, Ottmar ED - Knobloch, Eberhard T1 - HiN : Alexander von Humboldt im Netz T2 - HIN : Alexander von Humboldt im Netz ; international review for Humboldtian studies N2 - Ingo Schwarz: „Uebrigens verbleibe ich mit besonderer Werthschätzung Euer gnädiger König“. Zum Briefwechsel Alexander von Humboldts mit Friedrich Wilhelm III. im September 1804 Giuseppe Buffon: The Franciscans in Cathay: memory of men and places. A Contribution for the genealogy of geographical knowledge of Alexander von Humboldt Ottmar Ette: Icono-grafía, cali-grafía, auto-grafía. Sobre el arte de la visualización en los diarios del viaje americano de Alexander von Humboldt Elisa Garrido: Arte, ciencia y cultura visual en el atlas pintoresco: Vista de la Plaza Mayor de Mexico Thomas Heyd: Ascensión al Teide de Alexander von Humboldt Karin Lundberg: Networking Knowledge: Considering Alexander von Humboldt’s Legacy in a New Shared Space in Education Petra Werner: In der Naturgeschichte „etwas Höheres suchen“. Zu Humboldts Konzept der Pflanzengeographie T3 - HiN : Alexander von Humboldt im Netz ; International Review for Humboldtian Studies - XVI.2015, 30 KW - Humboldt KW - Alexander von Humboldt KW - Humboldt-Forschung KW - Universität Potsdam KW - BBAW KW - Alexander von Humboldt auf Reisen KW - Brief KW - Briefwechsel KW - Friedrich Wilhelm III. KW - 1804 KW - Franziskaner KW - Geographie KW - Epistemologie der Geographie KW - Editionsprojekte KW - Reisemanuskripte KW - Reisetagebücher KW - Amerikanische Reisetagebücher KW - Vues des Cordilleres KW - Vista de las Cordilleras KW - Kunstgeschichte KW - visual culture KW - Bildwissenschaft KW - Pico de Teide KW - Teneriffa KW - Tenerife KW - knowledge KW - networks KW - education KW - community college KW - East Coast KW - USA KW - Naturgeschichte KW - Pflanzengeographie Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-86895 SN - 1617-5239 SN - 2568-3543 VL - XVI IS - 30 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - GEN A1 - Schrön, Martin A1 - Köhli, Markus A1 - Scheiffele, Lena A1 - Iwema, Joost A1 - Bogena, Heye R. A1 - Lv, Ling A1 - Martini, Edoardo A1 - Baroni, Gabriele A1 - Rosolem, Rafael A1 - Weimar, Jannis A1 - Mai, Juliane A1 - Cuntz, Matthias A1 - Rebmann, Corinna A1 - Oswald, Sascha Eric A1 - Dietrich, Peter A1 - Schmidt, Ulrich A1 - Zacharias, Steffen T1 - Improving calibration and validation of cosmic-ray neutron sensors in the light of spatial sensitivity T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch Naturwissenschaftliche Reihe N2 - In the last few years the method of cosmic-ray neutron sensing (CRNS) has gained popularity among hydrologists, physicists, and land-surface modelers. The sensor provides continuous soil moisture data, averaged over several hectares and tens of decimeters in depth. However, the signal still may contain unidentified features of hydrological processes, and many calibration datasets are often required in order to find reliable relations between neutron intensity and water dynamics. Recent insights into environmental neutrons accurately described the spatial sensitivity of the sensor and thus allowed one to quantify the contribution of individual sample locations to the CRNS signal. Consequently, data points of calibration and validation datasets are suggested to be averaged using a more physically based weighting approach. In this work, a revised sensitivity function is used to calculate weighted averages of point data. The function is different from the simple exponential convention by the extraordinary sensitivity to the first few meters around the probe, and by dependencies on air pressure, air humidity, soil moisture, and vegetation. The approach is extensively tested at six distinct monitoring sites: two sites with multiple calibration datasets and four sites with continuous time series datasets. In all cases, the revised averaging method improved the performance of the CRNS products. The revised approach further helped to reveal hidden hydrological processes which otherwise remained unexplained in the data or were lost in the process of overcalibration. The presented weighting approach increases the overall accuracy of CRNS products and will have an impact on all their applications in agriculture, hydrology, and modeling. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 636 KW - forested headwater catchment KW - moisture observing system KW - soil-water content KW - parameterization methods KW - scale KW - field KW - dynamics KW - observatories KW - networks Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-419134 IS - 636 SP - 5009 EP - 5030 ER - TY - THES A1 - Wittenbecher, Clemens T1 - Linking whole-grain bread, coffee, and red meat to the risk of type 2 diabetes T1 - Der Einfluss von Vollkornbrot, Kaffee, und rotem Fleisch auf das Typ 2 Diabetesrisiko BT - using metabolomics networks to infer potential biological mechanisms BT - Verwendung von Metabolomics-Netzwerken, um auf biologische Mechanismen zu schließen N2 - Background: Consumption of whole-grain, coffee, and red meat were consistently related to the risk of developing type 2 diabetes in prospective cohort studies, but potentially underlying biological mechanisms are not well understood. Metabolomics profiles were shown to be sensitive to these dietary exposures, and at the same time to be informative with respect to the risk of type 2 diabetes. Moreover, graphical network-models were demonstrated to reflect the biological processes underlying high-dimensional metabolomics profiles. Aim: The aim of this study was to infer hypotheses on the biological mechanisms that link consumption of whole-grain bread, coffee, and red meat, respectively, to the risk of developing type 2 diabetes. More specifically, it was aimed to consider network models of amino acid and lipid profiles as potential mediators of these risk-relations. Study population: Analyses were conducted in the prospective EPIC-Potsdam cohort (n = 27,548), applying a nested case-cohort design (n = 2731, including 692 incident diabetes cases). Habitual diet was assessed with validated semiquantitative food-frequency questionnaires. Concentrations of 126 metabolites (acylcarnitines, phosphatidylcholines, sphingomyelins, amino acids) were determined in baseline-serum samples. Incident type 2 diabetes cases were assed and validated in an active follow-up procedure. The median follow-up time was 6.6 years. Analytical design: The methodological approach was conceptually based on counterfactual causal inference theory. Observations on the network-encoded conditional independence structure restricted the space of possible causal explanations of observed metabolomics-data patterns. Given basic directionality assumptions (diet affects metabolism; metabolism affects future diabetes incidence), adjustment for a subset of direct neighbours was sufficient to consistently estimate network-independent direct effects. Further model-specification, however, was limited due to missing directionality information on the links between metabolites. Therefore, a multi-model approach was applied to infer the bounds of possible direct effects. All metabolite-exposure links and metabolite-outcome links, respectively, were classified into one of three categories: direct effect, ambiguous (some models indicated an effect others not), and no-effect. Cross-sectional and longitudinal relations were evaluated in multivariable-adjusted linear regression and Cox proportional hazard regression models, respectively. Models were comprehensively adjusted for age, sex, body mass index, prevalence of hypertension, dietary and lifestyle factors, and medication. Results: Consumption of whole-grain bread was related to lower levels of several lipid metabolites with saturated and monounsaturated fatty acids. Coffee was related to lower aromatic and branched-chain amino acids, and had potential effects on the fatty acid profile within lipid classes. Red meat was linked to lower glycine levels and was related to higher circulating concentrations of branched-chain amino acids. In addition, potential marked effects of red meat consumption on the fatty acid composition within the investigated lipid classes were identified. Moreover, potential beneficial and adverse direct effects of metabolites on type 2 diabetes risk were detected. Aromatic amino acids and lipid metabolites with even-chain saturated (C14-C18) and with specific polyunsaturated fatty acids had adverse effects on type 2 diabetes risk. Glycine, glutamine, and lipid metabolites with monounsaturated fatty acids and with other species of polyunsaturated fatty acids were classified as having direct beneficial effects on type 2 diabetes risk. Potential mediators of the diet-diabetes links were identified by graphically overlaying this information in network models. Mediation analyses revealed that effects on lipid metabolites could potentially explain about one fourth of the whole-grain bread effect on type 2 diabetes risk; and that effects of coffee and red meat consumption on amino acid and lipid profiles could potentially explain about two thirds of the altered type 2 diabetes risk linked to these dietary exposures. Conclusion: An algorithm was developed that is capable to integrate single external variables (continuous exposures, survival time) and high-dimensional metabolomics-data in a joint graphical model. Application to the EPIC-Potsdam cohort study revealed that the observed conditional independence patterns were consistent with the a priori mediation hypothesis: Early effects on lipid and amino acid metabolism had the potential to explain large parts of the link between three of the most widely discussed diabetes-related dietary exposures and the risk of developing type 2 diabetes. N2 - Hintergrund: Evidenz aus prospektiven Kohortenstudien belegt, dass der gewohnheitsmäßige Verzehr von Vollkorn, Kaffee und rotem Fleisch mit dem Risiko an Typ 2 Diabetes zu erkranken assoziiert ist. Dieser Risikobeziehung eventuell zugrunde liegende Mechanismen sind allerdings noch weitgehend unklar. Des Weiteren wurde gezeigt, dass Metabolitenprofile im Blut durch die oben genannten Ernährungs-expositionen beeinflusst werden und außerdem in Zusammenhang mit dem Typ 2 Diabetesrisiko stehen. Zusätzlich wurde beschrieben, dass grafische Netzwerkmodelle von Metabolitenprofilen die zugrunde liegenden Stoffwechselprozesse gut abbilden. Zielstellung: Das Ziel dieser Arbeit war es, Hypothesen bezüglich biologischer Mechanismen zu generieren, die die Assoziationen des Vollkornverzehrs, des Kaffeekonsums und des Fleischverzehrs mit dem Typ 2 Diabetesrisiko erklären könnten. Im speziellen sollten Aminosäure- und Lipidprofile als mögliche Mediatoren des Risikozusammenhangs untersucht werden. Studienpopulation: Analysen wurden auf Grundlage von Daten aus der prospektiven EPIC-Potsdam Kohortenstudie (n=27,548) durchgeführt, wobei ein Fall-Kohorten-Design verwendet wurde (n=2317, darunter 692 inzidente Typ 2 Diabetesfälle). Ernährungsgewohnheiten wurden mit einem validierten, semiquantitativen Verzehrshäufigkeitsfragebogen erfasst. Die Konzentrationen von 126 Metaboliten (Aminosäuren, Acylcarnitine, Sphingomyeline und Phosphatidylcholine) wurden zur Basiserhebung genommen Blutproben gemessen. Inzidente Typ 2 Diabetesfälle wurden im Rahmen einer aktiven Folgeerhebung detektiert und verifiziert. Die mediane Dauer des berücksichtigten prospektiven Erhebungszeitraums lag für diese Studie bei 6,6 Jahren. Aufbau der Analysen: Die theoretische Grundlage für den methodischen Ansatz dieser Arbeit bildete die kontrafaktische Theorie der Kausalinferenz. Die in Netzwerken kodierte konditionale Unabhängigkeitsstruktur wurde genutzt, um den Raum möglicher Modelle zu begrenzen, die die beobachteten Zusammenhänge zwischen den Metaboliten erklären könnten. Unter Annahme weniger grundlegender Effektrichtungen (von der Ernährung auf die Netzwerke gerichtete Effekte; von den Netzwerken auf das Diabetesrisiko gerichtete Effekte) genügt die Adjustierung für eine Teilmenge der direkten Nachbarn im Netzwerk, um netzwerkunabhängige direkte Effekte konsistent zu schätzen. Eine weitere Spezifizierung der Modelle war allerdings aufgrund fehlender Richtungsinformationen zu den Metaboliten-abhängigkeiten nicht möglich. Deshalb wurde ein Multi-Modellierungsansatz gewählt, um die Grenzen möglicher Effekte zu schlussfolgern. Alle möglichen Ernährungs-Metaboliten-Beziehungen und Metaboliten-Typ 2 Diabetesrisiko-Beziehungen wurden dadurch in eine der folgenden drei Kategorien klassifiziert: Direkter Effekt, Unklar, Kein Effekt. Querschnittsbeziehungen wurden in multivariabel adjustierten linearen Regressionsmodellen untersucht. Longitudinale Zusammenhänge wurden mit Cox-Regressionsmodellen geschätzt. Alle Modelle wurden für Alter, Geschlecht, Body-Mass-Index, prävalente Hypertonie, Ernährungs- und Lebensstilfaktoren und die Einnahme von Medikamenten adjustiert. Ergebnisse: Der Verzehr von Vollkornbrot stand im Zusammenhang mit niedrigeren Konzentrationen gesättigter und einfach ungesättigter Fettsäuren. Kaffee stand in Beziehung zu niedrigeren Konzentrationen verzweigtkettiger und aromatischer Aminosäuren und hatte potentielle Effekte auf das Fettsäureprofil in den Lipidmetaboliten. Rotes Fleisch zeigte einen Zusammenhang mit niedrigeren Glyzinspiegeln und mit höheren Konzentrationen verzweigtkettiger Aminosäuren. Außerdem stand das Fettsäureprofil in den verschieden Gruppen von Lipidmetaboliten in Zusammenhang mit dem Fleischverzehr. Des Weiteren wurden potentielle Effekte der Metabolite auf das Typ 2 Diabetesrisiko gefunden. Aromatische Aminosäuren und Lipidmetabolite mit geradzahligen, gesättigten (C14-C16) und mit spezifischen mehrfach ungesättigten Fettsäureseitenketten standen mit einem erhöhten Typ 2 Diabetesrisiko in Beziehung. Glyzin, Glutamin und Lipidmetabolite mit einfach ungesättigten und anderen mehrfach ungesättigten Fettsäureseitenketten zeigten einen günstigen Zusammenhang mit dem Diabetesrisiko. Mögliche Mediatoren der Beziehung der Ernährungsexpositionen wurden identifiziert, indem diese Informationen in gemeinsamen grafischen Modellen integriert wurden. Mediationsanalysen zeigten, dass die möglichen Effekte von Vollkornverzehr auf die Lipidmetabolite ungefähr ein Viertel des günstigen Einflusses von Vollkornverzehr auf das Diabetesrisikos erklären könnten. Die möglichen Effekte von Kaffeekonsum und von Fleischverzehr auf Aminosäuren und Lipidmetabolite könnten jeweils ungefähr zwei Drittel der Zusammenhänge mit dem Diabetesrisiko erklären. Schlussfolgerung: Grundlage für die Ergebnisse dieser Arbeit war die Entwicklung eines Algorithmus, der externe Faktoren (kontinuierlich Expositionsvariablen, Ereigniszeit-Daten) und hochdimensionale Metabolitenprofile in einem gemeinsamen grafischen Modell integriert. Die Anwendung dieses Algorithmus auf Daten aus der EPIC-Potsdam Kohortenstudie hat gezeigt, dass die beobachteten konditionalen Unabhängigkeitsstrukturen mit der a priori Mediationshypothese konsistent waren. Der frühe Einfluss auf den Aminosäure- und Lipidstoffwechsel könnte die beobachteten Zusammenhänge zwischen drei wichtigen Ernährungsfaktoren und dem Risiko an Typ 2 Diabetes zu erkranken zu großen Teilen erklären. KW - type 2 diabetes KW - nutrition KW - lipid metabolism KW - metabolomics KW - epidemiology KW - networks KW - graphical models KW - mediation analysis KW - red meat KW - whole-grain KW - Diabetes mellitus Typ 2 KW - Ernährung KW - Fettstoffwechsel KW - Metabolomics KW - Epidemiologie KW - Netzwerke KW - grafische Modelle KW - Mediationsanalyse KW - rotes Fleisch KW - Vollkorn KW - Kaffee KW - coffee Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-404592 ER - TY - GEN A1 - Agarwal, Ankit A1 - Marwan, Norbert A1 - Maheswaran, Rathinasamy A1 - Merz, Bruno A1 - Kurths, Jürgen T1 - Multi-scale event synchronization analysis for unravelling climate processes BT - a wavelet-based approach T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The temporal dynamics of climate processes are spread across different timescales and, as such, the study of these processes at only one selected timescale might not reveal the complete mechanisms and interactions within and between the (sub-) processes. To capture the non-linear interactions between climatic events, the method of event synchronization has found increasing attention recently. The main drawback with the present estimation of event synchronization is its restriction to analysing the time series at one reference timescale only. The study of event synchronization at multiple scales would be of great interest to comprehend the dynamics of the investigated climate processes. In this paper, the wavelet-based multi-scale event synchronization (MSES) method is proposed by combining the wavelet transform and event synchronization. Wavelets are used extensively to comprehend multi-scale processes and the dynamics of processes across various timescales. The proposed method allows the study of spatio-temporal patterns across different timescales. The method is tested on synthetic and real-world time series in order to check its replicability and applicability. The results indicate that MSES is able to capture relationships that exist between processes at different timescales. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 661 KW - precipitation KW - phase KW - EEG KW - desynchronization KW - interdependences KW - coherence KW - networks KW - monsoon KW - models KW - time Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-418274 SN - 1866-8372 IS - 661 ER - TY - GEN A1 - Di Giacomo, Adrian S. A1 - Di Giacomo, Alejandro G. A1 - Kliger, Rafi A1 - Reboreda, Juan C. A1 - Tiedemann, Ralph A1 - Mahler, Bettina T1 - No evidence of genetic variation in microsatellite and mitochondrial DNA markers among remaining populations of the Strange-tailed Tyrant Alectrurus risora, an endangered grassland species T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The Strange-tailed Tyrant Alectrurus risora (Aves: Tyrannidae) is an endemic species of southern South American grasslands that suffered a 90% reduction of its original distribution due to habitat transformation. This has led the species to be classified as globally Vulnerable. By the beginning of the last century, populations were partially migratory and moved south during the breeding season. Currently, the main breeding population inhabits the Ibera wetlands in the province of Corrientes, north-east Argentina, where it is resident all year round. There are two remaining small populations in the province of Formosa, north-east Argentina, and in southern Paraguay, which are separated from the main population by the Parana-Paraguay River and its continuous riverine forest habitat. The populations of Corrientes and Formosa are separated by 300 km and the grasslands between populations are non-continuous due to habitat transformation. We used mtDNA sequences and eight microsatellite loci to test if there were evidences of genetic isolation between Argentinean populations. We found no evidence of genetic structure between populations (Phi(ST) = 0.004, P = 0.32; Fst = 0.01, P = 0.06), which can be explained by either retained ancestral polymorphism or by dispersal between populations. We found no evidence for a recent demographic bottleneck in nuclear loci. Our results indicate that these populations could be managed as a single conservation unit on a regional scale. Conservation actions should be focused on preserving the remaining network of areas with natural grasslands to guarantee reproduction, dispersal and prevent further decline of populations. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 583 KW - conservation genetics KW - fragmentation KW - flycatchers KW - challenges KW - dispersal KW - software KW - networks KW - birds KW - units KW - bottlenecks Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-414427 IS - 583 SP - 127 EP - 138 ER -