TY - THES A1 - Arnold, Anne T1 - Modeling photosynthesis and related metabolic processes : from detailed examination to consideration of the metabolic context T1 - Modellierung von Photosynthese und damit zusammenhängende metabolische Prozesse : von detaillierter Betrachtung hin zur Erörterung im metabolischen Kontext N2 - Mathematical modeling of biological systems is a powerful tool to systematically investigate the functions of biological processes and their relationship with the environment. To obtain accurate and biologically interpretable predictions, a modeling framework has to be devised whose assumptions best approximate the examined scenario and which copes with the trade-off of complexity of the underlying mathematical description: with attention to detail or high coverage. Correspondingly, the system can be examined in detail on a smaller scale or in a simplified manner on a larger scale. In this thesis, the role of photosynthesis and its related biochemical processes in the context of plant metabolism was dissected by employing modeling approaches ranging from kinetic to stoichiometric models. The Calvin-Benson cycle, as primary pathway of carbon fixation in C3 plants, is the initial step for producing starch and sucrose, necessary for plant growth. Based on an integrative analysis for model ranking applied on the largest compendium of (kinetic) models for the Calvin-Benson cycle, those suitable for development of metabolic engineering strategies were identified. Driven by the question why starch rather than sucrose is the predominant transitory carbon storage in higher plants, the metabolic costs for their synthesis were examined. The incorporation of the maintenance costs for the involved enzymes provided a model-based support for the preference of starch as transitory carbon storage, by only exploiting the stoichiometry of synthesis pathways. Many photosynthetic organisms have to cope with processes which compete with carbon fixation, such as photorespiration whose impact on plant metabolism is still controversial. A systematic model-oriented review provided a detailed assessment for the role of this pathway in inhibiting the rate of carbon fixation, bridging carbon and nitrogen metabolism, shaping the C1 metabolism, and influencing redox signal transduction. The demand of understanding photosynthesis in its metabolic context calls for the examination of the related processes of the primary carbon metabolism. To this end, the Arabidopsis core model was assembled via a bottom-up approach. This large-scale model can be used to simulate photoautotrophic biomass production, as an indicator for plant growth, under so-called optimal, carbon-limiting and nitrogen-limiting growth conditions. Finally, the introduced model was employed to investigate the effects of the environment, in particular, nitrogen, carbon and energy sources, on the metabolic behavior. This resulted in a purely stoichiometry-based explanation for the experimental evidence for preferred simultaneous acquisition of nitrogen in both forms, as nitrate and ammonium, for optimal growth in various plant species. The findings presented in this thesis provide new insights into plant system's behavior, further support existing opinions for which mounting experimental evidences arise, and posit novel hypotheses for further directed large-scale experiments. N2 - Mathematische Modellierung biologischer Systeme eröffnet die Möglichkeit systematisch die Funktionsweise biologischer Prozesse und ihrer Wechselwirkungen mit der Umgebung zu untersuchen. Um präzise und biologisch relevante Vorhersagen treffen zu können, muss eine Modellierungsstrategie konzipiert werden, deren Annahmen das untersuchte Szenario bestmöglichst widerspiegelt und die dem Trade-off der Komplexität der zugrunde liegenden mathematischen Beschreibung gerecht wird: Detailtreue gegenüber Größe. Dementsprechend kann das System detailliert, in kleinerem Umfang oder in vereinfachter Darstellung im größeren Maßstab untersucht werden. In dieser Arbeit wird mittels verschiedener Modellierungsansätze, wie kinetischen und stöchiometrischen Modellen, die Rolle der Photosynthese und damit zusammenhängender biochemischer Prozesse im Rahmen des Pflanzenstoffwechsels analysiert. Der Calvin-Benson-Zyklus, als primärer Stoffwechselweg der Kohlenstofffixierung in C3-Pflanzen, ist der erste Schritt der Stärke- und Saccharoseproduktion, welche maßgeblich für das Wachstum von Pflanzen sind. Basierend auf einer integrativen Analyse zur Modellklassifizierung wurden aus der größten bekannten Sammlung von (kinetischen) Modellen des Calvin-Benson-Zyklus diejenigen ermittelt, die für die Entwicklung von Metabolic-Engineering-Strategien geeignet sind. Angeregt von der Fragestellung warum Kohlenstoff transitorisch vorwiegend in Form von Stärke anstatt Saccharose gespeichert wird, wurden die metabolischen Kosten beider Syntheseprozesse genauer betrachtet. Die Einbeziehung der Bereitstellungskosten der beteiligten Enzyme stützt die Tatsache, dass bevorzugt Stärke als temporärer Kohlenstoffspeicher dient. Die entprechende Untersuchung erfolgte einzig auf Grundlage der Stöchiometrie der Synthesewege. In vielen photosynthetisch-aktiven Organismen findet zudem Photorespiration statt, die der Kohlenstofffixierung entgegenwirkt. Die genaue Bedeutung der Photorespiration für den Pflanzenmetabolismus ist noch umstritten. Eine detaillierte Einschätzung der Rolle dieses Stoffwechselweges bezüglich der Inhibierung der Kohlenstofffixierungsrate, der Verknüpfung von Kohlenstoff- und Stickstoffmetabolismus, der Ausprägung des C1-Stoffwechsels sowie die Einflussnahme auf die Signaltransduktion wurde in einer modell-basierten, kritischen Analyse vorgenommen. Um die Photosynthese in ihrem metabolischen Kontext verstehen zu können, ist die Betrachtung der angrenzenden Prozesse des primären Kohlenstoffmetabolismus unverzichtbar. Hierzu wurde in einem Bottom-up Ansatz das Arabidopsis core Modell entworfen, mittels dessen die Biomasseproduktion, als Indikator für Pflanzenwachtum, unter photoautotrophen Bedingungen simuliert werden kann. Neben sogenannten optimalen Wachstumsbedingungen kann dieses großangelegte Modell auch kohlenstoff- und stickstofflimitierende Umweltbedingungen simulieren. Abschließend wurde das vorgestellte Modell zur Untersuchung von Umwelteinflüssen auf das Stoffwechselverhalten herangezogen, im speziellen verschiedene Stickstoff-, Kohlenstoff- und Energiequellen. Diese auschließlich auf der Stöchiometrie basierende Analyse bietet eine Erklärung für die bevorzugte, gleichzeitige Aufnahme von Nitrat und Ammonium, wie sie in verschiedenen Spezies für optimales Wachstum experimentell beobachtet wurde. Die Resultate dieser Arbeit liefern neue Einsichten in das Verhalten von pflanzlichen Systemen, stützen existierende Ansichten, für die zunehmend experimentelle Hinweise vorhanden sind, und postulieren neue Hypothesen für weiterführende großangelegte Experimente. KW - stöchiometrische Modellierung KW - kinetische Modellierung KW - metabolische Netzwerke KW - metabolische Kosten KW - Photosynthese KW - stoichiometric modeling KW - kinetic modeling KW - metabolic networks KW - metabolic costs KW - photosynthesis Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-72277 ER - TY - THES A1 - Arnold, Stefanie T1 - Epitop-Kartierung von PBP2A und Identifizierung MRSA-spezifischer immunodominanter Peptidsequenzen Y1 - 2014 ER - TY - THES A1 - Büchner, Kerstin T1 - Modifizierung und Charakterisierung von Wellenleitermaterialien für Biosensoranwendungen Y1 - 2014 ER - TY - THES A1 - Czesnick, Hjördis T1 - Functional specialization of Arabidopsis poly(A) polymerases in relation to flowering time and stress T1 - Funktionelle Spezialisierung von Arabidopsis Poly(A)-Polymerasen in Hinsicht auf Blühzeit und Stress N2 - Polyadenylation is a decisive 3’ end processing step during the maturation of pre-mRNAs. The length of the poly(A) tail has an impact on mRNA stability, localization and translatability. Accordingly, many eukaryotic organisms encode several copies of canonical poly(A) polymerases (cPAPs). The disruption of cPAPs in mammals results in lethality. In plants, reduced cPAP activity is non-lethal. Arabidopsis encodes three nuclear cPAPs, PAPS1, PAPS2 and PAPS4, which are constitutively expressed throughout the plant. Recently, the detailed analysis of Arabidopsis paps1 mutants revealed a subset of genes that is preferentially polyadenylated by the cPAP isoform PAPS1 (Vi et al. 2013). Thus, the specialization of cPAPs might allow the regulation of different sets of genes in order to optimally face developmental or environmental challenges. To gain insights into the cPAP-based gene regulation in plants, the phenotypes of Arabidopsis cPAPs mutants under different conditions are characterized in detail in the following work. An involvement of all three cPAPs in flowering time regulation and stress response regulation is shown. While paps1 knockdown mutants flower early, paps4 and paps2 paps4 knockout mutants exhibit a moderate late-flowering phenotype. PAPS1 promotes the expression of the major flowering inhibitor FLC, supposedly by specific polyadenylation of an FLC activator. PAPS2 and PAPS4 exhibit partially overlapping functions and ensure timely flowering by repressing FLC and at least one other unidentified flowering inhibitor. The latter two cPAPs act in a novel regulatory pathway downstream of the autonomous pathway component FCA and act independently from the polyadenylation factors and flowering time regulators CstF64 and FY. Moreover, PAPS1 and PAPS2/PAPS4 are implicated in different stress response pathways in Arabidopsis. Reduced activity of the poly(A) polymerase PAPS1 results in enhanced resistance to osmotic and oxidative stress. Simultaneously, paps1 mutants are cold-sensitive. In contrast, PAPS2/PAPS4 are not involved in the regulation of osmotic or cold stress, but paps2 paps4 loss-of-function mutants exhibit enhanced sensitivity to oxidative stress provoked in the chloroplast. Thus, both PAPS1 and PAPS2/PAPS4 are required to maintain a balanced redox state in plants. PAPS1 seems to fulfil this function in concert with CPSF30, a polyadenylation factor that regulates alternative polyadenylation and tolerance to oxidative stress. The individual paps mutant phenotypes and the cPAP-specific genetic interactions support the model of cPAP-dependent polyadenylation of selected mRNAs. The high similarity of the polyadenylation machineries in yeast, mammals and plants suggests that similar regulatory mechanisms might be present in other organism groups. The cPAP-dependent developmental and physiological pathways identified in this work allow the design of targeted experiments to better understand the ecological and molecular context underlying cPAP-specialization. N2 - Polyadenylierung ist ein entscheidender Schritt der 3‘-End-Prozessierung und somit der Reifung von prä-mRNAs. Die Länge des Poly(A)-Schwanzes entscheidet unter anderem über die Stabilität und Lokalisierung von mRNAs. Viele Eukaryoten besitzen mehrere Kopien der kanonischen Poly(A)-Polymerasen (PAP). In Säugetieren ist das Ausknocken dieser Enzyme letal. Pflanzen mit reduzierter PAP-Aktivität sind hingegen überlebensfähig. Arabidopsis exprimiert drei im Zellkern lokalisierte PAPs namens PAPS1, PAPS2 und PAPS4. Kürzlich ergab die Analyse von Arabidopsis paps1-Mutanten, dass eine Gen-Untergruppe vorzugsweise von PAPS1 polyadenyliert wird (Vi et al. 2013). Die Spezialisierung der PAPs könnte der Regulierung verschiedener Gengruppen in Anpassung an die Pflanzenentwicklung und an bestimmte Umweltbedingungen dienen. In der vorliegenden Arbeit werden die Phänotypen von Arabidopsis PAP-Mutanten unter verschiedenen Bedingungen im Detail charakterisiert, um die PAP-basierte Genregulation besser zu verstehen. Es wird gezeigt, dass alle drei PAPs an der Regulation der Blühzeit und an der Regulation von Stressantworten beteiligt sind. Während paps1-Mutanten früh blühen, zeigen paps4- und paps2 paps4-Mutanten einen spät blühenden Phänotypen. PAPS1 fördert die Expression des Blühzeitinhibitors FLC vermutlich über die Polyadenylierung eines FLC-Aktivators. PAPS2 und PAPS4 haben teilweise überlappende Funktionen und unterdrücken die Expression von FLC und mindestens einem weiteren, bisher unbekannten Blühzeitinhibitor. Die beiden PAPs agieren in einem neu entdeckten, genetischen Pfad gemeinsam mit dem Blühzeitregulator FCA, jedoch unabhängig von den Polyadenylierungsfaktoren und Blühzeitregulatoren CstF64 und FY. Des Weiteren regulieren PAPS1 und PAPS2/PAPS4 verschiedene Stressantworten. Das Reduzieren der PAPS1-Aktivität führt zu verstärkter Resistenz gegen osmotischen und oxidativen Stress, bei gleichzeitig erhöhter Kältesensitivität der Pflanzen. PAPS2/PAPS4 sind im Gegensatz dazu nicht an der Regulation von Kälte- oder osmotischem Stress beteiligt. Die paps2 paps4-Mutanten besitzen jedoch reduzierte Toleranz gegen oxidativen Stress in Chloroplasten. Das heißt, sowohl PAPS1 als auch PAPS2/PAPS4 sind nötig, um einen ausgeglichenen Redoxstatus der Pflanzenzellen zu gewährleisten. PAPS1 arbeitet bei dieser Regulation scheinbar mit dem Polyadenylierungsfaktor CPSF30 zusammen. Die individuellen Phänotypen der paps-Mutanten und die spezifischen genetischen Interaktionen der Poly(A)-Polymerasen in Arabidopsis unterstützen das Modell der PAP-abhängigen Polyadenylierung von selektierten mRNAs. Da die Polyadenylierungskomplexe in Hefen, Säugetieren und Pflanzen starke Ähnlichkeiten aufweisen, ist es denkbar, dass dieser Regulierungsmechanismus auch in anderen Organismengruppen präsent ist. Basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit können gezielt weitere Experimente entwickelt werden, um die ökologischen und molekularen Grundlagen der PAP-Spezialisierung zu untersuchen. KW - polyadenylation KW - flowering KW - Polyadenylierung KW - Arabidopsis KW - Poly(A)-Polymerasen KW - Blühzeit Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-78015 ER - TY - THES A1 - Eggers, Ute T1 - Environmental impacts on white stork (Ciconia ciconia) breeding success BT - a long-term study with a focus on effects of weather conditions at the breeding grounds Y1 - 2014 ER - TY - THES A1 - Emadpour, Masoumeh T1 - Development of tools for inducible gene expression in choroplasts Y1 - 2014 ER - TY - THES A1 - Fronton, Ludivine T1 - Modeling approaches to characterize the disposition of monoclonal antibodies T1 - Modellierungsansätze zur Charakterisierung der Verteilung und Eliminierung monoklonaler Antikörper BT - from detailed PBPK models to classical compartment models BT - vom detaillierten PBPK-Model zum klassischen Kompartiment-Model N2 - Monoclonal antibodies (mAbs) are engineered immunoglobulins G (IgG) used for more than 20 years as targeted therapy in oncology, infectious diseases and (auto-)immune disorders. Their protein nature greatly influences their pharmacokinetics (PK), presenting typical linear and non-linear behaviors. While it is common to use empirical modeling to analyze clinical PK data of mAbs, there is neither clear consensus nor guidance to, on one hand, select the structure of classical compartment models and on the other hand, interpret mechanistically PK parameters. The mechanistic knowledge present in physiologically-based PK (PBPK) models is likely to support rational classical model selection and thus, a methodology to link empirical and PBPK models is desirable. However, published PBPK models for mAbs are quite diverse in respect to the physiology of distribution spaces and the parameterization of the non-specific elimination involving the neonatal Fc receptor (FcRn) and endogenous IgG (IgGendo). The remarkable discrepancy between the simplicity of biodistribution data and the complexity of published PBPK models translates in parameter identifiability issues. In this thesis, we address this problem with a simplified PBPK model—derived from a hierarchy of more detailed PBPK models and based on simplifications of tissue distribution model. With the novel tissue model, we are breaking new grounds in mechanistic modeling of mAbs disposition: We demonstrate that binding to FcRn is indeed linear and that it is not possible to infer which tissues are involved in the unspecific elimination of wild-type mAbs. We also provide a new approach to predict tissue partition coefficients based on mechanistic insights: We directly link tissue partition coefficients (Ktis) to data-driven and species-independent published antibody biodistribution coefficients (ABCtis) and thus, we ensure the extrapolation from pre-clinical species to human with the simplified PBPK model. We further extend the simplified PBPK model to account for a target, relevant to characterize the non-linear clearance due to mAb-target interaction. With model reduction techniques, we reduce the dimensionality of the simplified PBPK model to design 2-compartment models, thus guiding classical model development with physiological and mechanistic interpretation of the PK parameters. We finally derive a new scaling approach for anatomical and physiological parameters in PBPK models that translates the inter-individual variability into the design of mechanistic covariate models with direct link to classical compartment models, specially useful for PK population analysis during clinical development. N2 - Monoklonale Antikörper (mAbs) sind gentechnisch hergestellte Immunglobuline G (IgG), die seit mehr als 20 Jahren therapeutisch gezielt gegen spezifische Antigene eingesetzt werden. Die Hauptindikationen sind vor allem die Gebiete Onkologie, Infektions- und (Auto-)Immun-Erkrankungen. Monoklonale Antikörper sind hydrophile und geladene Moleküle mit hoher Affinität und Selektivität für ihr Target. Diese Eigenschaften haben einen groçen Einfluss auf die Pharmacokinetik (PK), wobei oft lineares und nicht-lineares Verhalten beobachtet wird. Mathematische Modelle, wie zum Beispiel empirische Modelle, werden routinemässig in der Forschung und Entwicklung verwendet, um die PK für mAbs zu charakterisieren. Hingegen sind physiologisch-basierte PK (PBPK) Modelle für mAbs nur begrenzt einsetzbar. Zur Identifikation und Quantifizierung der Variabilität in klinischen PK-Daten werden meistens empirische 2-Kompartiment Modelle für populationspharmakokinetischen Analysen eingesetzt. Allerdings gibt es weder einen klaren Konsens noch Richtlinien, um lineare und nicht-lineare Clearances zu erklären und um physiologische und mechanistische PK-Parameter zu interpretieren. Prädiktive PBPK-Modelle, die für mAbs publiziert wurden, sind sehr unterschiedlich in Bezug auf die betrachteten Verteilungsvolumina (vaskulär, interstitiell, endosomal) und die Parametrisierung der nicht-spezifischen Elimination durch den neonatalen Fc-Rezeptor und endogenes IgG. Je detaillierter die Beschreibung dieser Prozesse ist, desto mehr Parameter werden benötigt. Allerdings sind deren Werte oftmals nicht bekannt. Dies führt zu Problemen in der Identifizierbarkeit bei den üblicherweise zur Verfügung stehenden in vivo Verteilungsdaten. In der vorliegenden Doktorarbeit präsentieren wir hierarchisch aufgebaute PBPK Modelle für mAbs. Dazu gehören detaillierte, intermediäre und vereinfachte Modelle, deren Ableitungen auf Simplifizierungen des Gewebe-Verteilungs-Modells basieren. Mit dem neuen, vereinfachten PBPK Modell können wir einen Einblick in die mechanistische Interpretation von Gewebe-Verteilungskoeffizienten geben. Diese können mit publizierten, auf Daten basierenden Antikörper Biodistributions Koeffizienten verglichen werden. Weiterhin erlaubt ein simplifiziertes Modell Parameter Identifizierbarkeit und die Auswahl an Gewebe, die bei der nicht-spezifischen Eliminierung der mAbs eine Rolle spielen. Das vereinfachte PBPK Modell kann nach Bedarf um ein Target erweitert werden, das relevant ist für die nicht-lineare Clearance in Folge einer mAb-Target Interaktion zu erklären. Mit Hilfe von Techniken zur Modell-Reduktion reduzieren wir das vereinfachte PBPK Modell, um Kompartiment-Modelle mit niedriger Dimensionalität zu entwickeln. Dadurch wird die physiologische und mechanistische Interpretation der PK Parameter garantiert. Zuletzt leiten wir eine neue Skalierungsmethode für anatomische und physiologische Parameter ab. Sie ermöglicht die Translation der inter-individuellen Variabilität in das Design eines mechanistischen Covariat-Models mit direktem Link zu klassischen Kompartiment-Modellen. Dies ist vor allem für populationspharmakokinetischen Analysen wÃdhrend der klinischen Entwicklung hilfreich. KW - mAb disposition KW - PBPK KW - extravasation-rate limited tissue model KW - classical compartment model KW - mAb Disposition KW - PBPK KW - Extravasation-rate limited Gewebemodelle KW - Kompartiment-Modelle Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-76537 ER - TY - THES A1 - Girbig, Dorothee T1 - Analysing concerted criteria for local dynamic properties of metabolic systems T1 - Die Analyse koordinierter Kriterien für lokale dynamische Eigenschaften metabolischer Systeme N2 - Metabolic systems tend to exhibit steady states that can be measured in terms of their concentrations and fluxes. These measurements can be regarded as a phenotypic representation of all the complex interactions and regulatory mechanisms taking place in the underlying metabolic network. Such interactions determine the system's response to external perturbations and are responsible, for example, for its asymptotic stability or for oscillatory trajectories around the steady state. However, determining these perturbation responses in the absence of fully specified kinetic models remains an important challenge of computational systems biology. Structural kinetic modeling (SKM) is a framework to analyse whether a metabolic steady state remains stable under perturbation, without requiring detailed knowledge about individual rate equations. It provides a parameterised representation of the system's Jacobian matrix in which the model parameters encode information about the enzyme-metabolite interactions. Stability criteria can be derived by generating a large number of structural kinetic models (SK-models) with randomly sampled parameter sets and evaluating the resulting Jacobian matrices. The parameter space can be analysed statistically in order to detect network positions that contribute significantly to the perturbation response. Because the sampled parameters are equivalent to the elasticities used in metabolic control analysis (MCA), the results are easy to interpret biologically. In this project, the SKM framework was extended by several novel methodological improvements. These improvements were evaluated in a simulation study using a set of small example pathways with simple Michaelis Menten rate laws. Afterwards, a detailed analysis of the dynamic properties of the neuronal TCA cycle was performed in order to demonstrate how the new insights obtained in this work could be used for the study of complex metabolic systems. The first improvement was achieved by examining the biological feasibility of the elasticity combinations created during Monte Carlo sampling. Using a set of small example systems, the findings showed that the majority of sampled SK-models would yield negative kinetic parameters if they were translated back into kinetic models. To overcome this problem, a simple criterion was formulated that mitigates such infeasible models and the application of this criterion changed the conclusions of the SKM experiment. The second improvement of this work was the application of supervised machine-learning approaches in order to analyse SKM experiments. So far, SKM experiments have focused on the detection of individual enzymes to identify single reactions important for maintaining the stability or oscillatory trajectories. In this work, this approach was extended by demonstrating how SKM enables the detection of ensembles of enzymes or metabolites that act together in an orchestrated manner to coordinate the pathways response to perturbations. In doing so, stable and unstable states served as class labels, and classifiers were trained to detect elasticity regions associated with stability and instability. Classification was performed using decision trees and relevance vector machines (RVMs). The decision trees produced good classification accuracy in terms of model bias and generalizability. RVMs outperformed decision trees when applied to small models, but encountered severe problems when applied to larger systems because of their high runtime requirements. The decision tree rulesets were analysed statistically and individually in order to explore the role of individual enzymes or metabolites in controlling the system's trajectories around steady states. The third improvement of this work was the establishment of a relationship between the SKM framework and the related field of MCA. In particular, it was shown how the sampled elasticities could be converted to flux control coefficients, which were then investigated for their predictive information content in classifier training. After evaluation on the small example pathways, the methodology was used to study two steady states of the neuronal TCA cycle with respect to their intrinsic mechanisms responsible for stability or instability. The findings showed that several elasticities were jointly coordinated to control stability and that the main source for potential instabilities were mutations in the enzyme alpha-ketoglutarate dehydrogenase. N2 - Metabolische Systeme neigen zur Ausbildung von Fließgleichgewichten, deren Konzentrationen und Reaktionsflüsse experimentell charakterisierbar sind. Derartige Messungen bieten eine phänotypische Repräsentation der zahlreichen Interaktionen und regulatorischen Mechanismen des zugrundeliegenden metabolischen Netzwerks. Diese Interaktionen bestimmen die Reaktion des Systems auf externe Perturbationen, wie z.B. dessen asymptotische Stabilität und Oszillationen. Die Charakterisierung solcher Eigenschaften ist jedoch schwierig, wenn kein entsprechendes kinetisches Modell mit allen Ratengleichungen und kinetischen Parametern für das untersuchte System zur Verfügung steht. Die strukturelle kinetische Modellierung (SKM) ermöglicht die Untersuchung dynamischer Eigenschaften wie Stabilität oder Oszillationen, ohne die Ratengleichungen und zugehörigen Parameter im Detail zu kennen. Statt dessen liefert sie eine parametrisierte Repräsentation der Jacobimatrix, in welcher die einzelnen Parameter Informationen über die Sättigung der Enzyme des Systems mit ihren Substraten kodieren. Die Parameter entsprechen dabei den Elastizitäten aus der metabolischen Kontrollanalyse, was ihre biologische Interpretation vereinfacht. Stabilitätskriterien werden durch Monte Carlo Verfahren hergeleitet, wobei zunächst eine große Anzahl struktureller kinetische Modelle (SK-Modelle) mit zufällig gezogenen Parametermengen generiert, und anschließend die resultierenden Jacobimatrizen evaluiert werden. Im Anschluss kann der Parameterraum statistisch analysiert werden, um Enzyme und Metabolite mit signifikantem Einfluss auf die Stabilität zu detektieren. In der vorliegenden Arbeit wurde das bisherige SKM-Verfahren durch neue methodische Verbesserungen erweitert. Diese Verbesserungen wurden anhand einer Simulationsstudie evaluiert, welche auf kleinen Beispielsystemen mit einfachen Michaelis Menten Kinetiken basierte. Im Anschluss wurden sie für eine detaillierte Analyse der dynamischen Eigenschaften des Zitratzyklus verwendet. Die erste Erweiterung der bestehenden Methodik wurde durch Untersuchung der biologischen Machbarkeit der zufällig erzeugten Elastizitäten erreicht. Es konnte gezeigt werden, dass die Mehrheit der zufällig erzeugten SK-Modelle zu negativen Michaeliskonstanten führt. Um dieses Problem anzugehen, wurde ein einfaches Kriterium formuliert, welches das Auftreten solcher biologisch unrealistischer SK-Modelle verhindert. Es konnte gezeigt werden, dass die Anwendung des Kriteriums die Ergebnisse von SKM Experimenten stark beeinflussen kann. Der zweite Beitrag bezog sich auf die Analyse von SKM-Experimenten mit Hilfe überwachter maschineller Lernverfahren. Bisherige SKM-Studien konzentrierten sich meist auf die Detektion individueller Elastizitäten, um einzelne Reaktionen mit Einfluss auf das Stabilitäts- oder oszillatorische Verhalten zu identifizieren. In dieser Arbeit wurde demonstriert, wie SKM Experimente im Hinblick auf multivariate Muster analysiert werden können, um Elastizitäten zu entdecken, die gemeinsam auf orchestrierte und koordinierte Weise die Eigenschaften des Systems bestimmen. Sowohl Entscheidungsbäume als auch Relevanzvektormaschinen (RVMs) wurden als Klassifikatoren eingesetzt. Während Entscheidungsbäume im allgemeinen gute Klassifikationsergebnisse lieferten, scheiterten RVMs an ihren großen Laufzeitbedürfnissen bei Anwendung auf ein komplexes System wie den Zitratzyklus. Hergeleitete Entscheidungsbaumregeln wurden sowohl statistisch als auch individuell analysiert, um die Koordination von Enzymen und Metaboliten in der Kontrolle von Trajektorien des Systems zu untersuchen. Der dritte Beitrag, welcher in dieser Arbeit vorgestellt wurde, war die Etablierung der Beziehung zwischen SKM und der metabolischer Kontrollanalyse. Insbesondere wurde gezeigt, wie die zufällig generierten Elastizitäten in Flusskontrollkoeffizienten umgewandelt werden. Diese wurden im Anschluss bezüglich ihres Informationsgehaltes zum Klassifikationstraining untersucht. Nach der Evaluierung anhand einiger kleiner Beispielsysteme wurde die neue Methodik auf die Studie zweier Fließgleichgewichte des neuronalen Zitratzyklus angewandt, um intrinsische Mechanismen für Stabilität oder Instabilität zu finden. Die Ergebnisse identifizierten Mutationen im Enzym alpha-ketoglutarate dehydrogenase als wahrscheinlichste Quelle füur Instabilitäten. KW - Systembiologie KW - mathematische Modellierung KW - systems biology KW - mathematical modeling Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-72017 ER - TY - THES A1 - Heise, Robert T1 - Estimation of photosynthetic carbon fluxes in intact plants Y1 - 2014 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Hübner, Sandra T1 - Molekulare Grundlagen der Bittergeschmackswahrnehmung in der Maus T1 - Molecular basics of bitter taste perception in mice N2 - Der Bittergeschmack dient Säugern vermutlich zur Wahrnehmung und Vermeidung toxischer Substanzen. Bitterstoffe können jedoch auch gesund sein oder werden oft bereitwillig mit der Nahrung aufgenommen. Ob sie geschmacklich unterschieden werden können, ist allerdings umstritten. Detektiert werden Bitterstoffe von oralen Bittergeschmacksrezeptoren, den TAS2R (human) bzw. Tas2r (murin). In der Literatur gibt es aber immer mehr Hinweise darauf, dass überdies Tas2r nicht nur in extragustatorischen Organen exprimiert werden, sondern dort auch wichtige Aufgaben erfüllen könnten, was wiederum die Aufklärung ihrer noch nicht vollständig entschlüsselten Funktionsweisen erfordert. So ist noch unbekannt, ob alle bisher als funktionell identifizierten Tas2r wirklich gustatorische Funktionen erfüllen. Im Rahmen der Charakterisierung neu generierter, im Locus des Bittergeschmacksrezeptors Tas2r131 genetisch modifizierter Mauslinien, wurde in vorliegender Arbeit die gustatorische sowie extragustatorische Expression von Tas2r131 untersucht. Dass Tas2r131 nicht nur in Pilzpapillen, Wall- und Blätterpapillen (VP+FoP), Gaumen, Ductus nasopalatinus, Vomeronasalorgan und Kehldeckel, sondern auch in Thymus, Testes und Nebenhodenkopf, in Gehirnarealen sowie im Ganglion geniculatum nachgewiesen wurde, bildete die Grundlage für weiterführende Studien. Die vorliegende Arbeit zeigt außerdem, dass Tas2r108, Tas2r126, Tas2r135, Tas2r137 und Tas2r143 in Blut exprimiert werden, was auf eine heterogene Funktion der Tas2r hindeutet. Dass zusätzlich erstmals die Expression aller 35 als funktionell beschriebenen Tas2r im gustatorischen VP+FoP-Epithel von C57BL/6-Mäusen nachgewiesen wurde, verweist auf deren Relevanz als funktionelle Geschmacksrezeptoren. Weiter zeigten Untersuchungen zur Aufklärung eines möglichen Bitter-Unterscheidungsvermögens in Geschmackspapillen von Mäusen mit fluoreszenzmarkierten oder ablatierten Tas2r131-Zellen, dass Tas2r131 exprimierende Zellen eine Tas2r-Zellsubpopulation bilden. Darüber hinaus existieren innerhalb der Bitterzellen geordnete Tas2r-Expressionsmuster, die sich nach der chromosomalen Lage ihrer Gene richten. Isolierte Bitterzellen reagieren heterogen auf bekannte Bitterstoffe. Und Mäuse mit ablatierter Tas2r131-Zellpopulation besitzen noch andere Tas2r-Zellen und schmecken damit einige Bitterstoffe kaum noch, andere aber noch sehr gut. Diese Befunde belegen die Existenz verschiedener gustatorischer Tas2r-Zellpopulationen, welche die Voraussetzung bilden, Bitterstoffe heterogen zu detektieren. Ob dies die Grundlage für ein divergierendes Verhalten gegenüber unverträglichen und harmlosen oder gar nützlichen Bitterstoffen darstellt, kann mit Hilfe der dargelegten Tas2r-Expressionsmuster künftig in Verhaltensexperimenten geprüft werden. Die Bittergeschmackswahrnehmung in Säugetieren stellt sich als ein hochkomplexer Mechanismus dar, dessen Vielschichtigkeit durch die hier neu aufgezeigten heterogenen Tas2r-Expressions- und Funktionsmuster erneut verdeutlicht wird. N2 - In mammals bitter taste is assumed to serve as warning sensor and therefore prevent organisms from ingesting toxic substances. But bitter compounds can also be beneficial and often are readily consumed with food. However, it is disputed if they can be distinguished by taste. Bitter compounds are detected by oral bitter taste receptors, the TAS2Rs (human) or Tas2rs (murine). Moreover, literature provides more and more evidence that Tas2rs not only are expressed in extragustatory organs, but also appear to fulfill relevant functions there. This in turn requires elucidation of their modes of action, which are incompletely understood. Thus it is unknown, if all potentially functional Tas2rs really perform gustatory functions. Within present thesis, newly generated mouse lines with a genetically modified locus of bitter taste receptor Tas2r131 have been characterized by analyzing gustatory as well as extragustatory expression of Tas2r131. The detection of Tas2r131 in fungiform papillae, vallate and foliate papillae (VP+FoP), palate, naso-incisor duct, vomeronasal organ and epiglottis, as well as in thymus, testis and epididymis, in brain and in Ganglion geniculatum, provided the basis for further studies. In addition, present thesis shows expression of Tas2r108, Tas2r126, Tas2r135, Tas2r137, and Tas2r143 in blood, indicating heterogeneous function of Tas2rs. Nevertheless, the presently for the first time proven expression of all 35 potentially functional Tas2rs in gustatory VP+FoP tissue of C57BL/6 mice points to their role as functional taste receptors. To investigate the possibility of a bitter discrimination, further studies were performed in mice with fluorescent-labeled or ablated Tas2r131 cells. It could be demonstrated, that Tas2r131-expressing cells form a subpopulation of the whole Tas2r-expressing cell population. In addition, within bitter cells stable Tas2r expression patterns exist, that comply with chromosomal location of their genes. Single bitter cells respond heterogeneously to common bitter compounds. And mice with ablated Tas2r131 bitter cell population still posses further bitter cells and thereby hardly recognize some bitter substances, but well recognize others. These findings substantiate the existence of different gustatory Tas2r-expressing cell subpopulations, which built the prerequisite for a heterogeneous bitter compound detection. The demonstrated Tas2r expression patterns offer the basis for future behavioral experiments to clarify, if mice are able to distinguish between different bitter tastants. Bitter taste perception in mammals turns out to be a highly complex mechanism, which is again substantiated by the herein demonstrated heterogeneous Tas2r expression and functional patterns. KW - Geschmackswahrnehmung KW - Bittergeschmack KW - Bittergeschmacksrezeptor KW - Tas2r KW - taste KW - Tas2r-Expression KW - bitter taste perception KW - Tas2rs KW - Tas2r expression KW - murine Tas2rs Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-77720 ER -