TY - THES A1 - Gerling, Marten Tobias T1 - A microfluidic system for high-precision image-based live cell sorting using dielectrophoretic forces T1 - Ein mikrofluidisches System zur hochpräzisen und bildgestützten Sortierung lebender Zellen mittels dielektrophoretischer Kräfte N2 - An important goal in biotechnology and (bio-) medical research is the isolation of single cells from a heterogeneous cell population. These specialised cells are of great interest for bioproduction, diagnostics, drug development, (cancer) therapy and research. To tackle emerging questions, an ever finer differentiation between target cells and non-target cells is required. This precise differentiation is a challenge for a growing number of available methods. Since the physiological properties of the cells are closely linked to their morphology, it is beneficial to include their appearance in the sorting decision. For established methods, this represents a non addressable parameter, requiring new methods for the identification and isolation of target cells. Consequently, a variety of new flow-based methods have been developed and presented in recent years utilising 2D imaging data to identify target cells within a sample. As these methods aim for high throughput, the devices developed typically require highly complex fluid handling techniques, making them expensive while offering limited image quality. In this work, a new continuous flow system for image-based cell sorting was developed that uses dielectrophoresis to precisely handle cells in a microchannel. Dielectrophoretic forces are exerted by inhomogeneous alternating electric fields on polarisable particles (here: cells). In the present system, the electric fields can be switched on and off precisely and quickly by a signal generator. In addition to the resulting simple and effective cell handling, the system is characterised by the outstanding quality of the image data generated and its compatibility with standard microscopes. These aspects result in low complexity, making it both affordable and user-friendly. With the developed cell sorting system, cells could be sorted reliably and efficiently according to their cytosolic staining as well as morphological properties at different optical magnifications. The achieved purity of the target cell population was up to 95% and about 85% of the sorted cells could be recovered from the system. Good agreement was achieved between the results obtained and theoretical considerations. The achieved throughput of the system was up to 12,000 cells per hour. Cell viability studies indicated a high biocompatibility of the system. The results presented demonstrate the potential of image-based cell sorting using dielectrophoresis. The outstanding image quality and highly precise yet gentle handling of the cells set the system apart from other technologies. This results in enormous potential for processing valuable and sensitive cell samples. N2 - Ein wichtiges Ziel in der Biotechnologie und (bio-) medizinischen Forschung ist die Isolation von Einzelzellen aus einer heterogenen Zellpopulation. Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften sind diese Zellen für die Bioproduktion, Diagnostik, Arzneimittelentwicklung, (Krebs-) Therapie und Forschung von großem Interesse. Um neue Fragestellungen angehen zu können, ist eine immer feinere Differenzierung zwischen Zielzellen und Nicht-Zielzellen erforderlich. Diese präzise Differenzierung stellt eine Herausforderung für eine wachsende Zahl verfügbarer Methoden dar. Da die physiologischen Eigenschaften der Zellen eng mit ihrer Morphologie verknüpft sind, ist es sinnvoll ihr Erscheinungsbild mit in die Sortierentscheidung einzubeziehen. Für etablierte Methoden stellt dies jedoch einen nicht adressierbaren Parameter dar, weshalb neue Methoden zur Identifikation und Isolation der Zielzellen benötigt werden. Folglich wurde in den letzten Jahren eine Vielzahl neuer durchflussbasierter Methoden entwickelt und vorgestellt, die 2D-Bilddaten zur Identifikation der Zielzellen innerhalb einer Probe heranziehen. Da diese Methoden auf hohe Durchsätze abzielen, erfordern die entwickelten Geräte in der Regel hochkomplexe Techniken zur Handhabung der Flüssigkeiten, was sie teuer macht und gleichzeitig zu einer begrenzten Bildqualität führt. In dieser Arbeit wurde ein neues durchflussbasiertes System zur bildbasierten Zellsortierung entwickelt, das Dielektrophorese zur präzisen Handhabung der Zellen in einem Mikrokanal verwendet. Dielektrophoretische Kräfte werden von inhomogenen elektrischen Wechselfeldern auf polarisierbare Partikel (hier: Zellen) ausgeübt. Bei dem vorliegenden System können die elektrischen Felder durch einen Signalgenerator präzise und schnell ein- und ausgeschaltet werden. Neben der daraus resultierenden einfachen und effektiven Handhabung der Zellen zeichnet sich das System durch die hervorragende Qualität der erzeugten Bilddaten und die Kompatibilität mit Standardmikroskopen aus. Diese Aspekte führen zu einer geringen Komplexität, die es sowohl erschwinglich als auch benutzerfreundlich macht. Mit dem entwickelten System zur Zellsortierung konnten Zellen sowohl auf Basis einer zytosolischen Färbung als auch auf Basis morphologischer Eigenschaften bei verschiedenen optischen Vergrößerungen zuverlässig und effizient sortiert werden. Die erreichte Reinheit der Zielzellpopulation betrug bis zu 95% wobei etwa 85% der sortierten Zellen aus dem System zurückgewonnen werden konnten. Dabei wurde eine gute Übereinstimmung der ermittelten Ergebnisse mit theoretischen Überlegungen erreicht. Der erreichte Durchsatz des Systems betrug bis zu 12.000 Zellen pro Stunde. Untersuchungen der Zellvitalität deuteten darauf hin, dass das System eine hohe Biokompatibilität aufweist. Die vorgestellten Ergebnisse demonstrieren das Potenzial der bildbasierten Zellsortierung mittels Dielektrophorese. Die herausragende Bildqualität und hochpräzise aber dennoch zellschonende Handhabung der Zellen grenzen das System von anderen Technologien ab. Daraus ergibt sich ein enormes Potenzial für die Verarbeitung wertvoller und sensibler Zellproben. KW - microfluidics KW - cell sorting KW - dielectrophoresis KW - Zellsortierung KW - Dielektrophorese KW - Mikrofluidik Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-587421 ER - TY - THES A1 - Rakpenthai, Apidet T1 - Analysis of the regulation of the sulfur responsive genese, SD11 and SD 12 Y1 - 2022 ER - TY - THES A1 - Demin, Paul T1 - Blaulicht-aktivierbares Proteinexpressionssystem in Saccharomyces cerevisiae T1 - Blue light-inducible protein expression system in Saccharomyces cerevisiae N2 - Synthetische Transkriptionsfaktoren bestehen wie natürliche Transkriptionsfaktoren aus einer DNA-Bindedomäne, die sich spezifisch an die Bindestellensequenz vor dem Ziel-Gen anlagert, und einer Aktivierungsdomäne, die die Transkriptionsmaschinerie rekrutiert, sodass das Zielgen exprimiert wird. Der Unterschied zu den natürlichen Transkriptionsfaktoren ist, sowohl dass die DNA-Bindedomäne als auch die Aktivierungsdomäne wirtsfremd sein können und dadurch künstliche Stoffwechselwege im Wirt, größtenteils chemisch, induziert werden können. Optogenetische synthetische Transkriptionsfaktoren, die hier entwickelt wurden, gehen einen Schritt weiter. Dabei ist die DNA-Bindedomäne nicht mehr an die Aktivierungsdomäne, sondern mit dem Blaulicht-Photorezeptor CRY2 gekoppelt. Die Aktivierungsdomäne wurde mit dem Interaktionspartner CIB1 fusioniert. Unter Blaulichtbestrahlung dimerisieren CRY2 und CIB1 und damit einhergehend die beiden Domänen, sodass ein funktionsfähiger Transkriptionsfaktor entsteht. Dieses System wurde in die Saccharomyces cerevisiae genomisch integriert. Verifiziert wurde das konstruierte System mit Hilfe des Reporters yEGFP, welcher durchflusszytometrisch detektiert werden konnte. Es konnte gezeigt werden, dass die yEGFP Expression variabel gestaltet werden kann, indem unterschiedlich lange Blaulichtimpulse ausgesendet wurden, die DNA-Bindedomäne, die Aktivierungsdomäne oder die Anzahl der Bindestellen, an dem sich die DNA-Bindedomäne anlagert, verändert wurden. Um das System für industrielle Anwendungen attraktiv zu gestalten, wurde das System vom Deepwell-Maßstab auf Photobioreaktor-Maßstab hochskaliert. Außerdem erwies sich das Blaulichtsystem sowohl im Laborstamm YPH500 als auch im industriell oft verwendeten Hefestamm CEN.PK als funktional. Des Weiteren konnte ein industrierelevante Protein ebenso mit Hilfe des verifizierten Systems exprimiert werden. Schlussendlich konnte in dieser Arbeit das etablierte Blaulicht-System erfolgreich mit einem Rotlichtsystem kombiniert werden, was zuvor noch nicht beschrieben wurde. N2 - Like natural transcription factors, synthetic transcription factors consist of a DNA-binding domain that attaches specifically to the binding site sequence in front of the target gene, and an activation domain that recruits the transcription machinery so that the target gene is expressed. The difference to natural transcription factors is that both the DNA binding domain and the activation domain can be host foreign and artificial metabolic pathways, mostly chemically, can be induced in the host. In this work, new optogenetic synthetic transcription factors were developed so that chemical induction becomes obsolete. The DNA binding domain is no longer linked to the activation domain but to the blue light photoreceptor CRY2. The activation domain was fused to the interaction partner CIB1. Upon blue light irradiation, CRY2 and CIB1 dimerize and thus the two domains, resulting in a functional transcription factor. Six different prokaryotic DNA-binding domains and a total of two different activation domains, viral and fungal, were recombined with CRY2 and CIB1, respectively, and genomically integrated into the eukaryotic cell factory Saccharomyces cerevisiae. Since the blue light dimerization is based on the chromophore FAD, which the yeast can synthesize itself, only the blue light had to be switched on for the induction. The constructed system was verified with the help of the reporter yEGFP, which could be detected by flow cytometry. It could be shown that the yEGFP expression could be made variable by emitting blue light pulses of different lengths, changing the DNA binding domain, the activation domain or the copy number of binding sites at which the DNA binding domain attaches. To make the system attractive for industrial applications, the system was scaled up from deepwell scale to photobioreactor scale. In addition, the blue light system proved to be functional both in the laboratory strain YPH500 and in the yeast strain CEN.PK, which is often used industrially. Furthermore, the industrially relevant protein VP1 could also be expressed using the verified system. Due to its great flexibility, the blue light system established here was christened/named FLIRT (Flexible Blue Light Induced Transcription). Finally, in this work, the established flirt system could be successfully combined with a red light system, which has not been described before. KW - Synthetische Biologie KW - Hefe KW - Saccharomyces cerevisiae KW - Blaulicht KW - Transkriptionsfaktoren KW - Bioreaktor KW - bioreactor KW - blue light KW - budding yeast KW - Saccharomyces cerevisiae KW - synthetic biology KW - transcription factors Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-559696 ER - TY - THES A1 - Wijesingha Ahchige, Micha T1 - Canalization of plant metabolism and yield T1 - Kanalisierung des Pflanzenmetabolismus und -ertrags N2 - Plant metabolism is the main process of converting assimilated carbon to different crucial compounds for plant growth and therefore crop yield, which makes it an important research topic. Although major advances in understanding genetic principles contributing to metabolism and yield have been made, little is known about the genetics responsible for trait variation or canalization although the concepts have been known for a long time. In light of a growing global population and progressing climate change, understanding canalization of metabolism and yield seems ever-more important to ensure food security. Our group has recently found canalization metabolite quantitative trait loci (cmQTL) for tomato fruit metabolism, showing that the concept of canalization applies on metabolism. In this work two approaches to investigate plant metabolic canalization and one approach to investigate yield canalization are presented. In the first project, primary and secondary metabolic data from Arabidopsis thaliana and Phaseolus vulgaris leaf material, obtained from plants grown under different conditions was used to calculate cross-environment coefficient of variations or fold-changes of metabolite levels per genotype and used as input for genome wide association studies. While primary metabolites have lower CV across conditions and show few and mostly weak associations to genomic regions, secondary metabolites have higher CV and show more, strong metabolite to genome associations. As candidate genes, both potential regulatory genes as well as metabolic genes, can be found, albeit most metabolic genes are rarely directly related to the target metabolites, suggesting a role for both potential regulatory mechanisms as well as metabolic network structure for canalization of metabolism. In the second project, candidate genes of the Solanum lycopersicum cmQTL mapping are selected and CRISPR/Cas9-mediated gene-edited tomato lines are created, to validate the genes role in canalization of metabolism. Obtained mutants appeared to either have strong aberrant developmental phenotypes or appear wild type-like. One phenotypically inconspicuous mutant of a pantothenate kinase, selected as candidate for malic acid canalization shows a significant increase of CV across different watering conditions. Another such mutant of a protein putatively involved in amino acid transport, selected as candidate for phenylalanine canalization shows a similar tendency to increased CV without statistical significance. This potential role of two genes involved in metabolism supports the hypothesis of structural relevance of metabolism for its own stability. In the third project, a mutant for a putative disulfide isomerase, important for thylakoid biogenesis, is characterized by a multi-omics approach. The mutant was characterized previously in a yield stability screening and showed a variegated leaf phenotype, ranging from green leaves with wild type levels of chlorophyll over differently patterned variegated to completely white leaves almost completely devoid of photosynthetic pigments. White mutant leaves show wild type transcript levels of photosystem assembly factors, with the exception of ELIP and DEG orthologs indicating a stagnation at an etioplast to chloroplast transition state. Green mutant leaves show an upregulation of these assembly factors, possibly acting as overcompensation for partially defective disulfide isomerase, which seems sufficient for proper chloroplast development as confirmed by a wild type-like proteome. Likely as a result of this phenotype, a general stress response, a shift to a sink-like tissue and abnormal thylakoid membranes, strongly alter the metabolic profile of white mutant leaves. As the severity and pattern of variegation varies from plant to plant and may be effected by external factors, the effect on yield instability, may be a cause of a decanalized ability to fully exploit the whole leaf surface area for photosynthetic activity. N2 - Der pflanzliche Stoffwechsel ist der Hauptprozess, der assimilierten Kohlenstoff in unterschiedliche Stoffe umwandelt, die wichtig für das Pflanzenwachstum und somit den Ertrag sind, weswegen es ein wichtiges Forschungsthema ist. Obwohl große Fortschritte beim Verständnis der genetischen Prinzipien, die zum Stoffwechsel und Ertrag beitragen, gemacht wurden, ist noch relativ wenig über die genetischen Prinzipien bekannt, die für die Variation oder Kanalisierung von Eigenschaften verantwortlich sind, obwohl diese Konzepte schon lange bekannt sind. In Anbetracht einer wachsenden Weltbevölkerung und des fortschreitenden Klimawandels, scheint es immer wichtiger zu sein, Kanalisierung von Metabolismus und Ertrag zu verstehen, um Ernährungssicherheit zu garantieren. Unsere Gruppe hat kürzlich metabolisch kanalisierte quantitative Merkmalsregionen für den Stoffwechsel von Tomatenfrüchten gefunden und damit gezeigt, dass sich das Konzept der Kanalisierung sich auf den Stoffwechsel anwenden lässt. In dieser Arbeit werden zwei Ansätze zu Untersuchung von Kanalisierung des pflanzlichen Stoffwechsels und ein Ansatz zur Untersuchung von Ertragskanalisierung präsentiert. Im ersten Projekt, wurden Daten von Primär- und Sekundärmetaboliten von Arabidopsis thaliana und Phaseolus vulgaris, gewonnen von Pflanzen, die unter unterschiedlichen Bedingungen wuchsen, verwendet, um den Variationskoeffizient (VarK) oder die relative Änderung von Stoffgehalten umweltübergreifend für jeden Genotyp zu berechnen und als Eingabe für genomweite Assoziationsstudien verwendet. Während Primärmetabolite über unterschiedliche Umweltbedingungen einen geringeren VarK haben und nur wenige eher schwache Assoziationen zu genomischen Regionen zeigen, haben Sekundärstoffe einen höheren VarK und zeigen mehr und stärkere Assoziationen zwischen Metabolit und Genom. Als Kandidatengene können sowohl potenziell regulatorische, als auch metabolische Gene gefunden werden, jedoch sind metabolische Gene selten direkt zu den Zielmetaboliten verbunden, was für eine Rolle von sowohl regulatorischen Mechanismen als auch metabolischer Netzwerkstruktur für die Kanalisierung des Stoffwechsels spricht. Im zweiten Projekt wurden Kandidatengene aus der Solanum lycopersicum cmQTL-Kartierung, ausgewählt und CRISPR/Cas9-vermittelte, genomeditierte Tomatenlinien erschaffen, um die Rolle dieser Gene in der Kanalisierung des Metabolismus zu validieren. Erhaltene Mutanten zeigten entweder starke Fehlentwicklungsphänotypen oder erschienen wildtypähnlich. Eine phänotypisch unauffällige Mutante einer Pantothensäurekinase, die als Kandidat für die Kanalisierung von Apfelsäure gewählt wurde, zeigte einen signifikanten Anstieg des VarK über unterschiedliche Bewässerungsbedingungen. Eine andere solche Mutante eines Proteins, welches mutmaßlich im Aminosäuretransport involviert ist, welches als Kandidat für die Kanalisierung von Phenylalanin gewählt wurde, zeigt eine ähnliche Tendenz zu einem erhöhten VarK ohne statistische Signifikanz. Diese potenzielle Rolle von zwei Genen, die im Stoffwechsel involviert sind, unterstützt die Hypothese einer strukturellen Relevanz des Metabolismus für seine eigene Stabilität. Im dritten Projekt wurde eine Mutante einer mutmaßlichen Disulfid-Isomerase, welche wichtig für die Thylakoidbiogenese ist, durch einen Multiomik Ansatz charakterisiert. Die Mutante wurde vorher in einer Ertragsstabilitäts-Selektierung charakterisiert und zeigte einen panaschierten Blattphänotyp, welcher von grünen Blättern mit Wildtyp Chlorophyllgehalt über unterschiedlich gemustert panaschierte Blätter bis zu komplett weißen Blätter reichte, die fast gar keine photosynthetischen Pigmente enthielten. Weiße Blätter der Mutante zeigen Wildtyp Transkriptlevel von Photosystem-Aufbaufaktoren, mit der Ausnahme von ELIP und DEG Orthologen, was indikativ für eine Stagnation in einer Etioplast-zu-Chloroplast-Übergangsphase ist. Grüne Blätter der Mutante zeigen eine Hochregulierung dieser Aufbaufaktoren, was möglicherweise als Überkompensation für eine partiell defekte Disulfid-Isomerase wirkt und letztlich ausreichend für Chloroplastenentwicklung zu sein scheint, was wiederum durch ein wildtyp-ähnliches Proteom bestätigt wird. Wahrscheinlich als Effekt dieses Phänotyps ändern, eine generelle Stressantwort, eine Umschaltung zu einem Senke-ähnlichen Gewebe und abnormale Thylakoidmembranen, stark das metabolische Profil von weißen Blättern der Mutante. Da der Schweregrad und das Muster der Panaschierung von Pflanze zu Pflanze unterschiedlich ist und durch äußere Faktoren beeinflusst sein könnte, könnte der Effekt auf die Ertragsstabilität eine Folge einer dekanalisierten Fähigkeit sein die ganze Blattoberfläche für photosynthetische Aktivität zu nutzen. KW - canalization KW - phenotypic variation KW - metabolism KW - CRISPR/Cas9 KW - GWAS KW - CRISPR/Cas9 KW - GWAS KW - Kanalisierung KW - Metabolismus KW - phänotypische Variation Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-548844 ER - TY - THES A1 - Hu, Changqiong T1 - Characterization of the role of stress - responsive NAC transcription factors ANAC055 and ATAF1 Y1 - 2022 ER - TY - THES A1 - Heinsohn, Natascha T1 - Development of a fiber-based sensor for the molecular detection of pathogens using Legionella as an example T1 - Entwicklung eines Faser-basierten Sensors zur molekularen Detektion von Pathogenen am Beispiel von Legionellen N2 - Fiber-based microfluidics has undergone many innovative developments in recent years, with exciting examples of portable, cost-effective and easy-to-use detection systems already being used in diagnostic and analytical applications. In water samples, Legionella are a serious risk as human pathogens. Infection occurs through inhalation of aerosols containing Legionella cells and can cause severe pneumonia and may even be fatal. In case of Legionella contamination of water-bearing systems or Legionella infection, it is essential to find the source of the contamination as quickly as possible to prevent further infections. In drinking, industrial and wastewater monitoring, the culture-based method is still the most commonly used technique to detect Legionella contamination. In order to improve the laboratory-dependent determination, the long analysis times of 10-14 days as well as the inaccuracy of the measured values in colony forming units (CFU), new innovative ideas are needed. In all areas of application, for example in public, commercial or private facilities, rapid and precise analysis is required, ideally on site. In this PhD thesis, all necessary single steps for a rapid DNA-based detection of Legionella were developed and characterized on a fiber-based miniaturized platform. In the first step, a fast, simple and device-independent chemical lysis of the bacteria and extraction of genomic DNA was established. Subsequently, different materials were investigated with respect to their non-specific DNA retention. Glass fiber filters proved to be particularly suitable, as they allow recovery of the DNA sample from the fiber material in combination with dedicated buffers and exhibit low autofluorescence, which was important for fluorescence-based readout. A fiber-based electrophoresis unit was developed to migrate different oligonucleotides within a fiber matrix by application of an electric field. A particular advantage over lateral flow assays is the targeted movement, even after the fiber is saturated with liquid. For this purpose, the entire process of fiber selection, fiber chip patterning, combination with printed electrodes, and testing of retention and migration of different DNA samples (single-stranded, double-stranded and genomic DNA) was performed. DNA could be pulled across the fiber chip in an electric field of 24 V/cm within 5 minutes, remained intact and could be used for subsequent detection assays e.g., polymerase chain reaction (PCR) or fluorescence in situ hybridization (FISH). Fiber electrophoresis could also be used to separate DNA from other components e.g., proteins or cell lysates or to pull DNA through multiple layers of the glass microfiber. In this way, different fragments experienced a moderate, size-dependent separation. Furthermore, this arrangement offers the possibility that different detection reactions could take place in different layers at a later time. Electric current and potential measurements were collected to investigate the local distribution of the sample during migration. While an increase in current signal at high concentrations indicated the presence of DNA samples, initial experiments with methylene blue stained DNA showed a temporal sequence of signals, indicating sample migration along the chip. For the specific detection of a Legionella DNA, a FISH-based detection with a molecular beacon probe was tested on the glass microfiber. A specific region within the 16S rRNA gene of Legionella spp. served as a target. For this detection, suitable reaction conditions and a readout unit had to be set up first. Subsequently, the sensitivity of the probe was tested with the reverse complementary target sequence and the specificity with several DNA fragments that differed from the target sequence. Compared to other DNA sequences of similar length also found in Legionella pneumophila, only the target DNA was specifically detected on the glass microfiber. If a single base exchange is present or if two bases are changed, the probe can no longer distinguish between the DNA targets and non-targets. An analysis with this specificity can be achieved with other methods such as melting point determination, as was also briefly indicated here. The molecular beacon probe could be dried on the glass microfiber and stored at room temperature for more than three months, after which it was still capable of detecting the target sequence. Finally, the feasibility of fiber-based FISH detection for genomic Legionella DNA was tested. Without further processing, the probe was unable to detect its target sequence in the complex genomic DNA. However, after selecting and application of appropriate restriction enzymes, specific detection of Legionella DNA against other aquatic pathogens with similar fragment patterns as Acinetobacter haemolyticus was possible. N2 - Die faserbasierte Mikrofluidik hat in den letzten Jahren viele innovative Entwicklungen erfahren, mit spannenden Beispielen für portable, kostengünstige und einfach zu bedienende Nachweissysteme die bereits in diagnostischen und analytischen Fragestellungen Anwendung finden. In Wasserproben sind Legionellen als Humanpathogene ein ernstzunehmendes Risiko. Eine Infektion erfolgt über das Einatmen legionellenhaltiger Aerosole und kann schwerwiegende Pneumonien hervorrufen oder sogar tödlich verlaufen. Im Falle einer Legionellenkontamination von Wasserführenden Systemen beziehungsweise einer Legionellen-assoziierten Infektion ist es maßbeglich die Quelle der Kontamination möglichst schnell zu finden, um weitere Infektionen zu vermeiden. In der Überwachung von Trink- Prozess- und Abwasser ist die kulturbasierte Methode immer noch die am häufigsten verwendete Technik, um einen Legionellenbefall nachzuweisen. Um Alternativen zu einer laborabhängigen Bestimmung mit ihren langen Analysezeiten von 10-14 Tagen und der ungenauen Messwertausgabe in koloniebildenden Einheiten (KBE) zu finden, bedarf es neuer innovativer Ideen. In allen Anwendungsbereichen, zum Beispiel in öffentlichen, gewerblichen oder privaten Einrichtungen, ist eine schnelle und präzise Analyse erforderlich, idealerweise vor Ort. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden alle notwendigen Einzelschritte für einen schnellen DNA-basierten Nachweis von Legionellen auf einer faserbasierten, miniaturisierten Plattform entwickelt und charakterisiert. Im ersten Schritt wurde eine schnelle, einfache und geräteunabhängige chemische Lyse der Bakterien und Extraktion der genomischen DNA etabliert. Daraufhin wurden verschiedene Materialien hinsichtlich Ihres unspezifischen DNA-Rückhalts untersucht. Glasfaserfilter erwiesen sich als besonders geeignet, da sie in Kombination mit den geeigneten Puffern eine Rückgewinnung der DNA-Probe aus dem Fasermaterial ermöglichen und für eine fluoreszenzbasierte Auslese eine geringe Autofluoreszenz aufweisen. Eine faserbasierte Elektrophoreseeinheit wurde entwickelt, um durch Anlegen eines elektrischen Feldes verschiedene Oligonukleotide innerhalb einer Fasermatrix zu bewegen. Ein besonderer Vorteil gegenüber Lateral-Flow-Tests ist die Möglichkeit der gezielten Bewegung, auch nachdem die Faser mit Flüssigkeit gesättigt ist. Hierfür wurde der gesamte Prozess der Faserauswahl, der Strukturierung der Faserchips, der Kombination mit gedruckten Elektroden und der Prüfung der Retention und Migration verschiedener DNA-Proben (einzelsträngige, doppelsträngige und genomische DNA) bearbeitet. Die DNA konnte in einem elektrischen Feld von 24 V/cm innerhalb von 5 Minuten über den Faserchip gezogen werden, blieb dabei intakt und konnte für nachfolgende Detektionsnachweise z.B. Polymerase-Ketten-Reaktion (PCR) oder Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) genutzt werden. Die Faserelektrophorese konnte außerdem zur Separation der DNA von anderen Komponenten z.B. Proteinen oder Zelllysaten verwendet werden oder um DNA durch mehrere Lagen der Glasfaser zu steuern. Dabei erfuhren verschiedene Fragmente einen moderaten, größenabhängigen Trenneffekt. Außerdem bietet diese Anordnung die Möglichkeit, dass unterschiedliche Nachweisreaktionen zu einem späteren Zeitpunkt in verschiedenen Schichten stattfinden könnten. Strom- und Potentialmessungen wurden erhoben, um die lokale Verteilung der Probe während der Migration zu untersuchen. Während ein Anstieg des Stromsignals bei hohen Konzentrationen die Anwesenheit von DNA-Proben anzeigte, konnten nach ersten Experimenten mit Methylenblau-gefärbter DNA zeitlich aufeinanderfolgende Signale detektiert werden und somit prinzipiell eine Probenmigration nachgewiesen werden. Für den spezifischen Nachweis der Legionellen-DNA wurde ein FISH-basierter Nachweis mit einer molekularen Sonde auf der Glasmikrofaser getestet. Als Ziel für die Sonde diente eine bestimmte Region innerhalb des 16S rRNA-Gens von Legionellen. Für diesen Nachweis mussten zunächst geeignete Reaktionsbedingungen und eine Ausleseeinheit bestimmt werden. Anschließend wurde die Sensitivität der Sonde mit der umgekehrt komplementären Zielsequenz und die Spezifität mit verschiedenen DNA-Fragmenten, die sich von der Zielsequenz unterschieden, getestet. Im Vergleich zu abweichenden DNA-Sequenzen ähnlicher Länge, die auch in Legionella pneumophila vorkommen, wurde nur die Ziel-DNA spezifisch auf der Glasmikrofaser erkannt. Liegt ein einzelner Basenaustausch vor oder werden zwei Basen geändert, so kann die Sonde nicht mehr zwischen der Ziel-DNA und den abweichenden DNA-Fragmenten unterscheiden. Eine Detektion mit dieser Genauigkeit ist mit anderen Methoden wie z.B. der Schmelzpunktbestimmung möglich, wie hier prinzipiell demonstriert wurde. Es wurde ferner gezeigt, dass die Sonde auf der Glasmikrofaser eingetrocknet und über drei Monate bei Raumtemperatur gelagert werden kann und danach immer noch in der Lage ist, die Zielsequenz nachzuweisen. Schließlich wurde die Anwendbarkeit des faserbasierten FISH-Nachweises auch für genomische Legionellen-DNA getestet. Ohne weitere Prozessierung war die Sonde nicht in der Lage ihre Zielsequenz in der komplexen genomischen DNA zu erkennen. Nach der Auswahl und Anwendung geeigneter Restriktionsenzyme war eine spezifische Detektion der Legionellen-DNA gegenüber anderen Wasserkeimen mit ähnlichem Fragmentmuster wie Acinetobacter haemolyticus möglich. KW - Sensor KW - paper-based KW - Legionellen KW - Legionella KW - papier-basiert KW - sensor KW - Detektionssystem KW - detection system KW - Glasfaser KW - glass fiber Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-566833 ER - TY - THES A1 - Schumann, Anne T1 - Development of GIPR antagonists for targeted radiotherapy in neuroendocrine neoplasms N2 - Die Theorie der zielgerichteten Radiotherapie basiert auf der Überexpression von spezifischen Rezeptoren auf der Oberfläche von entarteten Zellen. In präklinischen Studien konnte der Gastric inhibitory polypeptide receptor (GIPR) in besonders hoher Dichte in neuroendokrinen Neoplasien (NENs) identifiziert werden, wohingegen er in gesundem Gewebe kaum vorkommt (Waser 2012). Die Verwendung von Somatostatinrezeptor 2 (SSTR2) bindenden Molekülen, welche mit radioaktiven Isotopen verbunden sind, wird in der klinischen Praxis zur Diagnose und Therapie (Theranostik) von NEN´s eingesetzt, wodurch die Tumorzellen gezielt sichtbar gemacht oder zerstört werden können. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung von Molekülen mit besonders hoher Affinität gegenüber dem GIPR zum Einsatz in der zielgerichteten Radiotherapie. Es sollte die Hypothese überprüft werden, ob ein neuartiger GIPR Antagonist bei der Detektion von GIPR-positiven Tumoren, bessere Ergebnisse als der GIPR Agonist GIP(1-30) generieren kann. (Reubi 2017). Darüber hinaus wurde auch ein direkter Vergleich mit dem SSTR2 Agonist DOTATATE und Antagonist JR11 für die Detektion von NENs angestellt. Die im Rahmen der Arbeit entwickelten neuen GIPR-bindenden Antagonisten sind nicht von GIP abgeleitet. Die Konjugation mit DOTA erlaubt die Komplexbildung mit diagnostischen (z.B. 111In) und therapeutischen Radionukliden (z.B. 177Lu). Unter der Vielzahl entwickelten Verbindungen, war das Molekül 3BP-3775 der vielversprechendste Kandidat für eine klinische Weiterentwicklung. Es zeigte sich ein hohe GIPR Affinität und langanhaltende Rezeptorbindung in vitro und darüber hinaus bei in vivo Versuchen eine starke und persistente Aufnahme in den Tumor. Die geringe Verteilung in den Nieren repräsentiert dabei die herausragenden Eigenschaften von 3BP-3775 im Gegensatz zu bereits publizierten Daten mit GIP abgeleiteten Verbindungen (Gourni 2014). Mit 177Lu-3BP-3775 konnte zum ersten Mal eine therapeutische Wirksamkeit eines GIPR-Binders nachgewiesen werden. Mittels in vitro Rezeptor Autoradiographie wurde zudem gezeigt, dass ein neu entwickelter GIPR Antagonist (111In-3BP-3626) eine 6-fach höhere Bindung an gastroenteropankreatische (GEP) und bronchiale NENs zeigt als der heute klinisch relevanteste SSTR2 Agonist DOTATATE. Zwar war die Bindung des SSTR2 Antagonist JR11 vergleichbar stark, jedoch wurde bei JR11 eine deutlich höhere Bindung in gesundem Gewebe detektiert, weshalb sich für 3BP-3626 ein zu favorisierendes Tumor-zu-Hintergrund Bindungsverhältnis errechnen ließ. Die Bindung des GIPR Agonisten 111In GIP(1 30) war in allen untersuchten Proben sehr gering. Anhand der Ergebnisse ergab sich folgende Reihenfolge bei der Beurteilung der untersuchten Verbindung und ihrer Fähigkeit NENs gezielt zu detektieren: 111In 3BP 3626 ~ 111In-JR11> 111In-DOTATATE > 111In-GIP(1-30). Die erfolgreiche Entwicklung von neuartigen Molekülen für zielgerichtete Anwendungen gegen den GIPR bildet das Kernstück der vorliegenden Arbeit. Die erzielten in vitro und in vivo Ergebnisse sind die Grundlage für die Weiterentwicklung des GIPR Antagonisten 3BP-3775 um dessen klinischen Einsatz in der Radiotherapie von GEP- und bronchialen NENs zu realisieren. N2 - Receptors predominantly expressed on tumor cells represent one of the key prerequisites of targeted radiotherapy. The gastric inhibitory polypeptide receptor (GIPR) has emerged as a promising target due to its substantial overexpression in neuroendocrine neoplasms (NENs) and virtual absence in healthy tissues (Waser 2012). So far, only radiolabeled peptides targeting the somatostatin receptor 2 (SSTR2) are approved for targeted radiotherapy of inoperable, metastatic NENs. The aim of this thesis was to develop highly affine GIPR tracers for targeted radiotherapy by continuous in vitro and in vivo characterization of peptide sequence modifications. It was hypothesized that a GIPR antagonist might increase the sensitivity to detect GIPR-positive tumors relative to the agonist GIP(1-30), as shown for SSTR2 tracers (Reubi 2017). Further comparison to the SSTR2 agonist and antagonist (DOTATATE, JR11) should allow compound ranking regarding their ability to detect NENs. The novel GIPR-targeting antagonists were conjugated to DOTA, enabling complexation of diagnostic (e. g. 111In) and therapeutic radionuclides (e. g. 177Lu). Among the high number of compounds screened, 3BP-3775 proved to be the most promising candidate for further preclinical and clinical development. High GIPR affinity and long receptor residence time in vitro were reflected in strong tumor uptake and retention in vivo. Low initial kidney accumulation and fast subsequent clearance represented a major advantage relative to previously described GIPR-targeting molecules (Gourni 2014). Furthermore, administration of 177Lu-3BP-3775 demonstrated for the first time strong therapeutic efficacy of a GIPR-targeting compound. In vitro receptor autoradiography with 111In-3BP-3626 (GIPR antagonist) demonstrated up to 6-fold higher signals in gastroenteropancreatic and bronchial NENs, relative to the clinically utilized SSTR2 agonist 111In-DOTATATE. Both receptor antagonists, however, revealed similar signal strength. In contrast to 111In-JR11, 111In-3BP-3626 showed no binding to non-target tissues, which led to higher tumor-to-background ratios for 111In-3BP-3626. Signal strength of the GIPR agonist 111In-GIP(1-30) was close to background in all investigated tumor samples. The ranking of compounds according to their ability to detect NENs based on autoradiographic signal intensities was determined to be: 111In-3BP-3626 ~ 111In-JR11> 111In-DOTATATE > 111In GIP(1-30). In summary, this thesis proposes the application of the GIPR antagonist 3BP-3775 for a targeted radiotherapy in GEP- and bronchial NENs. KW - Theranostic KW - Neuroendocrine tumors KW - targeted therapy KW - gastric inhibitory polypeptide receptor Y1 - 2022 ER - TY - THES A1 - Kürschner, Tobias T1 - Disease transmission and persistence in dynamic landscapes T1 - Krankheitsübertragung und Persistenz in dynamischen Landschaft N2 - Infectious diseases are an increasing threat to biodiversity and human health. Therefore, developing a general understanding of the drivers shaping host-pathogen dynamics is of key importance in both ecological and epidemiological research. Disease dynamics are driven by a variety of interacting processes such as individual host behaviour, spatiotemporal resource availability or pathogen traits like virulence and transmission. External drivers such as global change may modify the system conditions and, thus, the disease dynamics. Despite their importance, many of these drivers are often simplified and aggregated in epidemiological models and the interactions among multiple drivers are neglected. In my thesis, I investigate disease dynamics using a mechanistic approach that includes both bottom-up effects - from landscape dynamics to individual movement behaviour - as well as top-down effects - from pathogen virulence on host density and contact rates. To this end, I extended an established spatially explicit individual-based model that simulates epidemiological and ecological processes stochastically, to incorporate a dynamic resource landscape that can be shifted away from the timing of host population-dynamics (chapter 2). I also added the evolution of pathogen virulence along a theoretical virulence-transmission trade-off (chapter 3). In chapter 2, I focus on bottom-up effects, specifically how a temporal shift of resource availability away from the timing of biological events of host-species - as expected under global change - scales up to host-pathogen interactions and disease dynamics. My results show that the formation of temporary disease hotspots in combination with directed individual movement acted as key drivers for pathogen persistence even under highly unfavourable conditions for the host. Even with drivers like global change further increasing the likelihood of unfavourable interactions between host species and their environment, pathogens can continue to persist with heir hosts. In chapter 3, I demonstrate that the top-down effect caused by pathogen-associated mortality on its host population can be mitigated by selection for lower virulent pathogen strains when host densities are reduced through mismatches between seasonal resource availability and host life-history events. I chapter 4, I combined parts of both theoretical models into a new model that includes individual host movement decisions and the evolution of pathogenic virulence to simulate pathogen outbreaks in realistic landscapes. I was able to match simulated patterns of pathogen spread to observed patterns from long-term outbreak data of classical swine fever in wild boar in Northern Germany. The observed disease course was best explained by a simulated high virulent strain, whereas sampling schemes and vaccination campaigns could explain differences in the age-distribution of infected hosts. My model helps to understand and disentangle how the combination of individual decision making and evolution of virulence can act as important drivers of pathogen spread and persistence. As I show across the chapters of this thesis, the interplay of both bottom-up and top-down processes is a key driver of disease dynamics in spatially structured host populations, as they ultimately shape host densities and contact rates among moving individuals. My findings are an important step towards a paradigm shift in disease ecology away from simplified assumptions towards the inclusion of mechanisms, such as complex multi-trophic interactions, and their feedbacks on pathogen spread and disease persistence. The mechanisms presented here should be at the core of realistic predictive and preventive epidemiological models. N2 - Infektionskrankheiten stellen eine zunehmende Bedrohung für die biologische Vielfalt und die menschliche Gesundheit dar. Daher ist es sowohl für die epidemiologische als auch für die ökologische Forschung von zentraler Bedeutung, ein allgemeines Verständnis der Mechanismen, die die Wirts-Pathogen-Dynamik beeinflussen, zu entwickeln. Die Krankheitsausbrüche werden durch eine Vielzahl von interagierenden Prozessen angetrieben, wie unter anderem individuellem Wirtsverhalten, Ressourcenverfügbarkeit oder Erregermerkmale wie Virulenz. Externe Faktoren wie der globale Wandel können grundlegende Veränderungen dieser Prozesse verursachen und sich damit auch auf Krankheitsdynamiken auswirken. Trotz ihrer Bedeutung für Krankheitsausbrüche werden viele dieser Faktoren in epidemiologischen Modellen oft vereinfacht und die Wechselwirkungen zwischen den Faktoren vernachlässigt. In Anbetracht dessen, ist es sowohl für die ökologische als auch für die epidemiologische Forschung von zentraler Bedeutung, ein allgemeines Verständnis dafür zu entwickeln, wie mehrere interagierende Prozesse Wirts-Pathogen-Interaktionen beeinflussen können. In meiner Dissertation untersuche ich die Krankheitsdynamik mittels eines mechanistischen Ansatzes, der sowohl Bottom-up-Effekte - von der Landschaftsdynamik bis zum individuellen Bewegungsverhalten - als auch Top-down-Effekte - von der Virulenz des Erregers auf die Wirtsdichte und die Kontaktraten - berücksichtigt. Zu diesem Zweck habe ich ein etabliertes, räumlich explizites, Individuen basiertes Modell, das epidemiologische und ökologische Prozesse stochastisch simuliert, um eine dynamische Ressourcenlandschaft erweitert, die zeitlich mit der Populationsdynamik der Wirte verschoben werden kann (Kapitel 2). Zusätzlich habe ich die Evolution der Virulenz von Krankheitserregern entlang eines theoretischen Verhältnisses zwischen Virulenz und Übertragung hinzugefügt (Kapitel 3). In Kapitel 2 konzentriere ich mich auf Bottom-up-Effekte, insbesondere auf die Frage, wie sich eine zeitliche Verschiebung der Ressourcenverfügbarkeit weg vom Zeitpunkt biologischer Ereignisse der Wirtsarten - wie sie im Rahmen des globalen Wandels erwartet wird - auf die Wirt-Pathogen-Interaktionen und Krankheitsdynamiken auswirkt. Meine Ergebnisse zeigen, dass die Bildung vorübergehender Krankheitsherde in Kombination mit gezielter individueller Wirtsbewegung als Schlüsselfaktoren für die Persistenz von Krankheitserregern selbst unter äußerst ungünstigen Bedingungen für den Wirt fungieren. Selbst wenn Faktoren wie der globale Wandel die Wahrscheinlichkeit ungünstiger Wechselwirkungen zwischen Wirtsarten und ihrer Umwelt weiter erhöhen, können Krankheitserreger weiterhin in ihren Wirten persistieren. In Kapitel 3 zeige ich, dass der Top-Down-Effekt, der durch die pathogen-assoziierte Mortalität verursacht wird, durch eine evolutionäre Selektion auf weniger virulente Erregerstämme abgeschwächt werden kann, wenn die Wirtsdichte durch eine zeitliche Verschiebung von saisonaler Ressourcenverfügbarkeit und dem Zeitpunkt von biologischen Ereignissen der Wirtsarten reduziert wird. In Kapitel 4 habe ich Teile der beiden theoretischen Modelle zu einem neuen Modell kombiniert, das individuelle Wirtsbewegungen und die Entwicklung der Virulenz von Krankheitserregern einbezieht, um Ausbrüche von Krankheitserregern in realistischen Landschaften zu simulieren. Es gelang mir, die simulierten Muster der Krankheitsausbreitung mit beobachteten Mustern von Langzeitausbrüchen der klassischen Schweinepest in Wildschweinen in Norddeutschland abzugleichen. Der beobachtete Krankheitsverlauf ließ sich am besten durch einen simulierten hochvirulenten Stamm erklären, während das Design der Probenentnahmen und Impfkampagnen Unterschiede in der Altersverteilung der infizierten Wirte erklären könnten. Mein Modell trägt dazu bei, zu verstehen, wie die Kombination aus individueller Bewegung und der Evolution von Virulenz als wichtige Treiber für die Ausbreitung und Persistenz des Erregers wirken können. Wie ich in den Kapiteln dieser Arbeit zeige, ist das Zusammenspiel von Bottom-up- und Top-down-Prozessen ein entscheidender Faktor für die Krankheitsdynamik in Wirtspopulationen, da sie letztlich die Wirtsdichte und den Kontakt zwischen sich bewegenden Individuen bestimmen. Meine Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem Paradigmenwechsel in der Krankheitsökologie, weg von vereinfachten Annahmen hin zur Einbeziehung von komplexen Interaktionen und deren Rückkopplungen auf die Ausbreitung und Persistenz von Krankheitserregern. Die hier vorgestellten Mechanismen sollten den Kern realistischer Vorhersage- und Präventivmodelle für die Epidemiologie bilden. KW - disease ecology KW - movement ecology KW - Krankheitsökologie KW - Bewegungsökologie Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-564689 ER - TY - THES A1 - Schulte, Luise T1 - Dynamics of Larix (Mill.) species in Siberia during the last 50,000 years inferred from sedimentary ancient DNA T1 - Die Dynamik sibirischer Lärchenarten (Larix Mill.) während der der letzten 50.000 Jahre, untersucht mittels sedimentärer alter DNA N2 - The deciduous needle tree larch (Larix Mill.) covers more than 80% of the Asian boreal forests. Only a few Larix species constitute the vast forests and these species differ markedly in their ecological traits, most importantly in their ability to grow on and stabilize underlying permafrost. The pronounced dominance of the summergreen larches makes the Asian boreal forests unique, as the rest of the northern hemisphere boreal forests is almost exclusively dominated by evergreen needle-leaf forests. Global warming is impacting the whole world but is especially pronounced in the arctic and boreal regions. Although adapted to extreme climatic conditions, larch forests are sensitive to varying climatic conditions. By their sheer size, changes in Asian larch forests as range shifts or changes in species composition and the resulting vegetation-climate feedbacks are of global relevance. It is however still uncertain if larch forests will persist under the ongoing warming climate or if they will be replaced by evergreen forests. It is therefore of great importance to understand how these ecosystems will react to future climate warmings and if they will maintain their dominance. One step in the better understanding of larch dynamics is to study how the vast dominant forests developed and why they only established in northern Asia. A second step is to study how the species reacted to past changes in the climate. The first objective of this thesis was to review and identify factors promoting Asian larch dominance. I achieved this by synthesizing and comparing reported larch occurrences and influencing components on the northern hemisphere continents in the present and in the past. The second objective was to find a possibility to directly study past Larix populations in Siberia and specifically their genetic variation, enabling the study of geographic movements. For this, I established chloroplast enrichment by hybridization capture from sedimentary ancient DNA (sedaDNA) isolated from lake sediment records. The third objective was to use the established method to track past larch populations, their glacial refugia during the Last Glacial Maximum (LGM) around 21,000 years before present (ka BP), and their post-glacial migration patterns. To study larch promoting factors, I compared the present state of larch species ranges, areas of dominance, their bioclimatic niches, and the distribution on different extents and thaw depths of permafrost. The species comparison showed that the bioclimatic niches greatly overlap between the American and Asian species and that it is only in the extremely continental climates in which only the Asian larch species can persist. I revealed that the area of dominance is strongly connected to permafrost extent but less linked to permafrost seasonal thaw depths. Comparisons of the paleorecord of larch between the continents suggest differences in the recolonization history. Outside of northern Asia and Alaska, glacial refugial populations of larch were confined to the southern regions and thus recolonization could only occur as migration from south to north. Alaskan larch populations could not establish wide-range dominant forest which could be related to their own genetically depletion as separated refugial population. In Asia, it is still unclear whether or not the northern refugial populations contributed and enhanced the postglacial colonization or whether they were replaced by populations invading from the south in the course of climate warming. Asian larch dominance is thus promoted partly by adaptions to extremely continental climates and by adaptations to grow on continuous permafrost but could be also connected to differences in glacial survival and recolonization history of Larix species. Except for extremely rare macrofossil findings of fossilized cones, traditional methods to study past vegetation are not able to distinguish between larch species or populations. Within the scope of this thesis, I therefore established a method to retrieve genetic information of past larch populations to distinguish between species. Using the Larix chloroplast genome as target, I successfully applied the method of DNA target enrichment by hybridization capture on sedaDNA samples from lake records and showed that it is able to distinguish between larch species. I then used the method on samples from lake records from across Siberia dating back up to 50 ka BP. The results allowed me to address the question of glacial survival and post-glacial recolonization mode in Siberian larch species. The analyzed pattern showed that LGM refugia were almost exclusively constituted by L. gmelinii, even in sites of current L. sibirica distribution. For included study sites, L. sibirica migrated into its extant northern distribution area only in the Holocene. Consequently, the post-glacial recolonization of L. sibirica was not enhanced by northern glacial refugia. In case of sites in extant distribution area of L. gmelinii, the absence of a genetic turn-over point to a continuous population rather than an invasion of southern refugia. The results suggest that climate has a strong influence on the distribution of Larix species and that species may also respond differently to future climate warming. Because species differ in their ecological characteristics, species distribution is also relevant with respect to further feedbacks between vegetation and climate. With this thesis, I give an overview of present and past larch occurrences and evaluate which factors promote their dominance. Furthermore, I provide the tools to study past Larix species and give first important insights into the glacial history of Larix populations. N2 - Der sommergrüne Nadelbaum Lärche (Larix Mill.) bedeckt mehr als 80 % der Fläche der borealen Wälder Asiens. Nur wenige Lärchenarten bilden ausgedehnte Wälder und diese Arten unterscheiden sich deutlich in ihren ökologischen Eigenschaften, vor allem in ihrer Fähigkeit, auf Permafrost zu wachsen und diesen zu stabilisieren. Die ausgeprägte Dominanz der sommergrünen Lärchen macht die asiatischen borealen Wälder einzigartig, da der Rest der borealen Wälder der Nordhalbkugel fast ausschließlich von immergrünen Nadelwäldern dominiert wird. Die Klimaerwärmung wirkt sich auf die ganze Welt aus, ist aber in den arktischen und borealen Regionen besonders ausgeprägt. Obwohl die Lärchenwälder an extreme klimatische Bedingungen angepasst sind, reagieren sie empfindlich auf klimatische Schwankungen. Aufgrund ihrer schieren Größe sind Veränderungen in asiatischen Lärchenwäldern, wie z. B. Verschiebungen des Verbreitungsgebiets oder Veränderungen in der Artenzusammensetzung und die daraus resultierenden Rückkopplungen zwischen Vegetation und Klima, von globaler Bedeutung. Es ist jedoch noch ungewiss, ob die Lärchenwälder unter der fortschreitenden Klimaerwärmung bestehen bleiben oder durch immergrüne Wälder ersetzt werden. Es ist daher von großer Bedeutung zu verstehen, wie diese Ökosysteme auf die künftige Klimaerwärmung reagieren werden und ob sie ihre Dominanz behalten werden. Ein Schritt zum besseren Verständnis der Lärchendynamik besteht darin, zu untersuchen, wie die riesigen dominanten Wälder von heute entstanden sind und warum sie sich nur in Nordasien etabliert haben. In einem zweiten Schritt soll untersucht werden, wie die Art auf vergangene Klimaveränderungen reagiert hat. Das erste Ziel dieser Arbeit bestand darin, die Faktoren zu ermitteln, die die Dominanz der asiatischen Lärche begünstigen. Dies erreichte ich, indem ich die dokumentierten Lärchenvorkommen und die sie beeinflussenden Komponenten auf den Kontinenten der nördlichen Hemisphäre in der Gegenwart und in der Vergangenheit gesammelt und verglichen habe. Das zweite Ziel bestand darin, eine Möglichkeit zu finden, frühere Lärchenpopulationen in Sibirien und insbesondere ihre genetische Variation direkt zu studieren, um geografische Bewegungen untersuchen zu können. Dafür etablierte ich die Methode der Anreicherung von Chloroplasten durch Hybridisierung von alter sedimentärer DNA (sedaDNA) isoliert aus Seesedimenten. Das dritte Ziel bestand darin, die etablierte Methode zu nutzen, um vergangene Lärchenpopulationen, ihre eiszeitlichen Refugien während des letzten glazialen Maximums (LGM) um ca. 21.000 Jahre vor der Gegenwart (ka BP) und ihre nacheiszeitlichen Migrationsmuster zu verfolgen. Um die Faktoren zu untersuchen, die die Ausbreitung der Lärche begünstigen, verglich ich den gegenwärtigen Stand der Verbreitungsgebiete der Lärchenarten, die Gebiete, in denen sie vorherrschen, ihre bioklimatischen Nischen und die Verteilung auf verschiedene Ausdehnungen und Auftautiefen des Permafrosts. Der Artenvergleich zeigte, dass sich die bioklimatischen Nischen der amerikanischen und asiatischen Arten stark überschneiden und dass nur in den extrem kontinentalen Klimazonen ausschließlich die asiatischen Lärchenarten überleben können. Es zeigte sich, dass das Verbreitungsgebiet stark mit der Permafrostausdehnung zusammenhängt, aber weniger mit der saisonalen Auftautiefe des Permafrosts. Der Vergleich vergangener Lärchenvorkommen zwischen den Kontinenten deutet auf Unterschiede in der Rekolonisationsgeschichte hin. Außerhalb Nordasiens und Alaskas waren die eiszeitlichen Lärchenpopulationen auf die südlichen Regionen beschränkt, so dass die Wiederbesiedlung nur als Wanderung von Süden nach Norden erfolgen konnte. Die Lärchenpopulationen in Alaska konnten keinen weiträumig dominanten Wald etablieren, was mit ihrer eigenen genetischen Verarmung als abgeschiedene Refugialpopulation zusammenhängen könnte. In Asien ist noch unklar, ob die nördlichen Refugialpopulationen zur nacheiszeitlichen Besiedlung beigetragen und diese verstärkt haben oder ob sie im Zuge der Klimaerwärmung durch von Süden eindringende Populationen ersetzt wurden. Die Dominanz der asiatischen Lärche wird also zum Teil durch Anpassungen an das extrem kontinentale Klima und durch Anpassungen an das Wachstum auf kontinuierlichem Permafrost begünstigt, könnte aber auch mit Unterschieden in der glazialen Überlebens- und Rekolonisationsgeschichte der Larix-Arten zusammenhängen. Abgesehen von den äußerst seltenen Makrofossilienfunden versteinerter Zapfen sind die herkömmlichen Methoden zur Untersuchung der vergangenen Vegetation nicht in der Lage, zwischen Lärchenarten oder -populationen zu unterscheiden. Im Rahmen dieser Arbeit habe ich daher eine Methode zur Gewinnung genetischer Informationen früherer Lärchenpopulationen entwickelt, um zwischen den Arten zu unterscheiden. Unter Verwendung des Larix-Chloroplastengenoms habe ich die Methode der DNA-Anreicherung durch Hybridisierung erfolgreich auf sedaDNA-Proben aus See-sedimentbohrkernen angewandt und gezeigt, dass die Methode erlaubt zwischen Lärchenarten zu unterscheiden. Anschließend wendete ich die Methode auf Proben aus Seen in ganz Sibirien an, die bis zu 50 ka BP zurückreichen. Anhand der Ergebnisse konnte ich zur Beantwortung der Frage beitragen, welche sibirische Lärchenarten während des LGM überlebten und wie die postglaziale Wiederbesiedlung stattfand. Das analysierte Muster zeigte, dass die LGM-Refugien fast ausschließlich von L. gmelinii gebildet wurden, selbst an Orten, an denen heute L. sibirica verbreitet ist. In den untersuchten Gebieten ist L. sibirica erst im Holozän in ihr heutiges nördliches Verbreitungsgebiet eingewandert. Folglich wurde die nacheiszeitliche Wiederbesiedlung von L. sibirica nicht durch nördliche eiszeitliche Refugien gefördert. Im Falle der Standorte im heutigen Verbreitungsgebiet von L. gmelinii deutet das Fehlen eines Wechsels genetischer Variation eher auf eine kontinuierliche Population als auf eine Invasion aus südlichen Refugien hin. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Klima einen starken Einfluss auf die Verbreitung von Larix-Arten hat und die Arten auch auf zukünftige Klimaerwärmung unterschiedlich reagieren könnten. Da die Arten sich in ihren ökologischen Eigenschaften unterscheiden, ist eine Änderung in der Verbreitung der Arten auch im Hinblick auf weitere Rückkopplungen zwischen Vegetation und Klima relevant. In dieser Arbeit gebe ich einen Überblick über die heutigen und früheren Lärchenvorkommen und bewerte, welche Faktoren ihre Dominanz begünstigen. Darüber hinaus stelle ich eine Methode zur Untersuchung vergangener Lärchenarten bereit und gebe erste wichtige Einblicke in ihre glaziale Geschichte. KW - ancient DNA KW - ancient sedimentary DNA KW - Larix KW - larch KW - glacial refugia KW - postglacial recolonization KW - phylogeography KW - hybridization capture KW - target enrichment KW - shotgun sequencing KW - chloroplast KW - Siberia KW - Larix KW - Sibirien KW - alte DNA KW - alte sedimentäre DNA KW - Chloroplast KW - glaziale Refugien KW - Lärche KW - Phylogeographie KW - nacheiszeitliche Wiederbesiedlung KW - Shotgun Sequenzierung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-558782 ER - TY - THES A1 - Sun, Xianlei T1 - Elasticity of fiber meshes derived from multiblock copolymers influences cell behaviors T1 - Elastizität von Fasergeweben abgeleitet Multiblockcopolymere beeinflussen das Zellverhalten. N2 - Objective: The behaviors of endothelial cells or mesenchymal stem cells are remarkably influenced by the mechanical properties of their surrounding microenvironments. Here, electrospun fiber meshes containing various mechanical characteristics were developed from polyetheresterurethane (PEEU) copolymers. The goal of this study was to explore how fiber mesh stiffness affected endothelial cell shape, growth, migration, and angiogenic potential of endothelial cells. Furthermore, the effects of the E-modulus of fiber meshes on human adipose-derived stem cells (hADSCs) osteogenic potential was investigated. Methods: Polyesteretherurethane (PEEU) polymers with various poly(p-dioxanone) (PPDO) to poly (ε-caprolactone) (PCL) weight percentages (40 wt.%, 50 wt.%, 60 wt.%, and 70 wt.%) were synthesized, termed PEEU40, PEEU50, PEEU60, and PEEU70, accordingly. The electrospinning method was used for the preparation of PEEU fiber meshes. The effects of PEEU fiber meshes with varying elasticities on the human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) shape, growth, migration and angiogenic potential were characterized. To determine how the E-modulus of fiber meshes affects the osteogenic potential of hADSCs, the cellular and nuclear morphologies and osteogenic differentiation abilities were evaluated. Results: With the increasing stiffness of PEEU fiber meshes, the aspect ratios of HUVECs cultivated on PEEU materials increased. HUVECs cultivated on high stiffness fiber meshes (4.5 ± 0.8 MPa) displayed a considerably greater proliferation rate and migratory velocity, in addition demonstrating increased tube formation capability, compared with those of the cells cultivated on lower stiffness fiber meshes (2.6 ± 0.8 MPa). Furthermore, in comparison to those cultivated on lower stiffness fiber meshes, hADSCs adhered to the highest stiffness fiber meshes PEEU70 had an elongated shape. The hADSCs grown on the softer PEEU40 fiber meshes showed a reduced nuclear aspect ratio (width to height) than those cultivated on the stiffer fiber meshes. Culturing hADSCs on stiffer fibers improved their osteogenic differentiation potential. Compared with cells cultured on PEEU40, osteocalcin expression and alkaline phosphatase (ALP) activity increased by 73 ± 10% and 43 ± 16%, respectively, in cells cultured on PEEU70. Conclusion: The mechanical characteristics of the substrate are crucial in the modulation of cell behaviors. These findings indicate that adjusting the elasticity of fiber meshes might be a useful method for controlling the blood vessels development and regeneration. Furthermore, the mechanical characteristics of PEEU fiber meshes might be modified to control the osteogenic potential of hADSCs. N2 - Ziel: Das Verhalten von Endothelzellen oder mesenchymalen Stammzellen wird erheblich von den mechanischen Eigenschaften der Mikroumgebung beeinflusst. Hier wurden elektrogesponnene Fasernetze mit unterschiedlicher Elastizität aus Polyetheresterurethan (PEEU) hergestellt. Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss der Elastizität von Fasernetzen auf die Zellmorphologie, Proliferation, Migration und Angiogenese von Endothelzellen zu untersuchen. Außerdem war der Einfluss des E-Moduls von Fasersubstraten auf die Bindung an die Abstammungslinie von humanen Fettstammzellen (hADSCs) untersucht. Methoden: Polyesteretherurethane (PEEU) mit unterschiedlichen Poly(p-dioxanon) (PPDO) to Poly (ε-Caprolacton) （PCL）-Gewichtsverhältnissen (40:60, 50:50, 60:40, 70:30) wurden synthetisiert und als PEEU40, PEEU50, PEEU60 bzw. PEEU70 bezeichnet. Die Fasernetze wurden durch Elektrospinnen von PEEU hergestellt. Dann wurden humane Endothelzellen der Nabelschnurvene (HUVECs) auf diesen elektrogesponnenen Fasernetzen aus Polyetheresterurethan (PEEU) kultiviert, die sich in ihrer Elastizität unterscheiden. Zellmorphologie, Proliferation, Migration und Angiogenese von Endothelzellen auf den abbaubaren Substraten wurden charakterisiert. Für den Einfluss des E-Moduls von Fasersubstraten auf die Bindung an die Abstammungslinie von hADSCs-Zellen und die Kernmorphologie wurde die Fähigkeit zur osteogenen Differenzierung bewertet. Ergebnisse: Das Aspektverhältnis von HUVECs, die auf den Fasernetzen aus PEEU-Materialien kultiviert wurden, nahm mit zunehmender Steifheit der Materialien zu. HUVECs, die auf Fasernetzen mit hoher Steifheit (Young-Modul E = 4,5 ± 0,8 MPa) kultiviert wurden, zeigten eine höhere Proliferationsrate und eine signifikant schnellere Migrationsgeschwindigkeit sowie ein höheres Röhrenbildungsvermögen als die Zellen, die auf Fasernetzen mit niedriger Steifheit kultiviert wurden (E = 2,6 ± 0,8 MPa). Des Weiteren zeigten an steiferen PEEU70-Fasernetzen (PPDO: PCL = 70:30) gebundene hADSCs eine verlängerte Morphologie im Vergleich zu jenen, die auf weicheren Fasern kultiviert wurden. Das Kernaspektverhältnis (Breite gegen Länge eines Kerns) von hADSCs, die auf weicheren PEEU40-Fasern (PPDO: PCL = 40:60) kultiviert wurden, war niedriger als auf steiferen Fasern. Die osteogene Differenzierung von hADSCs wurde durch Kultivierung auf steiferen Fasern verstärkt. Im Vergleich zu PEEU40 wurde in Zellen auf PEEU70 eine 73 ± 10% ige Steigerung der Osteocalcin-Expression und eine 34 ± 16% ige Steigerung der Aktivität der alkalischen Phosphatase (ALP) beobachtet. Schlussfolgerung: Die mechanischen Eigenschaften des Substrats spielen eine Schlüsselrolle bei der Modulation des Zellverhaltens. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Einstellen der Elastizität der Fasernetze eine potenzielle Strategie zur Modulation der Bildung oder Regeneration von Blutgefäßen sein könnte. Darüber hinaus könnte die Differenzierung von hADSCs durch die Anpassung der mechanischen Eigenschaften von elektrogesponnenen Fasern gestaltet werden. KW - PEEU KW - fiber mesh scaffolds KW - osteogenesis KW - angiogenesis KW - stiffness KW - hADSC KW - HUVEC KW - HUVEC KW - PEEU KW - Angiogenese KW - Gerüste aus Fasergeflecht KW - hADSC KW - Osteogenese KW - Steifheit Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-535285 ER - TY - THES A1 - Vyse, Kora T1 - Elucidating molecular determinants of the loss of freezing tolerance during deacclimation after cold priming and low temperature memory after triggering N2 - Während ihrer Entwicklung müssen sich Pflanzen an Temperaturschwankungen anpassen. Niedrige Temperaturen über dem Gefrierpunkt induzieren in Pflanzen eine Kälteakklimatisierung und höhere Frosttoleranz, die sich bei wärmeren Temperaturen durch Deakklimatisierung wieder zurückbildet. Der Wechsel zwischen diesen beiden Prozessen ist für Pflanzen unerlässlich, um als Reaktion auf unterschiedliche Temperaturbedingungen eine optimale Fitness zu erreichen. Die Kälteakklimatisierung ist umfassend untersucht worden,über die Regulierung der Deakklimatisierung ist jedoch wenig bekannt. In dieser Arbeit wird der Prozess der Deakklimatisierung auf physiologischer und molekularer Ebene in Arabidopsis thaliana untersucht. Messungen des Elektrolytverlustes während der Kälteakklimatisierung und bis zu vier Tagen nach Deakklimatisierung ermöglichten die Identifizierung von vier Knockout-Mutanten (hra1, lbd41, mbf1c und jub1), die im Vergleich zum Wildtyp eine langsamere Deakklimatisierungsrate aufwiesen. Eine transkriptomische Studie mit Hilfe von RNA-Sequenzierung von A. thaliana Col-0, jub1 und mbf1c zeigte die Bedeutung der Hemmung von stressreaktiven und Jasmonat-ZIM-Domänen-Genen sowie die Regulierung von Zellwandmodifikationen während der Deakklimatisierung. Darüber hinaus zeigten Messungen der Alkoholdehydrogenase Aktivität und der Genexpressionsänderungen von Hypoxiemarkern während der ersten vier Tagen der Deakklimatisierung, dass eine Hypoxie-Reaktion während der Deakklimatisierung aktiviert wird. Es wurde gezeigt, dass die epigenetische Regulierung während der Kälteakklimatisierung und der 24-stündigen Deakklimatisierung in A. thaliana eine große Rolle spielt. Darüber hinaus zeigten beide Deakklimatisierungsstudien, dass die frühere Hypothese, dass Hitzestress eine Rolle bei der frühen Deakklimatisierung spielen könnte, unwahrscheinlich ist. Eine Reihe von DNA- und Histondemethylasen sowie Histonvarianten wurden während der Deakklimatisierung hochreguliert, was auf eine Rolle im pflanzlichen Gedächtnis schließen lässt. In jüngster Zeit haben mehrere Studien gezeigt, dass Pflanzen in der Lage sind, die Erinnerung an einen vorangegangenen Kältestress auch nach einer Woche Deakklimatisierung zu bewahren. In dieser Arbeit ergaben Transkriptom- und Metabolomanalysen von Arabidopsis während 24 Stunden Priming (Kälteakklimatisierung) und Triggering (wiederkehrender Kältestress nach Deakklimatisierung) eine unikale signifikante und vorübergehende Induktion der Transkriptionsfaktoren DREB1D, DREB1E und DREB1F während des Triggerings, die zur Feinabstimmung der zweiten Kältestressreaktion beiträgt. Darüber hinaus wurden Gene, die für Late Embryogenesis Abundant (LEA) und Frostschutzproteine kodieren, sowie Proteine, die reaktive Sauerstoffspezies entgiften, während des späten Triggerings (24 Stunden) stärker induziert als nach dem ersten Kälteimpuls, während Xyloglucan- Endotransglucosylase/Hydrolase Gene, deren Produkte für eine Restrukturierung der Zellwand verantwortlich sind, früh auf das Triggering reagierten. Die starke Induktion dieser Gene, sowohl bei der Deakklimatisierung als auch beim Triggering, lässt vermuten, dass sie eine wesentliche Rolle bei der Stabilisierung der Zellen während des Wachstums und bei der Reaktion auf wiederkehrende Stressbedingungen spielen. Zusammenfassend gibt diese Arbeit neue Einblicke in die Regulierung der Deakklimatisierung und des Kältestress-Gedächtnisses in A. thaliana und eröffnet neue Möglichkeiten für künftige, gezielte Studien von essentiellen Genen in diesem Prozess. N2 - Throughout their lifetime plants need to adapt to temperature changes. Plants adapt to nonfreezing cold temperatures in a process called cold priming (cold acclimation) and lose the acquired freezing tolerance during warmer temperatures through deacclimation. The alternation of both processes is essential for plants to achieve optimal fitness in response to different temperature conditions. Cold acclimation has been extensively studied, however, little is known about the regulation of deacclimation. This thesis elucidates the process of deacclimation on a physiological and molecular level in Arabidopsis thaliana. Electrolyte leakage measurements during cold acclimation and up to four days of deacclimation enabled the identification of four knockout mutants (hra1, lbd41, mbf1c and jub1) with a slower rate of deacclimation compared to the wild type. A transcriptomic study using RNA-Sequencing in A. thaliana Col-0, jub1 and mbf1c identified the importance of the inhibition of stress responsive and Jasmonate-ZIM-domain genes as well as the regulation of cell wall modifications during deacclimation. Moreover, measurements of alcohol dehydrogenase activity and gene expression changes of hypoxia markers during the first four days of deacclimation evidently showed that a hypoxia response is activated during deacclimation. Epigenetic regulation was observed to be extensively involved during cold acclimation and 24 h of deacclimation in A. thaliana. Further, both deacclimation studies showed that the previous hypothesis that heat stress might play a role in early deacclimation, is not likely. A number of DNA- and histone demethylases as well as histone variants were upregulated during deacclimation suggesting a role in plant memory. Recently, multiple studies have shown that plants are able to retain memory of a previous cold stress even after a week of deacclimation. In this work, transcriptomic and metabolomic analyses of Arabidopsis during 24 h of priming (cold acclimation) and triggering (recurring cold stress after deacclimation) revealed a uniquely significant and transient induction of DREB1D, DREB1E and DREB1F transcription factors during triggering contributing to fine-tuning of the second cold stress response. Furthermore, genes encoding Late Embryogenesis Abundant (LEA) and antifreeze proteins and proteins detoxifying reactive oxygen species were higher induced during late triggering (24 h) compared to primed samples, while cell wall remodelers of the class xyloglucan endotransglucosylase/hydrolase were early responders of triggering. The high induction of cell wall remodelers during deacclimation as well as triggering proposes that these proteins play an essential role in the stabilization of the cells during growth as well as the response to recurring stresses. Collectively this work gives new insights on the regulation of deacclimation and cold stress memory in A. thaliana and opens the door to future targeted studies of essential genes in this process. KW - cold stress KW - deacclimation KW - Arabidopsis thaliana KW - epigenetics KW - co-expression network analysis KW - WGCNA KW - RNA-sequencing KW - differential gene expression KW - hypoxia KW - transcription factors KW - Kältestress KW - Deakklimatisierung KW - Epigenetik KW - Koexpression Netzwerk Analysen KW - RNA-Sequenzierung KW - Differenzielle Genexpression KW - Hypoxie KW - Transkriptionsfaktoren Y1 - 2022 ER - TY - THES A1 - Steppert, Isabel T1 - Entwicklung einer nichtinvasiven Diagnostikmethode zum Nachweis von Infektionserregern T1 - Development of a non-invasive diagnostic method for the identification of infectious pathogens N2 - Die aktuelle COVID-19-Pandemie zeigt deutlich, wie sich Infektionskrankheiten weltweit verbreiten können. Neben Viruserkrankungen breiten sich auch multiresistente bakterielle Erreger weltweit aus. Dementsprechend besteht ein hoher Bedarf, durch frühzeitige Erkennung Erkrankte zu finden und Infektionswege zu unterbrechen. Herkömmliche kulturelle Verfahren benötigen minimalinvasive bzw. invasive Proben und dauern für Screeningmaßnahmen zu lange. Deshalb werden schnelle, nichtinvasive Verfahren benötigt. Im klassischen Griechenland verließen sich die Ärzte unter anderem auf ihren Geruchssinn, um Infektionen und andere Krankheiten zu differenzieren. Diese charakteristischen Gerüche sind flüchtige organische Substanzen (VOC), die im Rahmen des Metabolismus eines Organismus entstehen. Tiere, die einen besseren Geruchssinn haben, werden trainiert, bestimmte Krankheitserreger am Geruch zu unterscheiden. Allerdings ist der Einsatz von Tieren im klinischen Alltag nicht praktikabel. Es bietet sich an, auf technischem Weg diese VOCs zu analysieren. Ein technisches Verfahren, diese VOCs zu unterscheiden, ist die Ionenmobilitätsspektrometrie gekoppelt mit einer multikapillaren Gaschromatographiesäule (MCC-IMS). Hier zeigte sich, dass es sich bei dem Verfahren um eine schnelle, sensitive und verlässliche Methode handelt. Es ist bekannt, dass verschiedene Bakterien aufgrund des Metabolismus unterschiedliche VOCs und damit eigene spezifische Gerüche produzieren. Im ersten Schritt dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die verschiedenen Bakterien in-vitro nach einer kurzen Inkubationszeitzeit von 90 Minuten anhand der VOCs differenziert werden können. Hier konnte analog zur Diagnose in biochemischen Testreihen eine hierarchische Klassifikation der Bakterien erfolgen. Im Gegensatz zu Bakterien haben Viren keinen eigenen Stoffwechsel. Ob virusinfizierte Zellen andere VOCs als nicht-infizierte Zellen freisetzen, wurde an Zellkulturen überprüft. Hier konnte gezeigt werden, dass sich die Fingerprints der VOCs in Zellkulturen infizierter Zellen mit Respiratorischen Synzytial-Viren (RSV) von nicht-infizierten Zellen unterscheiden. Virusinfektionen im intakten Organismus unterscheiden sich von den Zellkulturen dadurch, dass hier neben Veränderungen im Zellstoffwechsel auch durch Abwehrmechanismen VOCs freigesetzt werden können. Zur Überprüfung, inwiefern sich Infektionen im intakten Organismus ebenfalls anhand VOCs unterscheiden lassen, wurde bei Patienten mit und ohne Nachweis einer Influenza A Infektion als auch bei Patienten mit Verdacht auf SARS-CoV-2 (Schweres-akutes-Atemwegssyndrom-Coronavirus Typ 2) Infektion die Atemluft untersucht. Sowohl Influenza-infizierte als auch SARS-CoV-2 infizierte Patienten konnten untereinander und von nicht-infizierten Patienten mittels MCC-IMS Analyse der Atemluft unterschieden werden. Zusammenfassend erbringt die MCC-IMS ermutigende Resultate in der schnellen nichtinvasiven Erkennung von Infektionen sowohl in vitro als auch in vivo. N2 - The current COVID-19 pandemic demonstrates the worldwide spread of infectious diseases. Besides virus infections there is also a worldwide dissemination of multiresistant bacterial strains. Therefore, there is an urgent need for rapid non-invasive screening methods. There is an unmet need to cut infection chains by early detection of infected subjects. Conventional cultural methods require minimally invasive or invasive samples and are not feasible for mass screening due to a long analysis time. In classical Greece, physicians also used their olfactory senses to differentiate infections from other diseases. These characteristic odors are volatile organic compounds (VOC) produced by the metabolism of an organism. Animals with a much better olfactory sense have been trained to detect different germs by their odors. However, the use of sniffing animals is not practicable in clinical settings. A technical detection of VOCs is therefore desirable. One technical approach for the differentiation of VOCs is ion mobility spectrometry coupled with a multicapillary gas chromatography (MCC-IMS). It could be shown that this method is a rapid, sensitive, and reliable method. It is known that various bacteria produce VOCs by their metabolism and therefore different specific smells. By the MCC-IMS method, different bacterial species could be distinguished based on the VOCs after an incubation time as short as 90 minutes in vitro. Comparable to biochemical series of tests a decision tree for the classification of bacteria could be implemented. In contrast to bacteria viruses have no own metabolism and thus are dependent on the host metabolism. Cell cultures were used to determine whether virus-infected cells release other VOCs than non-infected cells. It could be shown here that cell cultures infected with respiratory syncytial virus (RSV) differ from non-infected cell cultures in VOC profiles. Unlike in cell cultures, in the intact organism changes in VOC profiles are not only dependent on cell metabolism alterations but also in defense mechanisms. To investigate infection induced VOC changes in intact organisms, nasal breath of patients with and without influenza A infection as well as of patients with suspected SARS-CoV-2 (severe acute respiratory syndrome coronavirus type 2) infection were analyzed. It was proven that a breath analysis using a MCC-IMS is able to distinguish infected patients from non-infected as well as SARS-CoV-2 from influenza A infections. In summary, MCC-IMS delivers encouraging results in the rapid, non-invasive detection of infections in vitro as well as in vivo. KW - volatile organische Substanzen (VOCs) KW - Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS) KW - nichtinvasive Diagnostik KW - bakterielle Infektionen KW - virale Infektionen KW - volatile organic compounds (VOCs) KW - ion mobility spectrometry (IMS) KW - non-invasive Diagnostics KW - bacterial infections KW - viral infections Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-575441 ER - TY - THES A1 - Ramm, Timo T1 - Entwicklung von Multiplex-Methoden zur Antikörper-Charakterisierung und Validierung N2 - Antikörper werden in verschiedensten Bereichen, sowohl zu therapeutischen als auch zu diagnostischen und forschungsorientierten Zwecken verwendet. Vor der Verwendung des Antikörpers bedarf es der Charakterisierung seiner Eigenschaften, in Bezug auf sein Epitop und sein Bindeverhalten gegenüber dem Paratop. Gleichzeitig muss, in Abhängigkeit des Einsatzes, der Antikörper, für den gewünschten Gebrauch, validiert werden. Zu diesem Zweck wurden in der vorliegenden Arbeit Bead-basierte, multiplexe Testsysteme entworfen, ausgetestet und etabliert mit dem Ziel, eine einfache Screeningmethode zu entwickeln, um eine hohe Anzahl an Proben beziehungsweise Analyten gleichzeitig bestimmen zu können. Dafür wurden drei verschiedene Herangehensweisen etabliert. So wurden ein phospho-PKA-Substrat Antikörper, welcher phosphorylierte Bindemotive der PKA der Form RRxpS erkennt, gleichzeitig mit einer Reihe an Peptide getestet, welche Punktmutationen im Vergleich zur Konsensussequenz enthielten, um den Einfluss einzelner Aminosäuren auf die Bindung des Antikörpers zu untersuchen. Es konnte im Multiplex gezeigt werden, dass die Unterschiede im Antikörperbindungsverhalten in Abhängigkeit der Aminosäure an verschiedenen P-Positionen detektierbar waren. Mit dem Bead-basierten Multiplexansatz konnten, durch Messungen von Konzentrationsreihen des Antikörpers, Bindungskinetiken aufgenommen und diese mit bereits etablierten Methoden verglichen werden. Des Weiteren wurden verschiedene Antikörper, welche essenzielle Bestandteile von Bead-basierten Testsystemen darstellten, validiert. Es wurden dabei verschiedene Antikörper, welche spezifisch THC und CBD erkennen ausgetestet und anschließend ein kompetitiver Assay zur Detektion von THC und CBD in humanem Serum etabliert, und die Nachweisgrenzen bestimmt. Ferner sollten Pferdeseren von Tieren, welche am Sommerekzem leiden, auf ihren IgE-Gehalt hin bestimmt werden. Dafür wurden relevante Proteine rekombinant hergestellt und durch Immobilisierung an Beads im Multiplex mit Serum inkubiert. Die spezifische Bindung des IgE an die Allergen sollte damit messbar gemacht werden können. Für die Gesamtvalidierung des Testsystems wurden zuvor sämtliche Einzelschritte einzeln validiert, um im Anschluss im multiplexen Screening zu vermessen. Die Nutzung von Bead-basierten Multiplexmessungen als eine Plattformtechnologie erleichtert die Charakterisierung von Antikörpern sowie ihre Validierung für verschiedene Testsysteme. N2 - Antibodies are widely used in different fields, which include therapeutic as well as diagnostic and research applications Before the antibody can be used, its properties must be characterized with regard to its epitope and its binding behavior to the paratope. At the same time, depending on the application, the antibody must be validated for its desired use. For this purpose, bead-based multiplex assay systems were designed, tested, and established with the aim of developing a simple screening method to simultaneously measure a high number of samples or analytes. Thus, a phospho-PKA-substrate antibody, which recognizes phosphorylated binding motifs of PKA with the RRxpS motif, was tested. A series of peptides containing point mutations as compared to consensus sequences were used to investigate the influence of individual amino acids on the binding of the antibody. In a multiplex approach it was shown that the differences in the antibody binding behavior were detectable at different P-positions depending on the amino acid. Furthermore, it was possible to measure binding kinetics by the bead-based multiplex approach using dilution series of the antibody, and to compare these with already established methods. In addition to that, different antibodies, which were applied as essential components of bead-based biosensor systems, were validated. On the one hand, different antibodies specifically recognizing THC and CBD were tested and subsequently a competitive assay for the detection of THC and CBD in human serum was established. The detection limits could be determined. On the other hand, the IgG level in horse sera from animals suffering from sweet itch were determined. For this purpose, relevant proteins were recombinantly expressed, immobilized on beads and incubated with serum in a multiplex approach. The specific binding of IgE to the allergen was measurable. For the overall validation of the test system, all individual steps were partially validated beforehand to allow for a measurement in the multiplex screening system. Thus, using the advantages of bead-based multiplex measurements, a platform for the characterization of antibodies as well as their validation in different test systems was demonstrated. KW - Antikörper KW - Multiplex KW - THC KW - Proteinkinase A KW - Sommerekzem KW - CBD KW - Bead KW - Antikörpercharakterisierung KW - Antikörpervalidierung KW - antibody KW - antibody characterization KW - antibody validation KW - THC KW - CBD KW - Proteinkinase A KW - summer eczema Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-561531 ER - TY - THES A1 - Kahl, Sandra T1 - Evolutionary adaptive responses to rapid climate change in plants T1 - Evolutionäre Anpassungsstrategien von Pflanzen an den Klimawandel BT - a case study of the widely distributed species Silene vulgaris BT - ein Fallbeispiel der weit verbreiteten Art Silene vulgaris N2 - The ongoing climate change is altering the living conditions for many organisms on this planet at an unprecedented pace. Hence, it is crucial for the survival of species to adapt to these changing conditions. In this dissertation Silene vulgaris is used as a model organism to understand the adaption strategies of widely distributed plant species to the current climate change. Especially plant species that possess a wide geographic range are expected to have a high phenotypic plasticity or to show genetic differentiation in response to the different climate conditions they grow in. However, they are often underrepresented in research. In the greenhouse experiment presented in this thesis, I examined the phenotypic responses and plasticity in S. vulgaris to estimate its’ adaptation potential. Seeds from 25 wild European populations were collected along a latitudinal gradient and grown in a greenhouse under three different precipitation (65 mm, 75 mm, 90 mm) and two different temperature regimes (18°C, 21°C) that resembled a possible climate change scenario for central Europe. Afterwards different biomass and fecundity-related plant traits were measured. The treatments significantly influenced the plants but did not reveal a latitudinal difference in response to climate treatments for most plant traits. The number of flowers per individual however, showed a stronger plasticity in northern European populations (e.g., Swedish populations) where numbers decreased more drastically with increased temperature and decreased precipitation. To gain an even deeper understanding of the adaptation of S. vulgaris to climate change it is also important to reveal the underlying phylogeny of the sampled populations. Therefore, I analysed their population genetic structure through whole genome sequencing via ddRAD. The sequencing revealed three major genetic clusters in the S. vulgaris populations sampled in Europe: one cluster comprised Southern European populations, one cluster Western European populations and another cluster contained central European populations. A following analysis of experimental trait responses among the clusters to the climate-change scenario showed that the genetic clusters significantly differed in biomass-related traits and in the days to flowering. However, half of the traits showed parallel response patterns to the experimental climate-change scenario. In addition to the potential geographic and genetic adaptation differences to climate change this dissertation also deals with the response differences between the sexes in S. vulgaris. As a gynodioecious species populations of S. vulgaris consist of female and hermaphrodite individuals and the sexes can differ in their morphological traits which is known as sexual dimorphism. As climate change is becoming an important factor influencing plant morphology it remains unclear if and how different sexes may respond in sexually dimorphic species. To examine this question the sex of each individual plant was determined during the greenhouse experiment and the measured plant traits were analysed accordingly. In general, hermaphrodites had a higher number of flowers but a lower number of leaves than females. With regards to the climate change treatment, I found that hermaphrodites showed a milder negative response to higher temperatures in the number of flowers produced and in specific leaf area (SLA) compared to females. Synthesis – The significant treatment response in Silene vulgaris, independent of population origin in most traits suggests a high degree of universal phenotypic plasticity. Also, the three European intraspecific genetic lineages detected showed comparable parallel response patterns in half of the traits suggesting considerable phenotypic plasticity. Hence, plasticity might represent a possible adaptation strategy of this widely distributed species during ongoing and future climatic changes. The results on sexual dimorphism show that females and hermaphrodites are differing mainly in their number of flowers and females are affected more strongly by the experimental climate-change scenario. These results provide a solid knowledge basis on the sexual dimorphism in S. vulgaris under climate change, but further research is needed to determine the long-term impact on the breeding system for the species. In summary this dissertation provides a comprehensive insight into the adaptation mechanisms and consequences of a widely distributed and gynodioecious plant species and leverages our understanding of the impact of anthropogenic climate change on plants. N2 - Der derzeitige Klimawandel verändert die Lebensbedingungen für viele Tiere und Pflanzen auf unserem Planeten in nie da gewesenem Maße. Damit Arten überleben, ist es von besonderer Wichtigkeit, dass sich diese an die sich ändernden Klimabedingungen anpassen können. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Modellpflanze Silene vulgaris und versucht zu ergründen, wie sich solch weit verbreitete Pflanzenarten an den Klimawandel anpassen. Dabei ist zu erwarten, dass sie eine hohe phänotypische Plastizität besitzen, durch die sie sich gut anpassen können oder, dass sie sich durch eine genetische Differenzierung als Antwort auf die vorherrschenden Umweltbedingungen auszeichnen. Im experimentellen Ansatz dieser Dissertation untersuchte ich daher die phänotypischen Anpassungen und die phänotypische Plastizität von S. vulgaris an ein mögliches Klimawandelszenario für Zentraleuropa. Dabei wurden die Samen von 25 europäischen Populationen gesammelt und in einem Gewächshausexperiment unter drei verschiedenen Niederschlagsbedingungen (65 mm, 75 mm, 90 mm) und zwei verschiedenen Temperaturbedingungen (18°C, 21°C) herangezogen. Im Anschluss wurden verschiedene Biomasse- und Fertilitätsmerkmale gemessen. Für ein tiefergehendes Verständnis der Anpassungsmöglichkeiten von S. vulgaris an den Klimawandel ist es zudem wichtig, auch die zugrundeliegende Phylogenie der Populationen zu verstehen. In diesem Zusammenhang nutzte ich eine genomweite Sequenziermethode mittels ddRAD. Die Bedingungen im Gewächshausexperiment beeinflussten die Pflanzen signifikant in ihren phänotypischen Merkmalen, jedoch ließ sich kein Unterschied zwischen Population unterschiedlicher Herkunft erkennen. Lediglich die Anzahl der Blüten zeigte eine größere Plastizität in nördlichen europäischen Populationen, wo sich die Blütenzahl stärker dezimierte unter höheren Temperaturen und stärkerer Trockenheit. Die populationsgenetische Analyse ergab drei distinkte phylogenetische Gruppen für die untersuchten europäischen Populationen von S. vulgaris: eine Gruppe beinhaltete südeuropäische Populationen aus Spanien und Südfrankreich, eine weitere Gruppe bestand aus den gesammelten Individuen der westfranzösischen Populationen, während die dritte Gruppe, die Populationen aus Mittel- und Nordeuropa enthielt. Diese genetischen Gruppen wurden anschließend ebenfalls der Merkmalsanalyse unter den Gewächshausbedingungen unterzogen. Dabei stellte sich heraus, dass sich die genetischen Gruppen in ihren phänotypischen Merkmalen unterschieden, jedoch eine ähnliche Anpassung ihrer Merkmale an die experimentellen Klimawandelbedingungen zeigten. Der dritte Aspekt dieser Dissertation befasste sich mit möglichen Anpassungsunterschieden zwischen den Geschlechtern in S. vulgaris. Als gynodiözische Art bestehen ihre Populationen sowohl aus weiblichen, also auch aus zwittrigen Individuen. Die phänotypischen Merkmale beider Geschlechter können sich dabei unterscheiden, was man als Sexualdimorphismus bezeichnet. Es ist bereits bekannt, dass sich Pflanzenmerkmale durch den anhaltenden Klimawandel bereits verändern, jedoch ist es nicht gut erforscht, ob und wie sich die unterschiedlichen Geschlechter bei einer sexuell dimorphen Art unter diesem Selektionsdruck verhalten. Während des Gewächshausexperiments wurden daher die Geschlechter der Individuen bestimmt und die phänotypischen Unterschiede zwischen weiblichen und zwittrigen Pflanzen analysiert. Allgemein lässt sich sagen, dass zwittrige Individuen mehr Blüten aber weniger Blätter hatten als weibliche. Im Hinblick auf die experimentellen Klimawandelbedingungen konnte ich zudem feststellen, dass Hermaphroditen in ihrer spezifischen Blattfläche und der Blütenanzahl weniger stark negativ auf höhere Temperaturen reagierten. Synthese – Die signifikanten Merkmalsanpassungen an die Gewächshausbedingungen waren unabhängig von der geographischen Herkunft oder genetischen Gruppe der Individuen. Dies lässt ein hohes Maß an universeller, phänotypischer Plastizität vermuten. Dementsprechend kann davon ausgegangen werden, dass phänotypische Plastizität ein möglicher Anpassungsmechanismus für diese weit verbreitete Art an den Klimawandel sein könnte. Im Hinblick auf den Sexualdimorphismus in S. vulgaris lässt sich sagen, dass sich beide Geschlechter vornehmlich in der Anzahl der Blüten unterscheiden und dass weibliche Pflanzen stärker von den Bedingungen des Gewächshausexperiments beeinflusst wurden. Diese Dissertation konnte damit erstmals darüber Aufschluss geben, wie sich S. vulgaris im Hinblick auf ihren Sexualdimorphismus unter Klimawandelbedingungen verhält. Weitere Forschung wird nun benötigt, um auch den Langzeiteffekt des Klimawandels auf das Fortpflanzungssystem dieser Art abschätzen zu können. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorliegende Arbeit einen umfassenden Einblick in die Anpassungsmechanismen einer weit verbreiteten Pflanzenart an den anthropogenen Klimawandel gibt. Zudem bestärkt sie unser Verständnis der Auswirkungen, die sich daraus für eine gynodiözische Art, wie S. vulgaris ergeben. KW - Silene vulgaris KW - climate change KW - plant adaptation KW - Silene vulgaris KW - Klimawandel KW - Pflanzenanpassung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-556483 ER - TY - THES A1 - Tegtmeier, Laura T1 - Functional analysis of ENTH domain proteins T1 - Funktionelle Analyse der ENTH Proteinen N2 - In plant cells, subcellular transport of cargo proteins relies to a large extent on post-Golgi transport pathways, many of which are mediated by clathrin-coated vesicles (CCVs). Vesicle formation is facilitated by different factors like accessory proteins and adaptor protein complexes (APs), the latter serving as a bridge between cargo proteins and the coat protein clathrin. One type of accessory proteins is defined by a conserved EPSIN N-TERMINAL HOMOLOGY (ENTH) domain and interacts with APs and clathrin via motifs in the C-terminal part. In Arabidopsis thaliana, there are three closely related ENTH domain proteins (EPSIN1, 2 and 3) and one highly conserved but phylogenetically distant outlier, termed MODIFIED TRANSPORT TO THE VACUOLE1 (MTV1). In case of the trans-Golgi network (TGN) located MTV1, clathrin association and a role in vacuolar transport have been shown previously (Sauer et al. 2013). In contrast, for EPSIN1 and EPSIN2 limited functional and localization data were available; and EPSIN3 remained completely uncharacterized prior to this study (Song et al. 2006; Lee et al. 2007). The molecular details of ENTH domain proteins in plants are still unknown. In order to systematically characterize all four ENTH proteins in planta, we first investigated expression and subcellular localization by analysis of stable reporter lines under their endogenous promotors. Although all four genes are ubiquitously expressed, their subcellular distribution differs markedly. EPSIN1 and MTV1 are located at the TGN, whereas EPSIN2 and EPSIN3 are associated with the plasma membrane (PM) and the cell plate. To examine potential functional redundancy, we isolated knockout T-DNA mutant lines and created all higher order mutant combinations. The clearest evidence for functional redundancy was observed in the epsin1 mtv1 double mutant, which is a dwarf displaying overall growth reduction. These findings are in line with the TGN localization of both MTV1 and EPS1. In contrast, loss of EPSIN2 and EPSIN3 does not result in a growth phenotype compared to wild type, however, a triple knockout of EPSIN1, EPSIN2 and EPSIN3 shows partially sterile plants. We focused mainly on the epsin1 mtv1 double mutant and addressed the functional role of these two genes in clathrin-mediated vesicle transport by comprehensive molecular, biochemical, and genetic analyses. Our results demonstrate that EPSIN1 and MTV1 promote vacuolar transport and secretion of a subset of cargo. However, they do not seem to be involved in endocytosis and recycling. Importantly, employing high-resolution imaging, genetic and biochemical experiments probing the relationship of the AP complexes, we found that EPSIN1/AP1 and MTV1/AP4 define two spatially and molecularly distinct subdomains of the TGN. The AP4 complex is essential for MTV1 recruitment to the TGN, whereas EPSIN1 is independent of AP4 but presumably acts in an AP1-dependent framework. Our findings suggest that this ENTH/AP pairing preference is conserved between animals and plants. N2 - In pflanzlichen Zellen hängt der Transport von Proteinen von vielen dem Golgi-Apparat nachfolgenden Transportwegen ab, welche zum Großteil durch Clathrin-bedeckte Vesikel (CCV) vermittelt werden. Die Vesikelbildung wird durch verschiedene Helferproteine und Adapterproteinkomplexe (AP) ermöglicht. Letztere dienen als Brücke zwischen den Transportproteinen und dem Hüllprotein Clathrin. Eine Gruppe von Hilfsproteinen interagiert mit APs und Clathrin mittels des C-Terminus und ist durch eine konservierte EPSIN N-TERMINAL HOMOLOGY (ENTH)-Domäne definiert. In Arabidopsis thaliana wurden drei eng verwandte ENTH-Domänenproteine (EPSIN1, 2 und 3) sowie ein stark konservierter phylogenetischer Außenseiter MODIFIED TRANSPORT TO THE VACUOLE1 (MTV1), gefunden. Im Falle des im trans-Golgi Netzwerk (TGN) lokalisierten MTV1 wurde die Assoziation mit Clathrin und eine Rolle im vakuolären Transport nachgewiesen (Sauer et al. 2013). Im Vergleich dazu gab es für EPSIN1 und EPSIN2 nur limitierte Daten und EPSIN3 war bisher unerforscht (Song et al. 2006; Lee et al. 2007). Die Funktionen der ENTH-Domänenproteine in Pflanzen blieben unklar. Um die vier ENTH-Proteine in planta zu charakterisieren, untersuchten wir zunächst deren Expression sowie subzelluläre Lokalisation anhand stabiler Reporterlinien, welche Fusionsproteine vom jeweils endogenen Promotor exprimierten. Obwohl unsere Ergebnisse zeigten, dass alle ENTH-Domänenproteine ubiquitär exprimiert wurden, war die subzelluläre Verteilung deutlich unterschiedlich. EPSIN1 und MTV1 lokalisierten am TGN, während EPSIN2 und EPSIN3 in der Nähe der Plasmamembran (PM) und der Zellplatte zu finden waren. Um eine mögliche funktionelle Redundanz zu untersuchen, nutzten wir komplette Funktionsverlust-Mutanten und erzeugten daraus Mutanten höherer Ordnung. Deutliche Hinweise auf funktionelle Redundanz ergab die epsin1 mtv1-Doppelmutante, die eine starke Wachstumsreduktion aufwies, was zur Lokalisierung beider Proteine am TGN passte. Im Gegensatz dazu verursachte der Verlust von EPSIN2 und EPSIN3 keinen vom Wildtyp abweichenden Phänotyp, jedoch zeigte die epsin1 epsin2 epsin3-Dreifachmutante partielle Sterilität. Wir fokussierten uns daher hauptsächlich auf epsin1 mtv1 und untersuchten die funktionelle Rolle im Clathrin-vermittelten Vesikeltransport durch vergleichende molekulare, biochemische und genetische Analysen. EPSIN1 und MTV1 unterstützten den vakuolären und sekretorischen Transport, waren aber nicht an Endozytose oder Recycling beteiligt. Durch hochauflösende Mikroskopie, genetische und biochemische Analysen der Beziehung zwischen verschiedenen AP-Komplexen und EPSIN1/MTV1 konnten wir zeigen, dass EPSIN1/AP1 und MTV1/AP4 zwei räumlich und molekular distinkte Subdomänen des TGNs definierten. AP4 war essenziell für die MTV1- jedoch nicht die EPSIN1-Rekrutierung zum TGN und EPSIN1 assoziierte bevorzugt mit AP1. Ähnliche Beobachtungen an EPSIN1- und MTV1-Homologen in tierischen Zellen legen eine evolutionär konservierte Paarung von AP-Komplexen und ENTH-Proteinen nahe. KW - vesicle transport KW - trans-Golgi network KW - trans-Golgi Netzwerk KW - clathrin-coated vesicles KW - Clathrin-bedeckte Vesikel KW - ENTH domain proteins KW - ENTH-Domänenproteine Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-570049 ER - TY - THES A1 - Shen, Yawen T1 - Functional characterization of the gene regulatory network of C2H2-type zine finger protein ZAT8 in Arabidopsis thaliana Y1 - 2022 ER - TY - THES A1 - Kath, Nadja Jeanette T1 - Functional traits determine biomass dynamics, coexistence and energetics in plankton food webs N2 - Plankton food webs are the basis of marine and limnetic ecosystems. Especially aquatic ecosystems of high biodiversity provide important ecosystem services for humankind as providers of food, coastal protection, climate regulation, and tourism. Understanding the dynamics of biomass and coexistence in these food webs is a first step to understanding the ecosystems. It also lays the foundation for the development of management strategies for the maintenance of the marine and freshwater biodiversity despite anthropogenic influences. Natural food webs are highly complex, and thus often equally complex methods are needed to analyse and understand them well. Models can help to do so as they depict simplified parts of reality. In the attempt to get a broader understanding of the complex food webs, diverse methods are used to investigate different questions. In my first project, we compared the energetics of a food chain in two versions of an allometric trophic network model. In particular, we solved the problem of unrealistically high trophic transfer efficiencies (up to 70%) by accounting for both basal respiration and activity respiration, which decreased the trophic transfer efficiency to realistic values of ≤30%. Next in my second project I turned to plankton food webs and especially phytoplankton traits. Investigating a long-term data set from Lake Constance we found evidence for a trade-off between defence and growth rate in this natural phytoplankton community. I continued working with this data set in my third project focusing on ciliates, the main grazer of phytoplankton in spring. Boosted regression trees revealed that temperature and predators have the highest influence on net growth rates of ciliates. We finally investigated in my fourth project a food web model inspired by ciliates to explore the coexistence of plastic competitors and to study the new concept of maladaptive switching, which revealed some drawbacks of plasticity: faster adaptation led to higher maladaptive switching towards undefended phenotypes which reduced autotroph biomass and coexistence and increased consumer biomass. It became obvious that even well-established models should be critically questioned as it is important not to forget reality on the way to a simplistic model. The results showed furthermore that long-term data sets are necessary as they can help to disentangle complex natural processes. Last, one should keep in mind that the interplay between models and experiments/ field data can deliver fruitful insights about our complex world. N2 - Plankton-Nahrungsnetze sind die Grundlage mariner und limnischer Ökosysteme. Besonders die aquatischen Ökosysteme mit hoher Biodiversität erbringen wichtige Ökosystemdienstleistungen für uns Menschen wie beispielsweise die Bereitstellung von Nahrung, Küstenschutz, Klimaregulation sowie Tourismus. Die Dynamiken und die Koexistenz der Arten in diesen Ökosystemen zu verstehen, ist ein erster Schritt für die Entwicklung von Möglichkeiten zum Schutz ihrer Biodiversität. Aufgrund der hohen Komplexität natürlicher Nahrungsnetze braucht es oft ebenso komplexe Methoden um sie zu analysieren und zu verstehen. Modelle können dabei unterstützen, da sie Teile der Realität vereinfacht abbilden. In meiner Dissertation arbeitete ich mit verschiedenen Nahrungsnetzmodellen, um die Dynamiken in Nahrungsnetzen zu verstehen. In meinem ersten Projekt haben wir die Energieflüsse einer Nahrungskette in zwei Versionen eines allometrisch skalierten Nahrungsnetzmodells untersucht. Wenn nur die klassische basale Respiration einbezogen wird, steigt die trophische Transfereffizienz auf bis zu unrealistische 70 %. Durch die Einbeziehung der aktivitätsbezogenen Respiration sank die trophische Transfereffizienz auf realistische Werte von maximal 30 %. Danach wandte ich mich in meinem zweiten Projekt Plankton-Nahrungsnetzen und den Eigenschaften des Phytoplanktons zu. Bei der Untersuchung eines Langzeitdatensatzes von 21 Jahren aus dem Bodensee fanden wir einen Beweis für einen Trade-off zwischen Verteidigung und Wachstumsrate in einer natürlichen Phytoplankton-gemeinschaft. In diesem Datensatz konzentrierte ich mich anschließend in meinem dritten Projket auf Ciliaten, welche die wichtigsten Fraßfeinde von Phytoplankton im Frühjahr darstellen. Die Methode der boosted regression trees zeigte, dass Temperatur und Räuber den größten Einfluss auf die Nettowachstumsraten der Ciliaten haben. Schließlich nutzten wir in meinem vierten Projekt ein von Ciliaten inspiriertes Nahrungsnetzmodell, um die Koexistenz von Konkurrenten mit veränderlichen Eigenschaften und das neue Konzept des maladaptive switching zu untersuchen, welches Nachteile der Plastizität zeigt: höhere Wechselraten zwischen den Phänotypen führten zu höherem maladaptive switching in Richtung der unverteidigten Phänotypen, was die Biomasse und Koexistenz der Autotrophen reduziert und die Biomasse des Konsumenten erhöht. Es wurde offensichtlich, dass auch etablierte Modelle kritisch hinterfragt werden müssen, da es wichtig ist, die Realität auf dem Weg zu einem einfachen Modell nicht zu vergessen. Meine Ergebnisse zeigten des Weiteren, wie wichtig Langzeitdatensätze sind, da sie helfen können, komplexe natürliche Prozesse zu beleuchten. Dieses Wechselspiel zwischen Modellen und Daten aus Experimenten oder Felduntersuchungen kann fruchtbare Ergebnisse liefern und zu einem größeren Verständnis unserer komplexen Welt beitragen. KW - functional traits KW - plankton food web KW - coexistence KW - modelling KW - Modellierung KW - Planktonnahrungsnetz KW - Koexistenz Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-551239 ER - TY - THES A1 - Pan, Yufeng T1 - Genetic and molecular analysis of heat stress induced transcriptional memory T1 - Genetische und molekulare Analyse des durch Hitzestress ausgelösten transkriptionellen Gedächtnisses N2 - Heat stress (HS) is one of the most common abiotic stresses, frequently affecting plant growth and crop production. With its fluctuating nature, HS episodes are frequently interspersed by stress-free intervals. Plants can be primed by HS, allowing them to survive better a recurrent stress episode. A memory of this priming can be maintained during stress-free intervals and this memory is closely correlated with transcriptional memory at several HS-inducible loci. This transcriptional memory is evident from hyper-induction of a locus upon a recurrent HS. ASCORBATE PEROXIDASE 2 (APX2) shows such hyper-induction upon recurring HS, however, the molecular basis of this transcriptional memory is not understood. Previous research showed that the HSinduced transcriptional memory at APX2 can last for up to seven days, and that it is controlled by cis-regulatory elements within the APX2 promoter. To identify regulators involved in HS transcriptional memory, an unbiased forward genetic screening using EMS mutated seeds of pAPX2::LUC was performed from this screen. Two EMS mutants with affected transcriptional memory of LUC were identified. I confirmed that both two EMS mutants resulted from the gene mutations of HISTONE ACETYLTRANSFERASE 1 (HAC1). Besides pAPX2::LUC, the HS-induced transcription of other HS memory genes were also affected in hac1 mutants. Moreover, HAC1 may promote HS transcriptional memory by acetylating promoters of HS memory genes. On the other hand, to identify cis-regulatory elements that are required for transcriptional memory of APX2, I performed promoter analysis of the four conserved HSEs identified within a functional APX2 promoter. I found out that one of the HSEs (HSE1) is necessary for both HS-induced APX2 transcription and transcriptional memory, while another one of HSEs (HSE2) is important for HS-induced APX2 transcriptional memory. I also found out that the HSE1 itself (with 10 bp of flanking sequence) is sufficient to confer HS-induced APX2 transcriptional memory, and HSE1 is also necessary for HSFA2 to bind on APX2 promoter and activate APX2 transcription. The findings will provide important clues for the molecular mechanism of transcriptional memory and will enable engineering of enhanced stress tolerance in crops. N2 - Hitzestress (HS) ist einer der häufigsten abiotischen Stressfaktoren, der das Pflanzenwachstum und die Pflanzenproduktion häufig beeinträchtigt. Aufgrund seiner fluktuierenden Natur werden HS-Episoden häufig von stressfreien Intervallen unterbrochen. Pflanzen können durch HS vorbereitet werden, so dass sie eine wiederkehrende Stresssituation besser überstehen. Die Erinnerung an dieses Priming kann während stressfreier Intervalle aufrechterhalten werden, und diese Erinnerung ist eng mit der transkriptionellen Erinnerung an mehreren HS-induzierbaren Loci verbunden. Dieses transkriptionelle Gedächtnis zeigt sich in der Hyperinduktion eines Locus nach einem wiederholten HS. ASCORBATE PEROXIDASE 2 (APX2) zeigt eine solche Hyperinduktion bei wiederkehrendem HS, die molekulare Grundlage dieses Transkriptionsgedächtnisses ist jedoch nicht bekannt. Frühere Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass das HS-induzierte Transkriptionsgedächtnis bei APX2 bis zu sieben Tage andauern kann und dass es durch cis-regulatorische Elemente innerhalb des APX2-Promotors gesteuert wird. Zur Identifizierung von Regulatoren, die am HS-Transkriptionsgedächtnis beteiligt sind, wurde ein unvoreingenommenes genetisches Vorwärtsscreening unter Verwendung von EMS-mutiertem Saatgut von pAPX2::LUC aus diesem Screening durchgeführt. Es wurden zwei EMS-Mutanten mit beeinträchtigtem Transkriptionsgedächtnis von LUC identifiziert. Ich bestätigte, dass beide EMS-Mutanten aus Genmutationen der HISTONE ACETYLTRANSFERASE 1 (HAC1) resultierten. Neben pAPX2::LUC war in den HAC1-Mutanten auch die HS-induzierte Transkription anderer HS-Gedächtnisgene beeinträchtigt. Darüber hinaus könnte HAC1 das HS-Transkriptionsgedächtnis durch Acetylierung der Promotoren von HS-Gedächtnisgenen fördern. Um andererseits cis-regulatorische Elemente zu identifizieren, die für das transkriptionelle Gedächtnis von APX2 erforderlich sind, habe ich eine Promotoranalyse der vier konservierten HSEs durchgeführt, die innerhalb eines funktionellen APX2-Promotors identifiziert wurden. Ich fand heraus, dass eine der HSEs (HSE1) sowohl für die HS-induzierte APX2-Transkription als auch für das Transkriptionsgedächtnis erforderlich ist, während eine andere HSE (HSE2) für das HS-induzierte APX2-Transkriptionsgedächtnis wichtig ist. Ich habe auch herausgefunden, dass das HSE1 selbst (mit 10 bp flankierender Sequenz) ausreicht, um HS-induziertes APX2-Transkriptionsgedächtnis zu verleihen, und dass HSE1 auch notwendig ist, damit HSFA2 an den APX2-Promotor binden und die APX2-Transkription aktivieren kann. Die Ergebnisse werden wichtige Hinweise auf den molekularen Mechanismus des Transkriptionsgedächtnisses liefern und die Entwicklung einer verbesserten Stresstoleranz bei Nutzpflanzen ermöglichen. KW - HS transcriptional memory KW - APX2 KW - HSFA2 KW - HAC1 KW - H3K9ac KW - HSE KW - HS-Transkriptionsgedächtnis KW - APX2 KW - HSFA2 KW - HAC1 KW - H3K9ac KW - HSE Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-560119 ER - TY - THES A1 - Ziege, Ricardo T1 - Growth dynamics and mechanical properties of E. coli biofilms T1 - Wachstumsdynamik und mechanische Eigenschaften von E. coli Biofilmen N2 - Biofilms are complex living materials that form as bacteria get embedded in a matrix of self-produced protein and polysaccharide fibres. The formation of a network of extracellular biopolymer fibres contributes to the cohesion of the biofilm by promoting cell-cell attachment and by mediating biofilm-substrate interactions. This sessile mode of bacteria growth has been well studied by microbiologists to prevent the detrimental effects of biofilms in medical and industrial settings. Indeed, biofilms are associated with increased antibiotic resistance in bacterial infections, and they can also cause clogging of pipelines or promote bio-corrosion. However, biofilms also gained interest from biophysics due to their ability to form complex morphological patterns during growth. Recently, the emerging field of engineered living materials investigates biofilm mechanical properties at multiple length scales and leverages the tools of synthetic biology to tune the functions of their constitutive biopolymers. This doctoral thesis aims at clarifying how the morphogenesis of Escherichia coli (E. coli) biofilms is influenced by their growth dynamics and mechanical properties. To address this question, I used methods from cell mechanics and materials science. I first studied how biological activity in biofilms gives rise to non-uniform growth patterns. In a second study, I investigated how E. coli biofilm morphogenesis and its mechanical properties adapt to an environmental stimulus, namely the water content of their substrate. Finally, I estimated how the mechanical properties of E. coli biofilms are altered when the bacteria express different extracellular biopolymers. On nutritive hydrogels, micron-sized E. coli cells can build centimetre-large biofilms. During this process, bacterial proliferation and matrix production introduce mechanical stresses in the biofilm, which release through the formation of macroscopic wrinkles and delaminated buckles. To relate these biological and mechanical phenomena, I used time-lapse fluorescence imaging to track cell and matrix surface densities through the early and late stages of E. coli biofilm growth. Colocalization of high cell and matrix densities at the periphery precede the onset of mechanical instabilities at this annular region. Early growth is detected at this outer annulus, which was analysed by adding fluorescent microspheres to the bacterial inoculum. But only when high rates of matrix production are present in the biofilm centre, does overall biofilm spreading initiate along the solid-air interface. By tracking larger fluorescent particles for a long time, I could distinguish several kinematic stages of E. coli biofilm expansion and observed a transition from non-linear to linear velocity profiles, which precedes the emergence of wrinkles at the biofilm periphery. Decomposing particle velocities to their radial and circumferential components revealed a last kinematic stage, where biofilm movement is mostly directed towards the radial delaminated buckles, which verticalize. The resulting compressive strains computed in these regions were observed to substantially deform the underlying agar substrates. The co-localization of higher cell and matrix densities towards an annular region and the succession of several kinematic stages are thus expected to promote the emergence of mechanical instabilities at the biofilm periphery. These experimental findings are predicted to advance future modelling approaches of biofilm morphogenesis. E. coli biofilm morphogenesis is further anticipated to depend on external stimuli from the environment. To clarify how the water could be used to tune biofilm material properties, we quantified E. coli biofilm growth, wrinkling dynamics and rigidity as a function of the water content of the nutritive substrates. Time-lapse microscopy and computational image analysis revealed that substrates with high water content promote biofilm spreading kinetics, while substrates with low water content promote biofilm wrinkling. The wrinkles observed on biofilm cross-sections appeared more bent on substrates with high water content, while they tended to be more vertical on substrates with low water content. Both wet and dry biomass, accumulated over 4 days of culture, were larger in biofilms cultured on substrates with high water content, despite extra porosity within the matrix layer. Finally, the micro-indentation analysis revealed that substrates with low water content supported the formation of stiffer biofilms. This study shows that E. coli biofilms respond to the water content of their substrate, which might be used for tuning their material properties in view of further applications. Biofilm material properties further depend on the composition and structure of the matrix of extracellular proteins and polysaccharides. In particular, E. coli biofilms were suggested to present tissue-like elasticity due to a dense fibre network consisting of amyloid curli and phosphoethanolamine-modified cellulose. To understand the contribution of these components to the emergent mechanical properties of E. coli biofilms, we performed micro-indentation on biofilms grown from bacteria of several strains. Besides showing higher dry masses, larger spreading diameters and slightly reduced water contents, biofilms expressing both main matrix components also presented high rigidities in the range of several hundred kPa, similar to biofilms containing only curli fibres. In contrast, a lack of amyloid curli fibres provides much higher adhesive energies and more viscoelastic fluid-like material behaviour. Therefore, the combination of amyloid curli and phosphoethanolamine-modified cellulose fibres implies the formation of a composite material whereby the amyloid curli fibres provide rigidity to E. coli biofilms, whereas the phosphoethanolamine-modified cellulose rather acts as a glue. These findings motivate further studies involving purified versions of these protein and polysaccharide components to better understand how their interactions benefit biofilm functions. All three studies depict different aspects of biofilm morphogenesis, which are interrelated. The first work reveals the correlation between non-uniform biological activities and the emergence of mechanical instabilities in the biofilm. The second work acknowledges the adaptive nature of E. coli biofilm morphogenesis and its mechanical properties to an environmental stimulus, namely water. Finally, the last study reveals the complementary role of the individual matrix components in the formation of a stable biofilm material, which not only forms complex morphologies but also functions as a protective shield for the bacteria it contains. Our experimental findings on E. coli biofilm morphogenesis and their mechanical properties can have further implications for fundamental and applied biofilm research fields. N2 - Biofilme sind komplexe lebende Materialien, die sich bilden, wenn Bakterien in eine Matrix aus selbstproduzierten Protein- und Polysaccharidfasern eingebettet werden. Die Bildung eines Netzwerks aus extrazellulären Biopolymerfasern trägt zum Zusammenhalt des Biofilms bei, indem sie die Zell-Zell-Anhaftung fördert und die Wechselwirkungen zwischen Biofilm und Substrat vermittelt. Diese sessile Form des Bakterienwachstums wurde von Mikrobiologen eingehend untersucht, um die schädlichen Auswirkungen von Biofilmen in der Medizin und Industrie zu verhindern. Biofilme werden nämlich mit einer erhöhten Antibiotikaresistenz bei bakteriellen Infektionen in Verbindung gebracht, und sie können auch zur Verstopfung von Rohrleitungen führen oder Biokorrosion fördern. Biofilme sind jedoch auch für die Biophysik von Interesse, da sie während ihres Wachstums komplexe morphologische Muster bilden können. In jüngster Zeit werden auf dem aufstrebenden Gebiet der künstlich hergestellten lebenden Materialien die mechanischen Eigenschaften von Biofilmen auf verschiedenen Längenskalen untersucht und die Werkzeuge der synthetischen Biologie genutzt, um die Funktionen ihrer konstitutiven Biopolymere zu beeinflussen. In dieser Doktorarbeit soll geklärt werden, wie die Morphogenese von Escherichia coli (E. coli)-Biofilmen durch deren Wachstumsdynamik und mechanische Eigenschaften beeinflusst wird. Um dieser Frage nachzugehen, habe ich Methoden aus der Zellmechanik und der Materialwissenschaft verwendet. Zunächst habe ich untersucht, wie die biologische Aktivität in Biofilmen zu ungleichmäßigen Wachstumsmustern führt. In einer zweiten Studie untersuchte ich, wie sich die Morphogenese von E. coli-Biofilmen und ihre mechanischen Eigenschaften an einen Umweltstimulus, nämlich den Wassergehalt des Substrats, anpassen. Schließlich habe ich abgeschätzt, wie sich die mechanischen Eigenschaften von E. coli-Biofilmen verändern, wenn die Bakterien verschiedene extrazelluläre Biopolymere exprimieren. Auf nährstoffhaltigen Hydrogelen können mikrometergroße E. coli-Zellen zentimetergroße Biofilme bilden. Während dieses Prozesses führen die bakterielle Vermehrung und die Matrixproduktion zu mechanischen Spannungen im Biofilm, die sich durch die Bildung von makroskopischen Falten und delaminierten Knicken entladen. Um diese biologischen und mechanischen Phänomene miteinander in Beziehung zu setzen, habe ich mit Hilfe von Zeitraffer-Fluoreszenzaufnahmen die Zell- und Matrixoberflächendichte in den frühen und späten Phasen des E. coli-Biofilmwachstums verfolgt. Die Kolokalisierung hoher Zell- und Matrixdichten an der Peripherie geht dem Auftreten mechanischer Instabilitäten in diesem ringförmigen Bereich voraus. An diesem äußeren Ring wird ein frühes Wachstum festgestellt, das durch Zugabe von fluoreszierenden Mikrokugeln zum bakteriellen Inokulum analysiert wurde. Aber nur wenn im Zentrum des Biofilms hohe Raten der Matrixproduktion vorhanden sind, beginnt die Ausbreitung des gesamten Biofilms entlang der Feststoff-Luft-Grenzfläche. Indem ich größere fluoreszierende Partikel über einen längeren Zeitraum verfolgte, konnte ich mehrere kinematische Stadien der E. coli-Biofilmexpansion unterscheiden und einen Übergang von nichtlinearen zu linearen Geschwindigkeitsprofilen beobachten, der dem Auftreten von Falten an der Biofilmperipherie vorausgeht. Die Zerlegung der Partikelgeschwindigkeiten in ihre radialen und umlaufenden Komponenten ergab ein letztes kinematisches Stadium, in dem die Bewegung des Biofilms hauptsächlich auf die radialen delaminierten Knicke gerichtet ist, die sich vertikalisieren. Die in diesen Regionen berechneten Druckspannungen verformen die darunter liegenden Agarsubstrate erheblich. Die gleichzeitige Ansammlung höherer Zell- und Matrixdichten in einer ringförmigen Region und die Abfolge mehrerer kinematischer Stadien dürften somit das Entstehen mechanischer Instabilitäten an der Biofilm-Peripherie fördern. Diese experimentellen Ergebnisse werden voraussichtlich zukünftige Modellierungsansätze der Biofilmmorphogenese voranbringen. Die Morphogenese des E. coli-Biofilms wird voraussichtlich auch von externen Stimuli aus der Umwelt abhängen. Um zu klären, wie das Wasser zur Einstellung der Materialeigenschaften von Biofilmen genutzt werden könnte, haben wir das Wachstum, die Faltenbildung und die Steifigkeit von E. coli-Biofilmen in Abhängigkeit vom Wassergehalt der Nährsubstrate quantifiziert. Zeitraffermikroskopie und computergestützte Bildanalyse zeigten, dass Substrate mit hohem Wassergehalt die Ausbreitungskinetik des Biofilms fördern, während Substrate mit niedrigem Wassergehalt die Faltenbildung des Biofilms begünstigen. Die auf Biofilm-Querschnitten beobachteten Falten erschienen auf Substraten mit hohem Wassergehalt stärker gebogen, während sie auf Substraten mit niedrigem Wassergehalt eher vertikal verliefen. Sowohl die feuchte als auch die trockene Biomasse, die während der 4-tägigen Kultur akkumuliert wurde, war in Biofilmen, die auf Substraten mit hohem Wassergehalt gezüchtet wurden, größer, trotz der zusätzlichen Porosität innerhalb der Matrixschicht. Schließlich ergab die Mikroindentationsanalyse, dass Substrate mit niedrigem Wassergehalt die Bildung von steiferen Biofilmen begünstigten. Diese Studie zeigt, dass E. coli-Biofilme auf den Wassergehalt ihres Substrats reagieren, was für die Abstimmung ihrer Materialeigenschaften im Hinblick auf weitere Anwendungen genutzt werden könnte. Die Materialeigenschaften von Biofilmen hängen außerdem von der Zusammensetzung und Struktur der Matrix aus extrazellulären Proteinen und Polysacchariden ab. Insbesondere wurde vermutet, dass E. coli-Biofilme aufgrund eines dichten Fasernetzwerks aus Amyloid-Curli und Phosphoethanolamin-modifizierter Cellulose eine gewebeähnliche Elastizität aufweisen. Um den Beitrag dieser Komponenten zu den entstehenden mechanischen Eigenschaften von E. coli-Biofilmen zu verstehen, führten wir an Biofilmen, die aus Bakterien verschiedener Stämme gewachsen waren, Mikroeindrücke durch. Biofilme, die beide Hauptmatrixkomponenten enthalten, wiesen nicht nur eine höhere Trockenmasse, einen größeren Ausbreitungsdurchmesser und einen leicht verringerten Wassergehalt auf, sondern auch eine hohe Steifigkeit im Bereich von mehreren hundert kPa, ähnlich wie Biofilme, die nur Curli-Fasern enthalten. Das Fehlen von Amyloid-Curli-Fasern führt dagegen zu deutlich höheren Adhäsionsenergien und einem viskoelastischeren, flüssigkeitsähnlichen Materialverhalten. Die Kombination von Amyloid-Curli-Fasern und Phosphoethanolamin-modifizierten Cellulosefasern impliziert daher die Bildung eines Verbundmaterials, bei dem die Amyloid-Curli-Fasern den E. coli-Biofilmen Steifigkeit verleihen, während die Phosphoethanolamin-modifizierte Cellulose eher als Klebstoff wirkt. Diese Ergebnisse motivieren zu weiteren Studien mit gereinigten Versionen dieser Protein- und Polysaccharidkomponenten, um besser zu verstehen, wie ihre Interaktionen die Funktionen des Biofilms unterstützen. Alle drei Studien zeigen verschiedene Aspekte der Biofilm-Morphogenese, die miteinander verbunden sind. Die erste Arbeit zeigt den Zusammenhang zwischen ungleichmäßigen biologischen Aktivitäten und dem Auftreten mechanischer Instabilitäten im Biofilm auf. Die zweite Arbeit bestätigt die Anpassungsfähigkeit der Morphogenese des E. coli-Biofilms und seiner mechanischen Eigenschaften an einen Umweltreiz, nämlich Wasser. Die letzte Studie schließlich zeigt die komplementäre Rolle der einzelnen Matrixkomponenten bei der Bildung eines stabilen Biofilmmaterials, das nicht nur komplexe Morphologien bildet, sondern auch als Schutzschild für die darin enthaltenen Bakterien fungiert. Unsere experimentellen Erkenntnisse über die Morphogenese von E. coli-Biofilmen und ihre mechanischen Eigenschaften können weitere Auswirkungen auf grundlegende und angewandte Biofilm-Forschungsbereiche haben. KW - biofilm KW - E. coli KW - living materials KW - mechanobiology KW - E. coli KW - Biofilm KW - lebende Materialien KW - Mechanobiologie Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-559869 ER - TY - THES A1 - Mahto, Harendra T1 - In vitro analysis of Early Starvation 1 (ESV1) and Like Early Starvation 1 (LESV) on starch degradation with focus on glucan, water dikinase (GWD) and phosphoglucan, water dikinase (PWD) N2 - Starch is an insoluble polyglucan, comprises of two polymers, namely, the branched α-1,4: α-1,6-D-glucan amylopectin and the almost unbranched α-1,4-D-glucan amylose. The growth of all plants is directly dependent on the accumulation of transitory starch during the daytime when photosynthesis takes place and subsequently starch degradation during the night. Starch phosphorylation takes place by starch-related dikinases called α-glucan, water dikinase (GWD), and phosphoglucan, water dikinase (PWD), and is a very important step in starch degradation. The biochemical mechanisms of phosphorylation of starch are not properly understood. Recent studies have found that there are two starch binding proteins namely, Early Starvation1 (ESV1) and Like Early Starvation1 (LESV), which play an important role in starch metabolism. It has been shown that ESV1 and LESV proteins affect the starch phosphorylation activity of GWD and PWD enzymes, which control the rate of degradation of starch granules. In this thesis, various in vitro assays were performed to identify and understand the mechanism of recombinant proteins; ESV1 and LESV on the starch degradation. The starch degradation was performed by phosphorylation enzymes, GWD and PWD separately. In various enzymatic assays, the influence of the ESV1 and LESV on the actions of GWD and PWD on the surfaces of different native starch granules were analysed. Furthermore, ESV1 and LESV have specifically shown influences on the phosphorylation activities of GWD and PWD on the starch granule surfaces in an antagonistic pattern in such a way that, the GWD mediated phosphorylation were significantly reduced while PWD mediated phosphorylation were significantly increased respectively. In another set of experiments, ISA and BAM hydrolyzing enzymes were used to alter the structure of starch, and then determine the effect of both dikinases mediated phosphorylation in the presence of ESV1 and LESV on the altered starch granules surfaces. In these results, significant decreases in both GWD and PWD mediated phosphorylation were observed in all the treatments containing either ESV1 or LESV proteins only or both ESV1 and LESV. It was also found that LESV preferentially binds to both amylose and amylopectin, while ESV1 binds to highly ordered glucans such as maltodextrins and amylopectin, which are crystalline in structure. Both ESV1 or LESV proteins either individually or in combination have shown influence on the activity of GWD and PWD phosphate incorporation into the starch granules via reduction even though at different percentages depending on the sources of starch, therefore it is difficult to distinguish the specific function between them. The biochemical studies have shown that protein-glucan interaction specifically between ESV1 or LESV or in combination with different species of starch granules has very strong surface binding, or it might be possible that both the proteins not only bind to the surface of the starch granules but also have entered deep inside the glucan structure of the starch granules. However, the results also revealed that ESV1 and LESV did not alter the autophosphorylation of the dikinases. Also, the chain length distribution pattern of the released glucan chains after treatment of starch with ISA enzyme was evaluated with respect to the degree of polymerization (DP) of the different starch granules. Capillary electrophoresis was employed to study the effect of LESV and ESV1 on the chain length distribution. In summary, this study confirms that ESV1 and LESV play an important role in organizing and regulating the starch metabolism process. In the later half, studies were performed to monitor whether the metabolism of carbohydrates and partitioning, contribute to the higher salt tolerance of the facultative halophyte Hordeum marinum when compared to glycophyte Hordeum vulgare. Seedlings with the same size from both species were hydroponically grown at 0, 150, and 300 mM of NaCl for 3 weeks. H. marinum maintained a high relative growth rate, which was found concomitant in higher aptitude plants to maintain efficient shoot tissue hydration and integrity of membrane under salt conditions when compared to H. vulgare. Hence, our data suggested that the change in the starch storage, distribution of soluble sugar concentrations between source and sink organs, and also changes in the level of enzymes involved in the starch metabolism was significant to give insights into the importance of carbohydrate metabolism in barley species with regards to the salt tolerance. Although these results are still in their nascent state, it could be vital for other researchers to formulate future studies. The preliminary results which were studies about the carbohydrate metabolism and partitioning in salt responses in the halophyte H. marinum and the glycophyte H. vulgare revealed that salt tolerance in barley species is not due to osmotic adjustments, but due to other reasons that were not explored in the past studies. However, the activity of DPE2 in H. vulgare was not hampered by the presence of NaCl as observed. While Pho1 and Pho2, activities were highly increased in cultivated barley. These findings could be suggestive of a possible role of these enzymes in the responses of carbohydrate metabolism to salinity. When sea and cultivated barley species were compared, it was discovered that the former had more versatility in carbohydrate metabolism and distribution. N2 - Stärke ist ein unlösliches Polyglucan, das aus zwei Polymeren besteht, nämlich dem verzweigten α-1,4: α-1,6-D-Glucan Amylopektin und dem fast unverzweigten α-1,4-D-Glucan Amylose. Das Wachstum aller Pflanzen hängt direkt von der Akkumulation transitorischer Stärke während des Tages, wenn die Photosynthese stattfindet, und dem anschließenden Stärkeabbau während der Nacht ab. Die Phosphorylierung von Stärke erfolgt durch stärkeverwandte Dikinasen, die α-Glucan-Wasser-Dikinase (GWD) und Phosphoglucan-Wasser-Dikinase (PWD), und ist ein entscheidender Schritt beim Stärkeabbau. Die biochemischen Mechanismen der Phosphorylierung von Stärke sind nicht genau bekannt. Jüngste Studien haben ergeben, dass es zwei stärkebindende Proteine gibt, nämlich Early Starvation1 (ESV1) und Like Early Starvation1 (LESV), die eine wichtige Rolle im Stärkestoffwechsel spielen. Es hat sich gezeigt, dass ESV1- und LESV-Proteine die Stärkephosphorylierungsaktivität der GWD- und PWD-Enzyme beeinflussen, die die Geschwindigkeit des Abbaus von Stärkekörnern steuern. In dieser Arbeit wurden verschiedene In-vitro-Tests durchgeführt, um den Mechanismus der rekombinanten Proteine ESV1 und LESV auf den Stärkeabbau zu identifizieren und zu verstehen.Der Stärkeabbau wurde von den Phosphorylierungsenzymen GWD und PWD getrennt durchgeführt. In verschiedenen enzymatischen Assays wurde der Einfluss von ESV1 und LESV auf die Wirkung von GWD und PWD auf die Oberflächen verschiedener nativer Stärkekörner analysiert. Darüber hinaus haben ESV1 und LESV spezifisch Einflüsse auf die Phosphorylierungsaktivitäten von GWD und PWD auf den Oberflächen der Stärkekörner in einem antagonistischen Muster gezeigt, so dass die GWD-vermittelte Phosphorylierung signifikant reduziert wurde, während die PWD-vermittelte Phosphorylierung signifikant erhöht wurde. In einer anderen Versuchsreihe wurden ISA- und BAM verwendet, um die Struktur der Stärke zu verändern und dann die Auswirkungen der durch beide Dikinasen vermittelten Phosphorylierung in Gegenwart von ESV1 und LESV auf die veränderten Oberflächen der Stärkekörner zu bestimmen. In diesen Ergebnissen wurde ein signifikanter Rückgang der GWD- und PWD-vermittelten Phosphorylierung in allen Behandlungen beobachtet, die entweder nur ESV1- oder LESV-Proteine oder sowohl ESV1 als auch LESV enthielten. Es wurde auch festgestellt, dass LESV vorzugsweise an Amylose und Amylopektin bindet, während ESV1 an hochgeordnete Glucane wie Maltodextrine und Amylopektin bindet, die eine kristalline Struktur aufweisen. Sowohl ESV1- als auch LESV-Proteine haben entweder einzeln oder in Kombination einen Einfluss auf die Aktivität des GWD- und PWD-Phosphateinbaus in die Stärkekörner durch Reduktion gezeigt, jedoch zu unterschiedlichen Prozentsätzen, je nach Stärkequelle, so dass es schwierig ist, ihre spezifische Funktion zu unterscheiden. Die biochemischen Untersuchungen zeigen, dass die Protein-Glucan-Interaktion speziell zwischen ESV1 oder LESV oder in Kombination mit verschiedenen Arten von Stärkekörnern eine sehr starke Oberflächenbindung aufweist, oder es ist möglich, dass beide Proteine nicht nur an die Oberfläche der Stärkekörner binden, sondern auch tief in die Glucanstruktur der Stärkekörner eingedrungen sind. Die Ergebnisse zeigten jedoch auch, dass ESV1 und LESV die Autophosphorylierung der Dikinasen nicht veränderten. Außerdem wurde die Kettenlängenverteilung der freigesetzten Glucanketten nach Behandlung der Stärke mit dem ISA-Enzym im Hinblick auf den Polymerisationsgrad (DP) der verschiedenen Stärkekörner bewertet. Mit Hilfe der Kapillarelektrophorese wurde die Wirkung von LESV und ESV1 auf die Kettenlängenverteilung untersucht. Zusammenfassend bestätigt diese Studie, dass ESV1 und LESV eine wichtige Rolle bei der Organisation und Regulierung des Stärkestoffwechsels spielen. In der zweiten Hälfte wurden Untersuchungen durchgeführt, um zu prüfen, ob der Stoffwechsel von Kohlenhydraten und deren Verteilung zu der höheren Salztoleranz des fakultativen Halophyten Hordeum marinum im Vergleich zum Glykophyten Hordeum vulgare beitragen. Die gleich großen Sämlinge beider Arten wurden 3 Wochen lang bei 0, 150 und 300 mM NaCl hydroponisch gezogen. H. marinum wies eine hohe relative Wachstumsrate auf, die mit einer höheren Fähigkeit der Pflanzen einherging, unter Salzbedingungen eine effiziente Hydratation des Sprossgewebes und die Integrität der Membran aufrechtzuerhalten, als dies bei H. vulgare der Fall war. Unsere Daten deuten also darauf hin, dass die Veränderungen in der Stärkespeicherung, die Verteilung der Konzentrationen löslicher Zucker zwischen Source- und Sinkorganen und auch die Veränderungen in der Menge der am Stärkestoffwechsel beteiligten Enzyme von Bedeutung sind und Einblicke in die Bedeutung des Kohlenhydratstoffwechsels bei Gerstenarten im Hinblick auf die Salztoleranz geben. Obwohl sich diese Ergebnisse noch im Anfangsstadium befinden, könnten sie für andere Forscher bei der Formulierung künftiger Studien von entscheidender Bedeutung sein. Die vorläufigen Ergebnisse der Studien über den Kohlenhydratstoffwechsel und die Verteilung der Kohlenhydrate bei Salzreaktionen im Halophyten H. marinum und im Glykophyten H. vulgare haben gezeigt, dass die Salztoleranz bei Gerstenarten nicht auf osmotische Anpassungen zurückzuführen ist, sondern auf andere Gründe, die in den bisherigen Studien nicht untersucht wurden. Die Aktivität von DPE2 in H. vulgare wurde jedoch nicht wie beobachtet durch die Anwesenheit von NaCl beeinträchtigt. Dagegen waren die Aktivitäten von Pho1 und Pho2 in kultivierter Gerste stark erhöht. Diese Ergebnisse könnten auf eine mögliche Rolle dieser Enzyme bei der Reaktion des Kohlenhydratstoffwechsels auf den Salzgehalt hinweisen. Beim Vergleich von Meeres- und Kulturgerstenarten wurde festgestellt, dass erstere eine größere Vielseitigkeit im Kohlenhydratstoffwechsel und in der Kohlenhydratverteilung aufweisen. KW - Arabidopsis thaliana KW - starch phosphorylation KW - phosphoglucan KW - starch granule surface KW - Early Starvation 1 Y1 - 2022 ER - TY - THES A1 - Fischer, Axel T1 - Investigating the impact of genomic compartments contributing to non-Mendelian inheritance based on high throughput sequencing data T1 - Untersuchungen zum Einfluss genomischer Kompartimente auf Nicht-Mendelsche Vererbung unter Nutzung von Hochdurchsatz-Sequenzierungsdaten N2 - More than a century ago the phenomenon of non-Mendelian inheritance (NMI), defined as any type of inheritance pattern in which traits do not segregate in accordance with Mendel’s laws, was first reported. In the plant kingdom three genomic compartments, the nucleus, chloroplast, and mitochondrion, can participate in such a phenomenon. High-throughput sequencing (HTS) proved to be a key technology to investigate NMI phenomena by assembling and/or resequencing entire genomes. However, generation, analysis and interpretation of such datasets remain challenging by the multi-layered biological complexity. To advance our knowledge in the field of NMI, I conducted three studies involving different HTS technologies and implemented two new algorithms to analyze them. In the first study I implemented a novel post-assembly pipeline, called Semi-Automated Graph-Based Assembly Curator (SAGBAC), which visualizes non-graph-based assemblies as graphs, identifies recombinogenic repeat pairs (RRPs), and reconstructs plant mitochondrial genomes (PMG) in a semiautomated workflow. We applied this pipeline to assemblies of three Oenothera species resulting in a spatially folded and circularized model. This model was confirmed by PCR and Southern blot analyses and was used to predict a defined set of 70 PMG isoforms. With Illumina Mate Pair and PacBio RSII data, the stoichiometry of the RRPs was determined quantitatively differing up to three-fold. In the second study I developed a post-multiple sequence alignment algorithm, called correlation mapping (CM), which correlates segment-wise numbers of nucleotide changes to a numeric ascertainable phenotype. We applied this algorithm to 14 wild type and 18 mutagenized plastome assemblies within the Oenothera genus and identified two genes, accD and ycf2 that may cause the competitive behavior of plastid genotypes as plastids can be biparental inherited in Oenothera. Moreover, lipid composition of the plastid envelope membrane is affected by polymorphisms within these two genes. For the third study, I programmed a pipeline to investigate a NMI phenomenon, known as paramutation, in tomato by analyzing DNA and bisulfite sequencing data as well as microarray data. We identified the responsible gene (Solyc02g0005200) and were able to fully repress its caused phenotype by heterologous complementation with a paramutation insensitive transgene of the Arabidopsis thaliana orthologue. Additionally, a suppressor mutant shows a globally altered DNA methylation pattern and carries a large deletion leading to a gene fusion involving a histone deacetylase. In conclusion, my developed and implemented algorithms and data analysis pipelines are suitable to investigate NMI and led to novel insights about such phenomena by reconstructing PMGs (SAGBAC) as a requirement to study mitochondria-associated phenotypes, by identifying genes (CM) causing interplastidial competition as well by applying a DNA/Bisulfite-seq analysis pipeline to shed light in a transgenerational epigenetic inheritance phenomenon. N2 - Vor mehr als einem Jahrhundert wurde über das Phänomen der Nicht-Mendelschen Vererbung (NMI), welche als jede Art von Vererbungsmuster definiert wird, in denen Eigenschaften nicht nach dem Mendelschen Gesetzen segregieren, zum ersten Mal berichtet. Im Pflanzenkönigreich können drei Zellkompartimente mit ihrem eigenen Erbgut, Nukleus, Chloroplast, und Mitochondrium, an einem solchen Phänomen beteiligt sein. Hochdurchsatz-Sequenzierungstechnologien (HTS) stellen nachweislich eine Schlüsseltechnologie dar, um NMI Phänomene durch die Assemblierung und/oder Resequenzierung von ganzen Genomen zu untersuchen. Jedoch bleibt die Generierung, Analyse sowie die Interpretation solcher Datensätze durch die vielschichtige biologische Komplexität weiterhin eine Herausforderung. Um unser Wissen über NMI zu erweitern habe ich drei Studien durchgeführt in denen unterschiedliche HTS Technologien involviert waren und zwei neue Algorithmen implementiert um sie zu analysieren. In der ersten Studie habe ich eine neue Postassemblierungspipeline mit dem Namen Semi-Automated Graph-Based Assembly Curator (SAGBAC) entwickelt, welche nicht Graphen-basierte Genomassemblierungen als Graphen visualisiert, rekombinierende Repeatpaare (RRP) identifiziert, und pflanzliche mitochondrielle Genome (PMG) in einem halb-automatisierten Prozess rekonstruiert. Wir haben diese Pipeline auf Assemblierungen von drei Oenothera Spezies angewandt, was in gefalteten zirkularisierten Modellen resultierte. Dieses Modell wurde durch PCR und Southern Blot Analysen bestätigt, sowie verwendet, um einen definierten Satz von 70 PMG Isoformen vorherzusagen. Mit Illumina Mate Pair und PacBio RSII Daten wurde die Stöchiometrie der RRPs quantitativ bestimmt, die sich bis zu dreifach unterscheiden. In der zweiten Studie habe ich einen post-Multiples Sequenzalignment Algorithmus mit dem Namen Correlation Mapping (CM) entwickelt, der eine segmentweise Anzahl von Nukleotidaustauschen mit numerisch erfassbaren Phänotypen korreliert. Wir haben diesen Algorithmus auf 14 Wildtypen und 18 mutagenisierte Plastomassemblierungen aus der Gattung Oenothera angewandt und konnten zwei Gene, accD und ycf2 identifizieren, welche für das kompetitive Verhalten von Plastid Genotypen verantwortlich ist. Weiterhin wird die Lipidkomposition der Plastid-Hüllmembranen durch Polymorphismen in den beiden Genen beeinflusst. Für die dritte Studie habe ich eine Pipeline programmiert, um ein NMI Phänomen, bekannt als Paramutation, in der Tomate mit Hilfe von DNA- und Bisulfitsequenzierungsdaten sowie Microarray Daten zu analysieren. Wir haben das verantwortliche Gen (Solyc02g005200) identifiziert und waren in der Lage den verursachenden Phänotyp durch eine heterologe Komplementation eines paramutationsinsensitiven Transgens des Orthologs aus Arabidopsis thaliana vollständig zu unterdrücken. Weiterhin konnten wir zeigen, dass eine Suppressormutante ein global verändertes DNA-Methylierungsmuster aufweist und es durch eine große Deletion zu einer Genfusion gekommen ist, an der eine Histon-Deacetylase beteiligt ist. Zusammenfassend sind meine entwickelten und implementierten Algorithmen und Datenanalysen geeignet, um NMI zu untersuchen und haben wie folgt zu neuen Einsichten über solche Phänomene verholfen: (a) durch die Rekonstruktion von PMGs (SAGBAC) als Voraussetzung um Mitochondrien-assoziierte Phänotypen zu studieren, (b) durch die Identifizierung von Genen (CM), welche interplastidäre Kompetition auslösen sowie (c) durch Anwendung einer DNA-/Bisulfit-seq Analysepipeline zur Beantwortung der Ursache eines transgenerational epigenetischen Vererbungsphänomens. KW - non-Mendelian inheritance KW - de novo assembly KW - mitochondria KW - chloroplasts KW - paramutation KW - next generation sequencing KW - bisulfite sequencing KW - plant research KW - Bisulfit Sequenzierung KW - Chloroplasten KW - De novo Assemblierung KW - Mitochondrien KW - Sequenzierungstechnologien der nächsten Generation KW - nicht-Mendelsche Vererbung KW - Paramutation KW - Pflanzenforschung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-549001 ER - TY - THES A1 - Welsch, Maryna T1 - Investigation of the stress tolerance regulatory network integration of the NAC transcription factor JUNGBRUNNEN1 (JUB1) T1 - Untersuchung des Stresstoleranz-Regulationsnetzwerks des NAC-Transkriptionsfaktors JUNGBRUNNEN1 (JUB1) N2 - The NAC transcription factor (TF) JUNGBRUNNEN1 (JUB1) is an important negative regulator of plant senescence, as well as of gibberellic acid (GA) and brassinosteroid (BR) biosynthesis in Arabidopsis thaliana. Overexpression of JUB1 promotes longevity and enhances tolerance to drought and other abiotic stresses. A similar role of JUB1 has been observed in other plant species, including tomato and banana. Our data show that JUB1 overexpressors (JUB1-OXs) accumulate higher levels of proline than WT plants under control conditions, during the onset of drought stress, and thereafter. We identified that overexpression of JUB1 induces key proline biosynthesis and suppresses key proline degradation genes. Furthermore, bZIP63, the transcription factor involved in proline metabolism, was identified as a novel downstream target of JUB1 by Yeast One-Hybrid (Y1H) analysis and Chromatin immunoprecipitation (ChIP). However, based on Electrophoretic Mobility Shift Assay (EMSA), direct binding of JUB1 to bZIP63 could not be confirmed. Our data indicate that JUB1-OX plants exhibit reduced stomatal conductance under control conditions. However, selective overexpression of JUB1 in guard cells did not improve drought stress tolerance in Arabidopsis. Moreover, the drought-tolerant phenotype of JUB1 overexpressors does not solely depend on the transcriptional control of the DREB2A gene. Thus, our data suggest that JUB1 confers tolerance to drought stress by regulating multiple components. Until today, none of the previous studies on JUB1´s regulatory network focused on identifying protein-protein interactions. We, therefore, performed a yeast two-hybrid screen (Y2H) which identified several protein interactors of JUB1, two of which are the calcium-binding proteins CaM1 and CaM4. Both proteins interact with JUB1 in the nucleus of Arabidopsis protoplasts. Moreover, JUB1 is expressed with CaM1 and CaM4 under the same conditions. Since CaM1.1 and CaM4.1 encode proteins with identical amino acid sequences, all further experiments were performed with constructs involving the CaM4 coding sequence. Our data show that JUB1 harbors multiple CaM-binding sites, which are localized in both the N-terminal and C-terminal regions of the protein. One of the CaM-binding sites, localized in the DNA-binding domain of JUB1, was identified as a functional CaM-binding site since its mutation strongly reduced the binding of CaM4 to JUB1. Furthermore, JUB1 transactivates expression of the stress-related gene DREB2A in mesophyll cells; this effect is significantly reduced when the calcium-binding protein CaM4 is expressed as well. Overexpression of both genes in Arabidopsis results in early senescence observed through lower chlorophyll content and an enhanced expression of senescence-associated genes (SAGs) when compared with single JUB1 overexpressors. Our data also show that JUB1 and CaM4 proteins interact in senescent leaves, which have increased Ca2+ levels when compared to young leaves. Collectively, our data indicate that JUB1 activity towards its downstream targets is fine-tuned by calcium-binding proteins during leaf senescence. N2 - Der NAC Transkriptionsfaktor (TF) JUNGBRUNNEN1 (JUB1) ist ein wichtiger negativer Regulator der Pflanzenseneszenz, Gibberellinsäure- (GA) und Brassinosteroid- (BR) Biosynthese in Arabidopsis thaliana. Die Überexpression von JUB1 fördert die Langlebigkeit und erhöht die Toleranz gegenüber Trockenheit und anderen abiotischen Belastungen. Bei anderen Pflanzenarten, einschließlich Tomaten und Bananen, wurde eine ähnliche Rolle von JUB1 beobachtet. Unsere Daten zeigen, dass JUB1 Überexpressionslinien im Vergleich zu WT-Pflanzen sowohl unter Kontrollbedingungen, als auch zu Beginn und während späterer Stadien von Trockenstress größere Mengen an Prolin akkumulieren. Wir haben festgestellt, dass die Überexpression von JUB1 die Schlüsselbiosynthese von Prolin induziert und Schlüsselgene für den Abbau von Prolin unterdrückt. Darüber hinaus wurde bZIP63, ein am Prolinstoffwechsel beteiligter Transkriptionsfaktor, mittels Yeast One-Hybrid-System (Y1H) und Chromatin-Immunopräzipitation (ChIP) als neues nachgeschaltetes Ziel von JUB1 identifiziert. Basierend auf dem Electrophoretic Mobility Shift Assay (EMSA) konnte die direkte Bindung von JUB1 an bZIP63 jedoch nicht bestätigt werden. Unsere Daten zeigen, dass JUB1-OXs unter Kontrollbedingungen eine niedrigere stomatale Leitfähigkeit aufweisen. Allerdings verbessert eine selektive Überexpression von JUB1 in den Schließzellen die Trockenstresstoleranz bei Arabidopsis nicht. Darüber hinaus hängt der trockenheitstolerante Phänotyp von JUB1 nicht allein von der transkriptionellen Kontrolle des DREB2A-Gens ab. Unsere Daten legen daher nahe, dass JUB1 durch die Regulierung mehrerer Komponenten Toleranz gegenüber Trockenstress verleiht. Bis heute konzentrierte sich keine der bisherigen Studien zum regulatorischen Netzwerk von JUB1 auf die Identifizierung von Protein-Protein-Interaktionen. Wir führten deshalb einen Hefe-Zwei-Hybrid-Screen (Y2H) durch, der mehrere Protein-Interaktoren von JUB1 identifizierte, von denen zwei Calcium-bindende Proteine sind (CaM1 und CaM4). Beide Proteine interagieren mit JUB1 im Kern von Arabidopsis-Protoplasten. Darüber hinaus wird JUB1 mit den CaM1- und CaM4-Genen unter den gleichen Bedingungen exprimiert und kolokalisiert mit den Proteinen im Zellkern von Arabidopsis thaliana-Protoplasten. Unsere Daten zeigen, dass JUB1 mehrere CaM-Bindungsstellen aufweist, die sowohl in der N-terminalen, als auch in der C-terminalen Region des Proteins lokalisiert sind. Eine der CaM-Bindungsstellen, die in der DNA-Bindungsdomäne von JUB1 lokalisiert ist, wurde als funktionelle und aktive CaM-Bindungsstelle identifiziert, da ihre Mutation die Bindung von CaM4 an JUB1 stark reduzierte. Darüber hinaus transaktiviert JUB1 die Expression des stressbezogenen Gens DREB2A in Mesophyllzellen. Dieser Effekt wird deutlich reduziert, wenn auch das Calcium-bindende Protein CaM4 exprimiert wird. Die Überexpression beider Gene in Arabidopsis führt zum frühen Seneszenz-Phänotyp, der durch einen verminderten Chlorophyllgehalt und eine veränderte SAGs-Expression im Vergleich zu einzelnen JUB1-Überexpressoren beobachtet wird. Unsere Daten zeigen auch, dass JUB1- und CaM4-Proteine in den seneszenten Blättern, die im Vergleich zu jungen Blättern erhöhte Ca2+-spiegel aufweisen, interagieren. Zusammenfassend weisen unsere Daten darauf hin, dass während der Blattseneszenz die Aktivität von JUB1 gegenüber seinen nachgeschalteten Zielen durch die Calcium-bindenden Proteine fein abgestimmt wird. KW - transcription factor KW - senescence KW - calmodulin KW - JUB1 KW - CaM4 KW - drought stress KW - CaM4 KW - JUB1 KW - calmodulin KW - Trockenstress KW - Seneszenz KW - Transkriptionsfaktor Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-547310 ER - TY - THES A1 - Ginsawaeng, Orarat T1 - Late embryogenesis abundant (LEA) proteins in Arabidopsis thaliana seeds and their role in germination Y1 - 2022 ER - TY - THES A1 - Tanner, Norman T1 - Methoden zur routinemäßigen Untersuchung von Bienenprodukten mittels Fourier-transformierter Infrarotspektroskopie Y1 - 2022 ER - TY - THES A1 - Drago, Claudia T1 - Microplastics in the environment: Assessing the ingestion and effect of microplastics on freshwater rotifers in an environmental scenario T1 - Mikroplastik in der Umwelt: Bewertung der Aufnahme und Effekte von Mikroplastik auf Süßwasser-Rotatorien N2 - Microplastics in the environments are estimated to increase in the near future due to increasing consumption of plastic product and also due to further fragmentation in small pieces. The fate and effects of MP once released into the freshwater environment are still scarcely studied, compared to the marine environment. In order to understand possible effect and interaction of MPs in freshwater environment, planktonic zooplankton organisms are very useful for their crucial trophic role. In particular freshwater rotifers are one of the most abundant organisms and they are the interface between primary producers and secondary consumers. The aim of my thesis was to investigate the ingestion and the effect of MPs in rotifers from a more natural scenario and to individuate processes such as the aggregation of MPs, the food dilution effect and the increasing concentrations of MPs that could influence the final outcome of MPs in the environment. In fact, in a near natural scenario MPs interaction with bacteria and algae, aggregations together with the size and concentration are considered drivers of ingestion and effect. The aggregation of MPs makes smaller MPs more available for rotifers and larger MPs less ingested. The negative effect caused by the ingestion of MPs was modulated by their size but also by the quantity and the quality of food that cause variable responses. In fact, rotifers in the environment are subjected to food limitation and the presence of MPs could exacerbate this condition and decrease the population and the reproduction input. Finally, in a scenario incorporating an entire zooplanktonic community, MPs were ingested by most individuals taking into account their feeding mode but also the concentration of MPs, which was found to be essential for the availability of MPs. This study highlights the importance to investigate MPs from a more environmental perspective, this in fact could provide an alternative and realistic view of effect of MPs in the ecosystem. N2 - Das allgegenwärtige Vorhandensein in der Umwelt, der rasche Anstieg und die Langlebigkeit haben Plastik zu einem großen Umweltproblem gemacht. Die zunehmende Konzentration von Plastik durch weitere Fragmentierung in Süßgewässern und die daraus resultierenden Konsequenzen auf Ökosystemebenen werden noch immer unterschätzt. Die Auswirkungen von MP auf planktonische Organismen wie den Rotatorien sind noch nicht hinreichend untersucht worden. Ein negativer Effekt könnte Folgen auf höhere trophische Ebenen haben. In dieser Studie wird untersucht, wie natürliche Faktoren die Aufnahme und Wirkung von Mikroplastik (MP) auf Rotatorien verändern können. Natürliche Faktoren, wie zum Beispiel durch Bakterien aggregierte MP, unterschiedliche Algennahrung, sowie verschiedene aquatische Tierarten, wurden genutzt, um Umweltbedingungen im Labor zu imitieren. Die Aufnahmerate von MP, von MP in Verbindung mit Algennahrung und von aggregiertem MP wurde untersucht (Kapitel 2). Durch die Aggregation von MP sind kleinere MP für Rotatorien besser verfügbar und größere MP werden weniger aufgenommen. Die Auswirkungen des MPs wurden in meiner Studie in Abhängigkeit von der Nahrungszufuhr, z. B. von der Algenkonzentration, aber auch von der Art der Algen untersucht. Darüber hinaus wurden Polyamidfragmente und Siliziumdioxidkügelchen verwendet, um mögliche Partikeleffekte oder negative Reaktionen im Zusammenhang mit der Art und Form des Plastiks zu verstehen. Zwei verwandte Brachyonidenarten wurden dabei untersucht. Die Wirkung von MP auf B. calyciflorus und B. fernandoi wurde in Kombination mit verschiedenen Konzentrationen und Arten von Futter getestet. Ziel dieser Studie (Kapitel 3) war es, eine Beziehung zwischen den MP-Konzentrationen und der Qualität der Nahrung herzustellen. Darüber hinaus wurden die beiden Arten miteinander verglichen, um mögliche Unterschiede in der Reaktion auf MP festzustellen. Es wurden subletale Reaktionen, wie die Fortpflanzung, die Populationswachstumsrate und das Überleben untersucht, wobei eine schädliche Auswirkung in Form einer Verringerung der Populationsgröße durch geringere Fortpflanzung festgestellt wurde. In einem komplexeren und naturnahen Szenario, wurde ein Mikrokosmos-Experiment durchgeführt, bei dem vier verschiedene Zooplanktongruppen, bestehend aus Rotatorien, Cladoceren, Copepoden und Ostracoden, drei verschiedenen MP-Größen ausgesetzt wurden (Kapitel 4). Die wichtigsten Einflussfaktoren, wie die MP-Konzentration, die Größe und die Art der Nahrungsaufnahme, wurden berücksichtigt, um festzustellen, welche Gruppe anfälliger für die MP-Aufnahme ist. Die MP-Konzentration und die Art der Futteraufnahme beeinflussten die Aufnahme von MP stärker als die Größe. Bei hoher Konzentration nahmen trotz der Größenpräferenz und der Art der Futteraufnahme mehr Individuen das MP auf. Im Gegensatz dazu konnte die Aufnahme von MP bei niedriger Konzentration vermieden werden. Diese Studie verdeutlicht, dass Umweltfaktoren sowie die MP-Konzentration und die Art der Futteraufnahme eine wichtige Rolle bei der Untersuchung von MP spielen. KW - microplastics KW - rotifer KW - ingestion KW - effect KW - Effekt KW - Aufnahme KW - Mikroplastik KW - Rotatorien Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-573356 ER - TY - THES A1 - Pellegrino, Antonio T1 - miRNA profiling for diagnosis of chronic pain in polyneuropathy T1 - miRNA profiling zur Diagnose von chronischem Schmerz in Polyneuropathie N2 - This dissertation aimed to determine differential expressed miRNAs in the context of chronic pain in polyneuropathy. For this purpose, patients with chronic painful polyneuropathy were compared with age matched healthy patients. Taken together, all miRNA pre library preparation quality controls were successful and none of the samples was identified as an outlier or excluded for library preparation. Pre sequencing quality control showed that library preparation worked for all samples as well as that all samples were free of adapter dimers after BluePippin size selection and reached the minimum molarity for further processing. Thus, all samples were subjected to sequencing. The sequencing control parameters were in their optimal range and resulted in valid sequencing results with strong sample to sample correlation for all samples. The resulting FASTQ file of each miRNA library was analyzed and used to perform a differential expression analysis. The differentially expressed and filtered miRNAs were subjected to miRDB to perform a target prediction. Three of those four miRNAs were downregulated: hsa-miR-3135b, hsa-miR-584-5p and hsa-miR-12136, while one was upregulated: hsa-miR-550a-3p. miRNA target prediction showed that chronic pain in polyneuropathy might be the result of a combination of miRNA mediated high blood flow/pressure and neural activity dysregulations/disbalances. Thus, leading to the promising conclusion that these four miRNAs could serve as potential biomarkers for the diagnosis of chronic pain in polyneuropathy. Since TRPV1 seems to be one of the major contributors of nociception and is associated with neuropathic pain, the influence of PKA phosphorylated ARMS on the sensitivity of TRPV1 as well as the part of AKAP79 during PKA phosphorylation of ARMS was characterized. Therefore, possible PKA-sites in the sequence of ARMS were identified. This revealed five canonical PKA-sites: S882, T903, S1251/52, S1439/40 and S1526/27. The single PKA-site mutants of ARMS revealed that PKA-mediated ARMS phosphorylation seems not to influence the interaction rate of TRPV1/ARMS. While phosphorylation of ARMST903 does not increase the interaction rate with TRPV1, ARMSS1526/27 is probably not phosphorylated and leads to an increased interaction rate. The calcium flux measurements indicated that the higher the interaction rate of TRPV1/ARMS, the lower the EC50 for capsaicin of TRPV1, independent of the PKA phosphorylation status of ARMS. In addition, the western blot analysis confirmed the previously observed TRPV1/ARMS interaction. More importantly, AKAP79 seems to be involved in the TRPV1/ARMS/PKA signaling complex. To overcome the problem of ARMS-mediated TRPV1 sensitization by interaction, ARMS was silenced by shRNA. ARMS silencing resulted in a restored TRPV1 desensitization without affecting the TRPV1 expression and therefore could be used as new topical therapeutic analgesic alternative to stop ARMS mediated TRPV1 sensitization. N2 - Ziel dieser Dissertation war es, differentiell exprimierte miRNAs im Kontext von chronischen Schmerzen bei Polyneuropathie zu bestimmen. Zu diesem Zweck wurden Patienten mit chronisch schmerzhafter Polyneuropathie und altersgleiche gesunde Patienten verglichen. Insgesamt waren alle Qualitätskontrollen zur Erstellung der miRNA-Bibliothek erfolgreich und keine der Proben wurde als Ausreißer identifiziert oder ausgeschlossen. Die Qualitätskontrolle vor der Sequenzierung zeigte, dass die Bibliothekserstellung für alle Proben funktionierte, sowie dass alle Proben frei von Adapterdimeren waren und die Mindestmolalität erreichten, woraufhin alle Proben sequenziert wurden. Die Kontrollparameter für die Sequenzierung lagen im optimalen Bereich und führten bei allen Proben zu gültigen Sequenzierungsergebnissen mit einer starken Korrelation zwischen den Proben. Die resultierende FASTQ-Datei jeder miRNA-Bibliothek wurde analysiert und für eine differenzielle Expressionsanalyse verwendet. Die differenziell exprimierten und gefilterten miRNAs wurden mittels miRDB analysiert, um eine Zielvorhersage zu erhalten. Drei dieser vier miRNAs wurden herunterreguliert: hsa-miR-3135b, hsa-miR-584-5p und hsa-miR-12136, während eine hochreguliert wurde: hsa-miR-550a-3p. Die miRNA-Zielvorhersage zeigte, dass chronische Schmerzen bei Polyneuropathie das Ergebnis von miRNA induziertem hohen Blutdruck und neuralen Aktivitätsdysregulationen sein könnten. Daraus ergibt sich die Schlussfolgerung, dass diese vier miRNAs als potenzielle Biomarker für die Diagnose von chronischen Schmerzen bei Polyneuropathie dienen könnten. Da TRPV1 mit Nozizeption und neuropathischen Schmerzen in Verbindung gebracht wird, wurde der Einfluss von PKA-phosphoryliertem ARMS auf die Sensitivität von TRPV1 sowie die Rolle von AKAP79 während der PKA-Phosphorylierung von ARMS untersucht. Dazu wurden mögliche PKA-Stellen in der Sequenz von ARMS identifiziert. Dies ergab fünf kanonische PKA-Stellen: S882, T903, S1251/52, S1439/40 und S1526/27. Die einzelnen ARMS-Mutanten zeigten, dass die PKA-vermittelte ARMS-Phosphorylierung die Interaktion von TRPV1/ARMS nicht zu beeinflussen scheint. Während die Phosphorylierung von ARMST903 die Interaktionsrate mit TRPV1 nicht erhöht, wird ARMSS1526/27 vermutlich nicht phosphoryliert und führt zu einer erhöhten Interaktionsrate. Zusätzlich zeigten Kalziumflussmessungen, dass der EC50 für Capsaicin von TRPV1 umso niedriger ist, je höher die Interaktionsrate von TRPV1/ARMS ist, unabhängig vom PKA-Phosphorylierungsstatus von ARMS. Darüber hinaus bestätigte die Western-Blot-Analyse, dass AKAP79 an dem TRPV1/ARMS/PKA-Signalkomplex beteiligt zu sein scheint. Letztlich sorgte die Stilllegung von ARMS mittels shRNA zu einer wiederhergestellten TRPV1-Desensibilisierung, ohne die TRPV1-Expression zu beeinträchtigen, und könnte als neue topische therapeutische Analgetika-Alternative verwendet werden. KW - miRNA KW - miRNA KW - chronic pain KW - chronischer Schmerz KW - polyneuropathy KW - Polyneuropathie KW - TRPV1 KW - TRPV1 KW - ARMS KW - ARMS Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-583858 ER - TY - THES A1 - Moradian, Hanieh T1 - Modulation of human macrophage activity by mRNA-mediated genetic engineering N2 - Macrophages play an integral role for the innate immune system. It is critically important for basic research and therapeutic applications to find approaches to potentially modulate their function as the first line of defense. Transient genetic engineering via delivery of synthetic mRNA can serve for such purposes as a robust, reliable and safe technology to modulate macrophage functions. However, a major drawback particularly in the transfection of sensitive immune cells such as macrophages is the immunogenicity of exogenous IVT-mRNAs. Consequently, the direct modulation of human macrophage activity by mRNA-mediated genetic engineering was the aim of this work. The synthetic mRNA can instruct macrophages to synthesize specific target proteins, which can steer macrophage activity in a tailored fashion. Thus, the focus of this dissertation was to identify parameters triggering unwanted immune activation of macrophages, and to find approaches to minimize such effects. When comparing different carrier types as well as mRNA chemistries, the latter had unequivocally a more pronounced impact on activation of human macrophages and monocytes. Exploratory investigations revealed that the choice of nucleoside chemistry, particularly of modified uridine, plays a crucial role for IVT-mRNA-induced immune activation, in a dose-dependent fashion. Additionally, the contribution of the various 5’ cap structures tested was only minor. Moreover, to address the technical aspects of the delivery of multiple genes as often mandatory for advanced gene delivery studies, two different strategies of payload design were investigated, namely “bicistronic” delivery and “monocistronic” co-delivery. The side-by-side comparison of mRNA co-delivery via a bicistronic design (two genes, one mRNA) with a monocistronic design (two gene, two mRNAs) unexpectedly revealed that, despite the intrinsic equimolar nature of the bicistronic approach, it was outperformed by the monocistronic approach in terms of reliable co-expression when quantified on the single cell level. Overall, the incorporation of chemical modifications into IVT-mRNA by using respective building blocks, primarily with the aim to minimize immune activation as exemplified in this thesis, has the potential to facilitate the selection of the proper mRNA chemistry to address specific biological and clinical challenges. The technological aspects of gene delivery evaluated and validated by the quantitative methods allowed us to shed light on crucial process parameters and mRNA design criteria, required for reliable co-expression schemes of IVT-mRNA delivery. N2 - Makrophagen spielen eine wesentliche Rolle für das angeborene (innate) Immunsystem. Sowohl für die Grundlagenforschung sowie als auch für therapeutische Anwendungen ist es von größter Wichtigkeit, Möglichkeiten zu finden, die Funktion von Makrophagen als erstem Abwehrmechanismus des Immunsystems zu modulieren. Transientes Genetic Engineering mittels synthetischer mRNA kann hierbei als robuste, zuverlässige und sichere Technologie zur Modulation des Zellverhaltens zu dienen. Eine besondere Herausforderung ist jedoch die Immunogenität exogener IVT-mRNAs, insbesondere für sensitive Immunzellen wie Makrophagen. Die direkte Modulation der Zellaktivität von humanen Makrophagen durch mRNA-vermitteltes Genetic Engineering ist das Ziel dieser Arbeit. Mit synthetischer mRNA lassen sich Makrophagen so instruieren, dass sie spezifische Zielproteine produzieren, um die Zellaktivität bedarfsgerecht zu steuern. Der Hauptfokus dieser Dissertation war die Identifikation der Parameter, die eine aus dem IVT-mRNA Transfer resultierende, unerwünschten Zellaktivierung bei Makrophagen auslösen und Ansätze zu finden, um diese zu minimieren. Beim Vergleich verschiedener Transfektionsagenzien und Nukleinsäurekompositionen der mRNA zeigte sich, dass letztere einen weitaus eindeutigeren Effekt auf die Zellaktivierung von humanen Makrophagen und Monozyten haben. Explorative Untersuchungen ergaben, dass die Wahl der Nukleosidchemie, insbesondere des modifizierten Uridins, eine entscheidende Rolle für diese dosisabhängige Immunaktivierung durch IVT-mRNA spielt. Im Vergleich dazu war der Einfluss der verschiedenen getesteten 5'-Cap-Strukturen nur geringfügig. Der Transfer mehrerer Gene in Zellen ist für komplexe Studien und Anwendungen oft zwingend erforderlich. Hierzu wurden die technischen Aspekte von zwei verschiedenen Strategien untersucht, nämlich die "bicistronische" Transfektion und die "monocistronische" Co-Transfektion. Der direkte Vergleich von mRNA-Co-Transfer über ein bicistronisches Design (zwei Gene, eine mRNA) mit einem monocistronischen Design (zwei Gene, zwei mRNAs) ergab überraschenderweise, dass trotz der intrinsischen äquimolaren Natur des bicistronischen Ansatzes dieser dem monocistronische Ansatz in Bezug auf eine zuverlässige Koexpression bei der Quantifizierung auf Einzelzellebene unterlegen war. Wie in dieser Arbeit gezeigt kann die Einbeziehung geeigneter chemischer Modifikationen in IVT-mRNA durch die Verwendung der entsprechenden Bausteine bei der Synthese zur Bewältigung spezifischer biologischer und klinischer Herausforderungen beitragen, in erster Linie durch die Minimierung der Immunaktivierung. Die Evaluation und Validierung technologischer Aspekte des Gentransfers durch quantitative Methoden ermöglichten uns auch entscheidende Prozessparameter und Kriterien für das mRNA-Design zu identifizieren, die für eine zuverlässige Co-Expression von Genen nach IVT-mRNA Transfektion erforderlich sind. T2 - Modulation der Aktivität humaner Makrophagen durch mRNA-vermittelte gentechnische Eingriffe KW - In vitro transcription technology KW - Messenger RNA (mRNA) KW - mRNA chemistry KW - primary human macrophages KW - macrophage activation KW - genetic engineering KW - innate immune response KW - co-delivery of multiple genes KW - co-transfection KW - In-vitro-Transkriptionstechnologie KW - Boten-RNA (mRNA) KW - simultane Einbringung multipler Gene KW - Co-Transfektion KW - Gentechnik KW - angeborene Immunantwort KW - mRNA-Chemie KW - Makrophagen-Aktivierung KW - primäre humane Makrophagen Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-548579 ER - TY - THES A1 - Oberkofler, Vicky T1 - Molecular basis of HS memory in Arabidopsis thaliana T1 - Die molekulare Basis des Hitzestress-Gedächtnisses in Arabidopsis thaliana N2 - Plants can be primed to survive the exposure to a severe heat stress (HS) by prior exposure to a mild HS. The information about the priming stimulus is maintained by the plant for several days. This maintenance of acquired thermotolerance, or HS memory, is genetically separable from the acquisition of thermotolerance itself and several specific regulatory factors have been identified in recent years. On the molecular level, HS memory correlates with two types of transcriptional memory, type I and type II, that characterize a partially overlapping subset of HS-inducible genes. Type I transcriptional memory or sustained induction refers to the sustained transcriptional induction above non-stressed expression levels of a gene for a prolonged time period after the end of the stress exposure. Type II transcriptional memory refers to an altered transcriptional response of a gene after repeated exposure to a stress of similar duration and intensity. In particular, enhanced re-induction refers to a transcriptional pattern in which a gene is induced to a significantly higher degree after the second stress exposure than after the first. This thesis describes the functional characterization of a novel positive transcriptional regulator of type I transcriptional memory, the heat shock transcription factor HSFA3, and compares it to HSFA2, a known positive regulator of type I and type II transcriptional memory. It investigates type I transcriptional memory and its dependence on HSFA2 and HSFA3 for the first time on a genome-wide level, and gives insight on the formation of heteromeric HSF complexes in response to HS. This thesis confirms the tight correlation between transcriptional memory and H3K4 hyper-methylation, reported here in a case study that aimed to reduce H3K4 hyper-methylation of the type II transcriptional memory gene APX2 by CRISPR/dCas9-mediated epigenome editing. Finally, this thesis gives insight into the requirements for a heat shock transcription factor to function as a positive regulator of transcriptional memory, both in terms of its expression profile and protein abundance after HS and the contribution of individual functional domains. In summary, this thesis contributes to a more detailed understanding of the molecular processes underlying transcriptional memory and therefore HS memory, in Arabidopsis thaliana. N2 - Pflanzen können darauf vorbereitet werden, einen schweren Hitzestress (HS) zu überleben, indem sie zuvor einem leichten HS ausgesetzt werden. Die Information über den Priming-Stimulus wird von der Pflanze mehrere Tage lang aufrechterhalten. Diese Aufrechterhaltung der erworbenen Thermotoleranz, das so genannte HS-Gedächtnis, ist genetisch vom Erwerb der Thermotoleranz selbst trennbar, und in den letzten Jahren wurden mehrere spezifische Regulierungsfaktoren identifiziert. Auf molekularer Ebene korreliert das HS-Gedächtnis mit zwei Arten von Transkriptionsgedächtnis, Typ I und Typ II, die eine sich teilweise überschneidende Untergruppe von HS-induzierbaren Genen charakterisieren. Das Transkriptionsgedächtnis vom Typ I oder die anhaltende Induktion bezieht sich auf die anhaltende Transkriptionsinduktion eines Gens über das Niveau der Expression im ungestressten Zustand hinaus über einen längeren Zeitraum nach dem Ende der Stressbelastung. Das Transkriptionsgedächtnis des Typs II bezieht sich auf eine veränderte Transkriptionsreaktion eines Gens nach wiederholter Exposition gegenüber einem Hitzestress von ähnlicher Dauer und Intensität. Insbesondere bezieht sich dabei die verstärkte Re-Induktion auf ein Transkriptionsmuster, bei dem ein Gen nach der zweiten Stressexposition in deutlich höherem Maße induziert wird als nach der ersten. Diese Arbeit beschreibt die funktionelle Charakterisierung eines neuartigen positiven Transkriptionsregulators des Typ-I-Transkriptionsgedächtnisses, des Hitzeschock-Transkriptionsfaktors HSFA3, und vergleicht ihn mit HSFA2, einem bekannten positiven Regulator des Typ-I- und Typ-II-Transkriptionsgedächtnisses. Die Arbeit untersucht das Typ-I-Transkriptionsgedächtnis und seine Abhängigkeit von HSFA2 und HSFA3 zum ersten Mal auf genomweiter Ebene und gibt Einblick in die Bildung heteromerer HSF-Komplexe als Reaktion auf HS. Diese Arbeit bestätigt den engen Zusammenhang zwischen transkriptionellem Gedächtnis und H3K4-Hypermethylierung, über den hier in einer Fallstudie berichtet wird, die darauf abzielt, die H3K4-Hypermethylierung des Typ-II-Transkriptionsgedächtnisgens APX2 durch CRISPR/dCas9-vermitteltes Epigenom-Editing zu reduzieren. Schließlich gibt diese Arbeit einen Einblick in die Anforderungen, die ein Hitzeschock-Transkriptionsfaktor erfüllen muss, damit er als positiver Regulator des Transkriptionsgedächtnisses fungieren kann, und zwar sowohl in Bezug auf sein Expressionsprofil und seine Proteinabundanz nach HS als auch in Bezug auf den Beitrag seiner einzelnen funktionellen Domänen. Zusammenfassend trägt diese Arbeit zu einem genaueren Verständnis der molekularen Prozesse bei, die dem Transkriptionsgedächtnis und damit dem HS-Gedächtnis in Arabidopsis thaliana zugrunde liegen. KW - Arabidopsis thaliana KW - abiotic stress KW - heat stress memory KW - transcription factors KW - HSF KW - epigenome editing KW - histone methylation KW - H3K4me KW - Arabidopsis thaliana KW - H3K4me KW - Hitzeschock-Transkriptionsfaktor KW - abiotischer Stress KW - Epigenom Editierung KW - Hitzestress-Gedächtnis KW - Histon Methylierung KW - Transkriptionsfaktoren Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-569544 ER - TY - THES A1 - Kontbay, Kübra T1 - Nin-Like Protein (NLP) transcription factors BT - regulation of developmental transitions in Arabidopsis thaliana and Solanum tuberosum Y1 - 2022 ER - TY - THES A1 - Omranian, Sara T1 - Novel algorithms for prediction of protein complexes from protein-protein interacton networks Y1 - 2022 ER - TY - THES A1 - Shevtsova, Iuliia T1 - Recent and future vegetation change in the treeline region of Chukotka (NE Russia) inferred from field data, satellite data and modelling N2 - Vegetation change at high latitudes is one of the central issues nowadays with respect to ongoing climate changes and triggered potential feedback. At high latitude ecosystems, the expected changes include boreal treeline advance, compositional, phenological, physiological (plants), biomass (phytomass) and productivity changes. However, the rate and the extent of the changes under climate change are yet poorly understood and projections are necessary for effective adaptive strategies and forehanded minimisation of the possible negative feedbacks. The vegetation itself and environmental conditions, which are playing a great role in its development and distribution are diverse throughout the Subarctic to the Arctic. Among the least investigated areas is central Chukotka in North-Eastern Siberia, Russia. Chukotka has mountainous terrain and a wide variety of vegetation types on the gradient from treeless tundra to northern taiga forests. The treeline there in contrast to subarctic North America and north-western and central Siberia is represented by a deciduous conifer, Larix cajanderi Mayr. The vegetation varies from prostrate lichen Dryas octopetala L. tundra to open graminoid (hummock and non-hummock) tundra to tall Pinus pumila (Pall.) Regel shrublands to sparse and dense larch forests. Hence, this thesis presents investigations on recent compositional and above-ground biomass (AGB) changes, as well as potential future changes in AGB in central Chukotka. The aim is to assess how tundra-taiga vegetation develops under changing climate conditions particularly in Fareast Russia, central Chukotka. Therefore, three main research questions were considered: 1) What changes in vegetation composition have recently occurred in central Chukotka? 2) How have the above-ground biomass AGB rates and distribution changed in central Chukotka? 3) What are the spatial dynamics and rates of tree AGB change in the upcoming millennia in the northern tundra-taiga of central Chukotka? Remote sensing provides information on the spatial and temporal variability of vegetation. I used Landsat satellite data together with field data (foliage projective cover and AGB) from two expeditions in 2016 and 2018 to Chukotka to upscale vegetation types and AGB for the study area. More specifically, I used Landsat spectral indices (Normalised Difference Vegetation Index (NDVI), Normalised Difference Water Index (NDWI) and Normalised Difference Snow Index (NDSI)) and constrained ordination (Redundancy analysis, RDA) for further k-means-based land-cover classification and general additive model (GAM)-based AGB maps for 2000/2001/2002 and 2016/2017. I also used Tandem-X DEM data for a topographical correction of the Landsat satellite data and to derive slope, aspect, and Topographical Wetness Index (TWI) data for forecasting AGB. Firstly, in 2016, taxa-specific projective cover data were collected during a Russian-German expedition. I processed the field data and coupled them with Landsat spectral Indices in the RDA model that was used for k-means classification. I could establish four meaningful land-cover classes: (1) larch closed-canopy forest, (2) forest tundra and shrub tundra, (3) graminoid tundra and (4) prostrate herb tundra and barren areas, and accordingly, I produced the land cover maps for 2000/2001/2002 and 2016/20017. Changes in land-cover classes between the beginning of the century (2000/2001/2002) and the present time (2016/2017) were estimated and interpreted as recent compositional changes in central Chukotka. The transition from graminoid tundra to forest tundra and shrub tundra was interpreted as shrubification and amounts to a 20% area increase in the tundra-taiga zone and 40% area increase in the northern taiga. Major contributors of shrubification are alder, dwarf birch and some species of the heather family. Land-cover change from the forest tundra and shrub tundra class to the larch closed-canopy forest class is interpreted as tree infilling and is notable in the northern taiga. We find almost no land-cover changes in the present treeless tundra. Secondly, total AGB state and change were investigated for the same areas. In addition to the total vegetation AGB, I provided estimations for the different taxa present at the field sites. As an outcome, AGB in the study region of central Chukotka ranged from 0 kg m-2 at barren areas to 16 kg m-2 in closed-canopy forests with the larch trees contributing the highest. A comparison of changes in AGB within the investigated period from 2000 to 2016 shows that the greatest changes (up to 1.25 kg m 2 yr 1) occurred in the northern taiga and in areas where land cover changed to larch closed-canopy forest. Our estimations indicate a general increase in total AGB throughout the investigated tundra-taiga and northern taiga, whereas the tundra showed no evidence of change in AGB within the 15 years from 2002 to 2017. In the third manuscript, potential future AGB changes were estimated based on the results of simulations of the individual-based spatially explicit vegetation model LAVESI using different climate scenarios, depending on Representative Concentration Pathways (RCPs) RCP 2.6, RCP 4.5 and RCP 8.5 with or without cooling after 2300 CE. LAVESI-based AGB was simulated for the current state until 3000 CE for the northern tundra-taiga study area for larch species because we expect the most notable changes to occur will be associated with forest expansion in the treeline ecotone. The spatial distribution and current state of tree AGB was validated against AGB field data, AGB extracted from Landsat satellite data and a high spatial resolution image with distinctive trees visible. The simulation results are indicating differences in tree AGB dynamics plot wise, depending on the distance to the current treeline. The simulated tree AGB dynamics are in concordance with fundamental ecological (emigrational and successional) processes: tree stand formation in simulated results starts with seed dispersion, tree stand establishment, tree stand densification and episodic thinning. Our results suggest mostly densification of existing tree stands in the study region within the current century in the study region and a lagged forest expansion (up to 39% of total area in the RCP 8.5) under all considered climate scenarios without cooling in different local areas depending on the closeness to the current treeline. In scenarios with cooling air temperature after 2300 CE, forests stopped expanding at 2300 CE (up to 10%, RCP 8.5) and then gradually retreated to their pre-21st century position. The average tree AGB rates of increase are the strongest in the first 300 years of the 21st century. The rates depend on the RCP scenario, where the highest are as expected under RCP 8.5. Overall, this interdisciplinary thesis shows a successful integration of field data, satellite data and modelling for tracking recent and predicting future vegetation changes in mountainous subarctic regions. The obtained results are unique for the focus area in central Chukotka and overall, for mountainous high latitude ecosystems. N2 - Die Veränderung der Vegetation in den hohen Breiten ist heutzutage eines der zentralen Themen im Hinblick auf den anhaltenden Klimawandel und hat potenziell auslösende Rückkopplungen. In den Ökosystemen der hohen Breiten umfassen die erwarteten Veränderungen das Fortschreiten der borealen Baumgrenze, sowie kompositorische, phänologische, physiologische, Biomassen- (Phytomasse) und Produktivitätsveränderungen. Die Geschwindigkeit und das Ausmaß der Veränderungen im Rahmen des Klimawandels sind jedoch noch wenig verstanden, und Projektionen sind für wirksame Anpassungsstrategien und eine vorausschauende Minimierung möglicher negativer Rückkopplungen erforderlich. Die Vegetation selbst und die Umweltbedingungen, die bei ihrer Entwicklung und Verbreitung eine große Rolle spielen, sind in der gesamten Subarktis bis zur Arktis unterschiedlich. Zu den am wenigsten untersuchten Gebieten gehört Zentral-Tschukotka, in Nordost-Sibirien, Russland. Tschukotka hat gebirgiges Terrain und eine weite Bandbreite von Vegetationstypen entlang des Gradienten von der baumlosen Tundra bis zu den nördlichen Taiga-Wäldern. Die Baumgrenze dort wird im Gegensatz zum subarktischen Nordamerika sowie Nordwest- und Mittelsibirien durch eine laubabwerfende Nadelbaumart, Larix cajanderi Mayr, aufgebaut. Die Vegetation variiert von Tundra mit Flechten und Dryas octopetala L. über offene graminoide (Horstgras und nicht Horstgras) Tundra und hohe Pinus pumila (Pall.) Regel Strauchlandschaften zu lockeren Lärchenbeständen bis zu dichten Lärchenwäldern. Somit werden in meiner Dissertation Untersuchungen zu den jüngsten Veränderungen der Vegetationszusammensetzung und der oberirdischen Biomasse (aus dem Englischen above-ground biomass, bzw. AGB), sowie zu potenziellen zukünftigen Veränderungen der AGB vorgestellt. Das Ziel meiner Arbeit ist es abzuschätzen, wie sich die Tundra-Taiga-Vegetation unter Klimawandel entwickelt, insbesondere in Fernost Russland, Zentral-Tschukotka. Daher wurden drei Hauptforschungsfragen berücksichtigt: 1) Welche Veränderungen in der Vegetationszusammensetzung sind in den letzten Jahrzehnten in Zentral-Tschukotka aufgetreten? 2) Wie haben sich die AGB-Raten und die Verteilung der oberirdischen Biomasse in Zentral-Tschukotka verändert? 3) Wie sind die räumlichen Dynamiken und Änderungsraten der Baum-AGB in dem kommenden Jahrtausend in der nördlichen Tundra-Taiga in Zentral-Tschukotka? Fernerkundung liefert Informationen über die räumliche und zeitliche Vegetationsvariabilität. Ich habe Landsat-Satellitendaten zusammen mit Felddaten (Projektive Vegetationsbedeckung und AGB) von zwei Expeditionen in den Jahren 2016 und 2018 nach Tschukotka verwendet, um Vegetationstypen und AGB für das Untersuchungsgebiet räumlich abzubilden. Insbesondere habe ich die Landsat-Spektralindizes (Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), Normalized Difference Water Index (NDWI) und Normalized Difference Snow Index (NDSI)) und eine Ordination mit Randbedingungen (Redundanzanalyse, RDA) verwendet, um eine Land-Klassifizierung mittels der k-means Methode zu entwickeln, und AGB-Karten mittels des General Additive Model (GAM) für 2000/2001/2002 und 2016/2017 zu erstellen. Außerdem verwendete ich Tandem-X-DEM-Daten, um die Landsat-Satellitendaten topografisch zu korrigieren und um die Hangneigung-, Hangaspekt- und TWI- (Topographical Wetness Index) Daten für die Vorhersage von AGB abzuleiten. Auf einer russisch-deutschen Expedition im Jahr 2016 wurden Vegetationsdaten erhoben. Ich prozessierte die Felddaten zu taxaspezifischen-projektiven Vegetationsbedeckungsdaten. Ich habe die taxaspezifisch-projektive Vegetationsbedeckung mit Landsat-Spektralindizes im RDA-Modell gekoppelt, das für die k-means-Klassifizierung verwendet wurde. Ich konnte vier repräsentative Landbedeckungsklassen einrichten: (1) Lärchen-Wald mit geschlossenem Blätterdach, (2) Waldtundra und Strauch-Tundra, (3) graminoide Tundra und (4) Kräutertundra und vegetationsarme Gebiete. Dementsprechend prozessierte ich dann die Landbedeckungskarten für 2000/2001/2002 und 2016/20017. Ich ermittelte die Änderungen der Landbedeckungsklassen zwischen dem Beginn des Jahrhunderts (2000/2001/2002) und der Gegenwart (2016/2017) und konnte sie als aktuelle Kompositionsänderungen in der Vegetation von Zentral-Tschukotka interpretieren. Die Transformation von der graminoiden Tundra zur Waldtundra oder zur Strauch-Tundra habe ich als Prozess der Strauchbildung interpretiert, die einer Flächenvergrößerung von 20% in der Tundra-Taiga Zone und einer Flächenvergrößerung von 40% in der nördlichen Taiga entspricht. Hauptakteure der Strauchung sind Erle, Zwergbirke und einige Arten der Heidekrautfamilie. Der Landbedeckungswechsel von der Waldtundra- und Strauch-Tundra-Klasse zur Klasse des Lärchen-Waldes mit geschlossenen Blätterdach wird als eine Verdichtung des Baumbestandes interpretiert und ist in der nördlichen Taiga bemerkenswert. In der heutigen baumlosen Tundra finden wir fast keine Landbedeckungsänderungen. Im zweiten Projekt bestimmte ich den Gesamt-AGB-Zustand und die gesamte AGB-Veränderung für dieselben Regionen in Zentral-Chukotka. Zusätzlich zur gesamten AGB lieferte ich Schätzungen für die verschiedenen Taxa, die an den Feldstandorten vorhanden sind. Als Ergebnis lag die AGB in der Untersuchungsregion von Zentral-Tschukotka zwischen 0 kg m-2 in vegetationsarmen Gebieten und 16 kg m-2 in den Wäldern mit geschlossenem Blätterdach mit dem größten Anteil von Lärchen. Ein Vergleich der Veränderungen der AGB im Untersuchungszeitraum von 2000 bis 2016 zeigt, dass die größten Veränderungen (bis zu 1,25 kg m-2 Jahr-1) in der nördlichen Taiga und in den Gebieten auftraten, in denen sich die Landbedeckung hin zu einen Lärchenwald mit geschlossenen Blätterdach änderte. Unsere Schätzungen deuten auf einen allgemeinen Anstieg der gesamten AGB in der untersuchten Tundra-Taiga und der nördlichen Taiga hin. Im Gegensatz zeigte die Tundra innerhalb der 15 Jahre von 2002 bis 2017 keine Hinweise auf eine Veränderung der AGB. Im dritten Projekt wurden potenzielle zukünftige Änderungen der oberirdischen Biomasse (AGB) basierend auf den Ergebnissen von Simulationen des individuell basierten räumlich expliziten Vegetationsmodells LAVESI unter Verwendung verschiedener Klimaszenarien, abhängig von RCP (Representative Concentration Pathways) 2.6, RCP 4.5 und RCP 8.5 (mit und ohne die Temperaturminderung nach den 2300 CE), geschätzt. Die LAVESI-basierte AGB wurde für den aktuellen Zustand bis 3000 CE für Lärchen-AGB simuliert, da wir davon ausgehen, dass die bemerkenswertesten Veränderungen im Baumgrenze-Ökoton mit einer Waldausdehnung zusammenhängen. Die räumliche Verteilung und der aktuelle Zustand der Baum-AGB wurden anhand von AGB-Felddaten, aus Landsat-Satellitendaten extrahierten AGB und einem Satellitenbild mit hoher räumlicher Auflösung und dadurch sichtbaren Einzelbäumen validiert. Die Simulationsergebnisse deuten auf Unterschiede in der Baum-AGB-Dynamik in Abhängigkeit von der Entfernung zur aktuellen Baumgrenze hin. Die simulierte Baum-AGB-Dynamik stimmt mit grundlegenden ökologischen (Auswanderungs- und Sukzessions-) Prozessen überein: die simulierte Baumbestandsentwicklung fängt mit Samenverbreitung an, Schaffung des Baumbestands, Baumbestand Verdichtung und episodische Verdünnung. Unsere Ergebnisse weisen auf eine Verdichtung des bestehenden Baumbestandes im Laufe dieses Jahrhunderts hin in der Untersuchungsregion, und auf eine zeitlich verzögerte Waldverbreitung (bis zu 39% der Fläche im RCP 8.5) unter allen betrachteten Klima-Szenarien ohne Abkühlung in verschiedenen lokalen Bereichen, abhängig von der Nähe zur heutigen Baumgrenze. In Szenarien mit Abkühlung nach 2300 CE beenden die Wälder ihre Ausbreitung um 2300 CE; bis zu 10%, RCP 8.5) um dann graduell zu ihrer vor 21. Jhd. Position zurückzuweichen. Die gemittelten Änderungsraten der Baum AGB sind am höchsten in den ersten 300 Jahren des 21. Jahrhunderts. Die Änderungsraten hängen ab von dem RCP Szenarium, mit den höchsten Änderungsraten unter RCP 8.5, wie zu erwarten war. Insgesamt zeigt diese interdisziplinäre Arbeit eine erfolgreiche Integration von Felddaten, Satellitendaten und Modellen zur Verfolgung der aktuellen und vorhergesagten zukünftigen Vegetationsänderungen in subarktischen Gebirgsregionen. Die erzielten Ergebnisse sind einzigartig für den Schwerpunktbereich in Zentral-Tschukotka und insgesamt für Gebirgsregionen in den hohen Breiten. T2 - Aktuelle und zukünftige Vegetationsveränderung in der Baumgrenzenregion von Chukotka (Nordost-Russland), abgeleitet aus Felddaten, Satellitendaten und Modellierung KW - plant ecology KW - vegetation change KW - Chukotka vegetation KW - above-ground biomass KW - land-cover classification KW - LAVESI KW - tree infilling KW - shrubification KW - subarctic vegetation change KW - treeline KW - tundra-taiga KW - Larix cajanderi KW - Vegetation von Tschukotka KW - oberirdische Biomasse KW - Klassifikation der Landbedeckung KW - Pflanzenökologie KW - Vegetationsveränderungen in der Subarktis KW - Waldausdehnung KW - Vegetationsveränderungen KW - Baumgrenze KW - Tundra-Taiga Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-548452 ER - TY - THES A1 - Korovila, Ioanna T1 - Role of proteolytic systems in lipotoxicity-induced hepatocellular damage T1 - Lipotoxizität und Leberzellschädigung - Die Rolle der proteolytischen Systeme N2 - Scope: Several studies show that excessive lipid intake can cause hepatic steatosis. To investigate lipotoxicity on cellular level, palmitate (PA) is often used to highly increase lipid droplets (LDs). One way to remove LDs is autophagy, while it is controversially discussed if autophagy is also affected by PA. It is aimed to investigate whether PA-induced LD accumulation can impair autophagy and punicalagin, a natural autophagy inducer from pomegranate, can improve it. Methods and results: To verify the role of autophagy in LD degradation, HepG2 cells are treated with PA and analyzed for LD and perilipin 2 content in presence of autophagy inducer Torin 1 and inhibitor 3-Methyladenine. PA alone seems to initially induce autophagy-related proteins but impairs autophagic-flux in a time-dependent manner, considering 6 and 24 h PA. To examine whether punicalagin can prevent autophagy impairment, cells are cotreated for 24 h with PA and punicalagin. Results show that punicalagin preserves expression of autophagy-related proteins and autophagic flux, while simultaneously decreasing LDs and perilipin 2. Conclusion: Data provide new insights into the role of PA-induced excessive LD content on autophagy and suggest autophagy-inducing properties of punicalagin, indicating that punicalagin can be a health-beneficial compound for future research on lipotoxicity in liver. N2 - Lebersteatose entsteht durch eine übermäßige Zufuhr von Nahrungslipiden und ist durch eine chronische Ansammlung von Lipidtröpfchen (LD) in der Leber gekennzeichnet, die wiederum zu einer hepatozellulären Dysfunktion führen. Dieser pathogene Zustand ist ein grundlegendes Merkmal der nichtalkoholischen Fettleber (NAFLD) und ein Risikofaktor für viele weit verbreitete Stoffwechselerkrankungen, einschließlich Fettleibigkeit und Typ-2-Diabetes. Abgesehen von der Menge der aufgenommenen Nahrungsfette wird die Entwicklung der Lebersteatose auch stark von der Art der Fettsäure beeinflusst. Palmitat (PA) ist die am häufigsten vorkommende gesättigte Fettsäure und spielt eine bedeutende Rolle bei der Pathogenese der Lebersteatose. Sie wird häufig verwendet, um Lipotoxizität zu induzieren und die Entwicklung von LDs auf zellulärer Ebene zu untersuchen. Die beiden wichtigsten intrazellulären proteolytischen Systeme, das Ubiquitin-Proteasom-System und das Autophagie-Lysosom-System, sind am LD-Abbau beteiligt und kontrollieren das Gleichgewicht der Lipidhomöostase. Der Einfluss der Lipotoxizität auf ihre Funktion ist jedoch noch umstritten. Das Ziel der vorliegenden Dissertation ist es zu untersuchen, ob eine erhöhte LD-Akkumulation die Funktion der proteolytischen Systeme beeinträchtigt und ob die Effekte durch Kontrolle ihrer Aktivität umgekehrt werden können. In-vivo Untersuchungen an New Zealand Obese (NZO) Mäusen, einem polygenen Modell für Fettleibigkeit, zeigten, dass eine fettreiche Ernährung eine Akkumulation von LDs und hepatozelluläre Schäden verursacht. Diese Effekte wurden von einem Verlust der Autophagieeffizienz und einer verminderten Expression der Proteasomaler Untereinheiten begleitet. Ähnliche Effekte wurden in vitro in PA-beladenen HepG2-Zellen beobachtet. PA induziert LD-Akkumulation und verändert den Redoxstatus in Mitochondrien und im Endoplasmatische Retikulum (ER). Zusätzlich beeinflusst PA die Funktion beider proteolytischer Systeme (proteasomal und lysosomal) zeitabhängig nach 6- und 24-stündiger Behandlung. Um die Rolle des Proteasome und der Autophagie beim LD-Abbau unter PAinduzierten lipotoxischen Bedingungen zu untersuchen, wurden beide Systeme inhibiert oder induziert und die Veränderungen des LD-Gehalts analysiert. Dazu wurden die HepG2 Zellen wurden mit PA in Gegenwart des Autophagie-Aktivators Torin 1, des Autophagie-Inhibitors 3-Methyladenin, des Proteasom-Aktivators Ursolsäure und des Proteasom-Inhibitors Lactacystin behandelt. Die erhaltenen Daten aus unseren Modellen belegen, dass vorrangig Autophagie am Abbau der LDs beteiligt ist. Die PA-vermittelte Lipidakkumulation könnte auf ein Versagen der Autophagie hinweisen und zu einer Störung der Proteostase sowie einer weiteren LD-Stabilisierung und Anreicherung beitragen. Experimente mit dem natürlichen Autophagie-Aktivator Punicalagin weisen darauf hin, dass die PA-vermittelten lipotoxischen Wirkungen reduziert werden können. Insbesondere zeigen die Ergebnisse, dass Punicalagin die Expression von Autophagie-Proteinen erhält und durch PA-beeinträchtigten autophagischen Fluss wiederherstellt. Parallel dazu wird der durch PA-induzierte Gehalt an LD durch Punicalagin verringert. Zusammenfassend, liefern die Daten dieser Dissertation neue Einblicke in die Rolle des Proteasoms und des Autophagie-Lysosomalen Systems bei der PA-induzierten Lipotoxizität. Zudem werden die Autophagie-induzierenden Eigenschaften von Punicalagin aufgezeigt, die einen vielversprechenden Ansatz für die zukünftige Forschung zur hepatischen Lipotoxizität bieten. KW - HepG2 hepatocytes KW - autophagy KW - lipophagy KW - lysosome KW - palmitate KW - punicalagin KW - HepG2-Zellen KW - Autophagie KW - Lipophagie KW - Lysosom KW - Palmitat KW - Punicalagin Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-552385 ER - TY - THES A1 - Wang, Yang T1 - Role of the actin cytoskeleton in cellular morphogenesis at the shoot apical meristem of Arabidopsis thaliana N2 - The morphogenesis of sessile plants is mainly driven by directional cell growth and cell division. The organization of their cytoskeleton and the mechanical properties of the cell wall greatly influence morphogenetic events in plants. It is well known that cortical microtubules (CMTs) contribute to directional growth by regulating the deposition of the cellulose microfibrils, as major cell wall fortifying elements. More recent findings demonstrate that mechanical stresses existing in cells and tissues influence microtubule organization. Also, in dividing cells, mechanical stress directions contribute to the orientation of the new cell wall. In comparison to the microtubule cytoskeleton, the role of the actin cytoskeleton in regulating shoot meristem morphogenesis has not been extensively studied. This thesis focuses on the functional relevance of the actin cytoskeleton during cell and tissue scale morphogenesis in the shoot apical meristem (SAM) of Arabidopsis thaliana. Visualization of transcriptional reporters indicates that ACTIN2 and ACTIN7 are two highly expressed actin genes in the SAM. A link between the actin cytoskeleton and SAM development derives from the observation that the act2-1 act7-1 double mutant has abnormal cell shape and perturbed phyllotactic patterns. Live-cell imaging of the actin cytoskeleton further shows that its organization correlates with cell shape, which indicates a potential role of actin in influencing cellular morphogenesis. In this thesis, a detailed characterization of the act2-1 act7-1 mutant reveals that perturbation of actin leads to more rectangular cellular geometries with more 90° cell internal angles, and higher incidences of four-way junctions (four cell boundaries intersecting together). This observation deviates from the conventional tricellular junctions found in epidermal cells. Quantitative cellular-level growth data indicates that such differences in the act2-1 act7-1 mutant arise due to the reduced accuracy in the placement of the new cell wall, as well as its mechanical maturation. Changes in cellular morphology observed in the act2-1 act7-1 mutant result in cell packing defects that subsequently compromise the flow of information among cells in the SAM. N2 - Die Morphogenese sessiler Pflanzen wird hauptsächlich durch gerichtetes Zellwachstum und Zellteilung angetrieben. Die Organisation des Zytoskeletts und die mechanischen Eigenschaften der Zellwand haben großen Einfluss auf die morphogenetischen Vorgänge in Pflanzen. Es ist bekannt, dass kortikale Mikrotubuli (CMTs) zum gerichteten Wachstum beitragen, indem sie die Bildung von Zellulose-Mikrofibrillen als wichtige Elemente zur Stärkung der Zellwand regulieren. Neuere Erkenntnisse zeigen, dass mechanische Spannungen in den Zellen und Geweben die Organisation der Mikrotubuli beeinflussen. Bei der Zellteilung tragen auch die mechanischen Belastungsrichtungen zur Ausrichtung der neuen Zellwand bei. Im Vergleich zum Zytoskelett der Mikrotubuli ist die Rolle des Aktinzytoskeletts bei der Regulierung der Morphogenese des Sprossmeristems noch nicht umfassend untersucht worden. Diese Arbeit befasst sich mit der funktionellen Bedeutung des Aktinzytoskeletts bei der Zell- und Gewebemorphogenese im Sprossapikalmeristem (SAM) von Arabidopsis thaliana. Die Visualisierung von Transkriptionsreportern zeigt, dass ACTIN2 und ACTIN7 zwei stark exprimierte Aktingene im SAM sind. Eine Verknüpfung zwischen dem Aktinzytoskelett und der Entwicklung des SAMs ergibt sich aus der Beobachtung, dass die act2-1 act7-1 Doppelmutante eine abnorme Zellform und ein gestörtes phyllotaktisches Muster aufweist. Die Lebend-Zell Aufnahmen des Aktinzytoskeletts zeigt außerdem, dass seine Organisation mit der Zellform korreliert, was auf eine mögliche Rolle des Aktins bei der Beeinflussung der zellulären Morphogenese hinweist. In dieser Arbeit wird anhand einer detaillierten Charakterisierung der act2-1 act7-1 Mutante gezeigt, dass eine Störung des Aktins zu rechteckigeren Zellgeometrien mit mehr 90°-Zellinnenwinkeln und einem höheren Vorkommen von Vierfach-Verbindungen (vier sich kreuzende Zellgrenzen) führt. Diese Beobachtung weicht von den konventionellen trizellulären Verbindungen der Epidermiszellen ab. Quantitative Wachstumsdaten auf zellulärer Ebene deuten darauf hin, dass diese Unterschiede in der act2-1 act7-1 Mutante auf die geringere Präzision bei der Platzierung der neuen Zellwand sowie auf ihre mechanische Reifung zurückzuführen sind. Die bei der act2-1 act7-1 Mutante beobachteten Veränderungen der Zellmorphologie führen zu Defekten in der Zellanordnung, die in der weiteren Folge den Informationsfluss zwischen den Zellen im SAM beeinträchtigen. KW - Arabidopsis KW - shoot apical meristem KW - actin KW - cell division KW - cell shape KW - morphogenesis Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.25932/publishup-55908 ER - TY - THES A1 - Esmaeeli Moghaddam Tabalvandani, Mariam T1 - ROS Generation in Human Aldehyde Oxidase And the Effects of ROS and Reactive Sulfhydryl on the Activity of the Enzyme T1 - ROS-Erzeugung in Humane Aldehydoxidase und die Auswirkungen von ROS und reaktivem Sulfhydryl auf die Aktivität des Enzyms N2 - Aldehyde oxidases (AOXs) (E.C. 1.2.3.1) are molybdoflavo-enzymes belonging to the xanthine oxidase (XO) family. AOXs in mammals contain one molybdenum cofactor (Moco), one flavin adenine dinucleotide (FAD) and two [2Fe-2S] clusters, the presence of which is essential for the activity of the enzyme. Human aldehyde oxidase (hAOX1) is a cytosolic enzyme mainly expressed in the liver. hAOX1is involved in the metabolism of xenobiotics. It oxidizes aldehydes to their corresponding carboxylic acids and hydroxylates N-heterocyclic compounds. Since these functional groups are widely present in therapeutics, understanding the behaviour of hAOX1 has important implications in medicine. During the catalytic cycle of hAOX1, the substrate is oxidized at Moco and electrons are internally transferred to FAD via the FeS clusters. An electron acceptor juxtaposed to the FAD receives the electrons and re-oxidizes the enzyme for the next catalytic cycle. Molecular oxygen is the endogenous electron acceptor of hAOX1 and in doing so it is reduced and produces reactive oxygen species (ROS) including hydrogen peroxide (H2O2) and superoxide (O2.-). The production of ROS has patho-physiological importance, as ROS can have a wide range of effects on cell components including the enzyme itself. In this thesis, we have shown that hAOX1 loses its activity over multiple cycles of catalysis due to endogenous ROS production and have identified a cysteine rich motif that protects hAOX1 from the ROS damaging effects. We have also shown that a sulfido ligand, which is bound at Moco and is essential for the catalytic activity of the enzyme, is vulnerable during turnover. The ROS produced during the course of the reaction are also able to remove this sulfido ligand from Moco. ROS, in addition, oxidize particular cysteine residues. The combined effects of ROS on the sulfido ligand and on specific cysteine residues in the enzyme result in its inactivation. Furthermore, we report that small reducing agents containing reactive sulfhydryl groups, in a selective manner, inactivate some of the mammalian AOXs by modifying the sulfido ligand at Moco. The mechanism of ROS production by hAOX1 is another scope that has been investigated as part of the work in this thesis. We have shown that the ratio of type of ROS, i.e. hydrogen peroxide (H2O2) and superoxide (O2.-), produced by hAOX1 is determined by a particular position on a flexible loop that locates in close proximity of FAD. The size of the cavity at the ROS producing site, i.e. the N5 position of the FAD isoalloxazine ring, kinetically affects the amount of each type of ROS generated by hAOX1. Taken together, hAOX1 is an enzyme with emerging importance in pharmacological and medical studies, not only due to its involvement in drug metabolism, but also due to ROS production which has physiological and pathological implications. N2 - Aldehyd-Oxidasen (AOXs) (E.C. 1.2.3.1) sind Molybdo-Flavo-Enzyme aus der Familie der Xanthin-Oxidasen (XO). AOXs in Säugetieren enthalten einen Molybdän-Cofaktor (Moco), ein Flavin-Adenosin-Dinukleotid (FAD) und zwei [2Fe-2S]-Cluster, deren Anwesenheit für die Aktivität des Enzyms essentiell ist. Die Humane Aldehyd-Oxidase (hAOX1) ist ein zytosolisches Enzym, das hauptsächlich in der Leber exprimiert wird und am Stoffwechsel von Xenobiotika beteiligt ist. hAOX1 oxidiert Aldehyde zu ihren entsprechenden Carbonsäuren und hydroxyliert N-heterocyclische Verbindungen. Da diese funktionellen Gruppen in Therapeutika weit verbreitet sind, hat das Verständnis des Verhaltens von hAOX1 wichtige Auswirkungen auf medizinische Studien. Während des Katalysezyklus von hAOX1 wird das Substrat an Moco oxidiert und die Elektronen werden über die FeS-Cluster intern auf FAD übertragen. Ein Elektronenakzeptor am FAD nimmt die Elektronen auf und re-oxidiert das Enzym für den nächsten Katalysezyklus. Molekularer Sauerstoff ist der endogene Elektronenakzeptor von hAOX1, der reduziert wird und reaktive Sauerstoffspezies (ROS) einschließlich Wasserstoffperoxid (H2O2) und Superoxid (O2.-) produziert. Die Produktion von ROS hat pathophysiologische Bedeutung mit weitreichenden Auswirkungen auf die Zellbestandteile und das Enzym selbst. In der vorliegenden Arbeit haben wir gezeigt, dass hAOX1 aufgrund der endogenen ROS-Produktion seine Aktivität über mehrere Katalysezyklen verliert und haben ein Cystein-reiches Motiv identifiziert, das hAOX1 vor den ROS-schädigenden Wirkungen schützt. Wir haben auch gezeigt, dass ein an Moco gebundener und für die katalytische Aktivität des Enzyms essentieller Sulfidoligand unter reduzierenden Bedingungen anfällig ist. Die im Verlauf der Reaktion entstehenden ROS sind in der Lage, diesen Sulfidoliganden aus dem Moco zu entfernen. ROS oxidieren auch bestimmte Cysteinreste. Die kombinierten Effekte von ROS auf den Sulfidoliganden und Cysteine führen zu einer Inaktivierung des Enzyms. Darüber hinaus berichten wir, dass Reduktionsmittel, die eine reaktive Sulfhydrylgruppe enthalten, selektiv einige der Säuger-AOX inaktivieren, indem sie den Sulfidoliganden beim Moco modifizieren. Der Mechanismus der ROS-Produktion durch hAOX1 ist ein weiterer Bereich, der im Rahmen dieser Arbeit untersucht wurde. Wir haben gezeigt, dass die Art von ROS, d. h. Wasserstoffperoxid (H2O2) und Superoxid (O2.-), die von hAOX1 produziert wird, durch eine bestimmte Position auf einem flexiblen Loop bestimmt wird, die sich in der Nähe von FAD befindet. Es scheint, dass die Größe der Kavität an der ROS-produzierenden Stelle, d. h. die N5-Position des FAD-Isoalloxazin-Rings, die Menge jedes ROS-Typs, der von hAOX1 erzeugt wird, kinetisch beeinflusst. Zusammenfassend ist hAOX1 ein Enzym mit zunehmender Bedeutung in pharmakologischen und medizinischen Studien, nicht nur aufgrund seiner Beteiligung am Arzneimittelstoffwechsel, sondern auch aufgrund der ROS-Produktion, die physiologische und pathologische Auswirkungen hat. KW - human aldehyde oxidase KW - reactive oxygen species (ROS) KW - Aldehydoxidase KW - reaktive Sauerstoffspezies (ROS) Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-534600 ER - TY - THES A1 - Nwosu, Ebuka Canisius T1 - Sedimentary DNA-based reconstruction of cyanobacterial communities from Lake Tiefer See, NE Germany, for the last 11,000 years N2 - Climate change and human-driven eutrophication promote the spread of harmful cyanobacteria blooms in lakes worldwide, which affects water quality and impairs the aquatic food chain. In recent times, sedimentary ancient DNA-based (sedaDNA) studies were used to probe how centuries of climate and environmental changes have affected cyanobacterial assemblages in temperate lakes. However, there is a lack of information on the consistency between sediment-deposited cyanobacteria communities versus those of the water column, and on the individual role of natural climatic changes versus human pressure on cyanobacteria community dynamics over multi-millennia time scales. Therefore, this thesis uses sedimentary ancient DNA of Lake Tiefer See in northeastern Germany to trace the deposition of cyanobacteria along the water column into the sediment, and to reconstruct cyanobacteria communities spanning the last 11,000 years using a set of molecular techniques including quantitative PCR, biomarkers, metabarcoding, and metagenome sequence analyses. The results of this thesis proved that cyanobacterial composition and species richness did not significantly differ among different water depths, sediment traps, and surface sediments. This means that the cyanobacterial community composition from the sediments reflects the water column communities. However, there is a skewed sediment deposition of different cyanobacteria groups because of DNA alteration and/or deterioration during transport along the water column to the sediment. Specifically, single filament taxa, such as Planktothrix, are poorly represented in sediments despite being abundant in the water column as shown by an additional study of the thesis on cyanobacteria seasonality. In contrast, aggregate-forming taxa, like Aphanizomenon, are relatively overrepresented in sediment although they are not abundant in the water column. These different deposition patterns of cyanobacteria taxa should be considered in future DNA-based paleolimnological investigations. The thesis also reveals a substantial increase in total cyanobacteria abundance during the Bronze Age which is not apparent in prior phases of the early to middle Holocene and is suggested to be caused by human farming, deforestation, and excessive nutrient addition to the lake. Not only cyanobacterial abundance was influenced by human activity but also cyanobacteria community composition differed significantly between phases of no, moderate, and intense human impact. The data presented in this thesis are the first on sedimentary cyanobacteria DNA since the early Holocene in a temperate lake. The results bring together archaeological, historical climatic, and limnological data with deep DNA-sequencing and paleoecology to reveal a legacy impact of human pressure on lake cyanobacteria populations dating back to approximately 4000 years. N2 - Der Klimawandel und die vom Menschen verursachte Eutrophierung fördern die Ausbreitung schädlicher Cyanobakterienblüten in Seen weltweit, was die Wasserqualität und die aquatische Nahrungskette beeinträchtigt. In jüngster Zeit wurden sedimentäre DNA (sedaDNA)-Studien verwendet, um zu untersuchen, wie sich klimatische- und menschliche Umweltveränderungen von Jahrhunderten auf Cyanobakteriengemeinschaften in Seen ausgewirkt haben. Jedoch fehlen bislang Informationen, wie repräsentativ die im Sediment abgelagerten Cyanobakterien und deren DNA für die Gemeinschaften der Wassersäule sind, sowie zur individuellen Rolle natürlicher klimatischer Veränderungen gegenüber dem menschlichen Einflusses auf die Dynamik von Cyanobakterien über Zeitskalen von Jahrtausenden. Daher wurde in dieser Arbeit sedimentäre alte DNA (sedaDNA) des Tiefen Sees in Nordostdeutschland verwendet, um die Ablagerung von Cyanobakterien entlang der Wassersäule in das Sediment zu verfolgen. Ein Hauptteil dieser Arbeit bildete jedoch die Rekonstruktion von Cyanobakteriengemeinschaften der letzten 11.000 Jahre, unter Verwendung einer Reihe von molekularen Techniken, darunter quantitative PCR, Biomarker, Metabarcoding und Metagenom-Sequenzanalysen. Die Ergebnisse dieser Arbeit beweisen, dass die Cyanobakterien-Zusammensetzung und der Artenreichtum zwischen verschiedenen Wassertiefen, Sedimentfallen und Oberflächensedimenten nicht signifikant unterschiedlich ist. Das bedeutet, dass die Zusammensetzung der Cyanobakteriengemeinschaften aus den Sedimenten die Gemeinschaften der Wassersäule widerspiegelt. Aufgrund von DNA-Veränderungen und/oder -Abbau während des Transports entlang der Wassersäule zum Sediment kommt es jedoch zu einer verzerrten Sedimentablagerung verschiedener Cyanobakterien Arten. Insbesondere sind filamentose Arten wie Planktothrix in Sedimenten schlecht vertreten, obwohl sie, laut Ergebnissen einer zusätzlichen Studie dieser Arbeit zur Saisonalität von Cyanobakterien, in der Wassersäule reichlich vorhanden sind. Im Gegensatz dazu sind aggregatbildende Arten wie Aphanizomenon in Sedimenten relativ gesehen überrepräsentiert, obwohl sie in der Wassersäule relativ selten vorkommen. Diese unterschiedlichen Muster zur Sedimentablagerung verschiedener Cyanobakterien Arten sollten in zukünftigen DNA-basierten paläolimnologischen Untersuchungen berücksichtigt werden. Die Dissertation zeigt auch eine deutliche Zunahme der Cyanobakterien Abundanz während der Bronzezeit, die in vorhergehenden Phasen des frühen und mittleren Holozäns nicht erkennbar war. Dies ist wahrscheinlich durch menschliche Landwirtschaft, Entwaldung und übermäßige Nährstoffzufuhr in den See verursacht worden. Nicht nur die Abundanz von Cyanobakterien wurde durch menschliche Aktivitäten beeinflusst, sondern auch die Zusammensetzung von deren Gemeinschaften, die sich signifikant zwischen Phasen unterscheidet, die durch keinen, moderaten, und intensiven menschlichen Einfluss gekennzeichnet sind. Die in dieser Dissertation präsentierten Daten sind die ersten zu sedimentärer Cyanobakterien-DNA seit dem frühen Holozän eines Sees der gemäßigte Klimazone. Die Ergebnisse vereinen archäologische, historische, klimatische und limnologische Daten mit hochaufgelöster und Hochdurchsatz-DNA-Sequenzierung und belegen, dass der menschliche Einfluss auf Cyanobakteriengemeinschaften in Seen etwa 4000 Jahre zurückreicht. KW - anthropogenic impact KW - paleoecology KW - high throughput sequencing KW - cyanobacteria biomarker KW - microbial diversity KW - microbial ecology KW - 7-methylheptadecane KW - 7-Methylheptadecan KW - anthropogene Einwirkung KW - Cyanobakterien-Biomarker KW - hoher Durchsatz Sequenzierung KW - mikrobielle Vielfalt KW - mikrobielle Ökologie KW - Paläoökologie Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-563590 ER - TY - THES A1 - Milles, Alexander T1 - Sources and consequences of intraspecific trait variation in movement behaviour T1 - Ursachen und Konsequenzen intraspezifischer Merkmalsvariation im Bewegungsverhalten N2 - Variation in traits permeates and affects all levels of biological organisation, from within individuals to between species. Yet, intraspecific trait variation (ITV) is not sufficiently represented in many ecological theories. Instead, species averages are often assumed. Especially ITV in behaviour has only recently attracted more attention as its pervasiveness and magnitude became evident. The surge in interest in ITV in behaviour was accompanied by a methodological and technological leap in the field of movement ecology. Many aspects of behaviour become visible via movement, allowing us to observe inter-individual differences in fundamental processes such as foraging, mate searching, predation or migration. ITV in movement behaviour may result from within-individual variability and consistent, repeatable among-individual differences. Yet, questions on why such among-individual differences occur in the first place and how they are integrated with life-history have remained open. Furthermore, consequences of ITV, especially of among-individual differences in movement behaviour, on populations and species communities are not sufficiently understood. In my thesis, I approach timely questions on the sources and consequences of ITV, particularly, in movement behaviour. After outlining fundamental concepts and the current state of knowledge, I approach these questions by using agent-based models to integrate concepts from behavioural and movement ecology and to develop novel perspectives. Modern coexistence theory is a central pillar of community ecology, yet, insufficiently considers ITV in behaviour. In chapter 2, I model a competitive two-species system of ground-dwelling, central-place foragers to investigate the consequences of among-individual differences in movement behaviour on species coexistence. I show that the simulated among-individual differences, which matched with empirical data, reduce fitness differences betweem species, i.e. provide an equalising coexistence mechanism. Furthermore, I explain this result mechanistically and, thus, resolve an apparent ambiguity of the consequences of ITV on species coexistence described in previous studies. In chapter 3, I turn the focus to sources of among-individual differences in movement behaviour and their potential integration with life-history. The pace-of-life syndrome (POLS) theory predicts that the covariation between among-individual differences in behaviour and life-history is mediated by a trade-off between early and late reproduction. This theory has generated attention but is also currently scrutinised. In chapter 3, I present a model which supports a recent conceptual development that suggests fluctuating density-dependent selection as a cause of the POLS. Yet, I also identified processes that may alter the association between movement behaviour and life-history across levels of biological organization. ITV can buffer populations, i.e. reduce their extinction risk. For instance, among-individual differences can mediate portfolio effects or increase evolvability and, thereby, facilitate rapid evolution which can alleviate extinction risk. In chapter 4, I review ITV, environmental heterogeneity, and density-dependent processes which constitute local buffer mechanisms. In the light of habitat isolation, which reduces connectivity between populations, local buffer mechanisms may become more relevant compared to dispersal-related regional buffer mechanisms. In this chapter, I argue that capacities, latencies, and interactions of local buffer mechanisms should motivate more process-based and holistic integration of local buffer mechanisms in theoretical and empirical studies. Recent perspectives propose to apply principles from movement and community ecology to study filamentous fungi. It is an open question whether and how the arrangement and geometry of microstructures select for certain movement traits, and, thus, facilitate coexistence-stabilising niche partitioning. As a coauthor of chapter 5, I developed an agent-based model of hyphal tips navigating in soil-like microstructures along a gradient of soil porosity. By measuring network properties, we identified changes in the optimal movement behaviours along the gradient. Our findings suggest that the soil architecture facilitates niche partitioning. The core chapters are framed by a general introduction and discussion. In the general introduction, I outline fundamental concepts of movement ecology and describe theory and open questions on sources and consequences of ITV in movement behaviour. In the general discussion, I consolidate the findings of the core chapters and critically discuss their respective value and, if applicable, their impact. Furthermore, I emphasise promising avenues for further research. N2 - Die Variation von Merkmalen durchdringt und beeinflusst alle Ebenen der biologischen Organisation, von Individuen bis hin zu Artgemeinschaften. Dennoch wird die intraspezifische Merkmalsvariation (ITV) in vielen ökologischen Theorien nicht ausreichend berücksichtigt. Stattdessen wird oft von Durchschnittswerten der Arten ausgegangen. Insbesondere ITV im Verhalten hat erst in jüngster Zeit mehr Aufmerksamkeit erfahren, als dessen Verbreitung und Ausmaß deutlich wurden. Der Anstieg des Interesses an ITV im Verhalten ging mit einem methodischen und technologischen Sprung auf dem Gebiet der Bewegungsökologie einher. Viele Aspekte des Verhaltens werden durch die Bewegung sichtbar und ermöglichen es uns, interindividuelle Unterschiede bei grundlegenden Prozessen wie Nahrungssuche, Partnersuche, Räuber-Beute-Beziehungen oder Migration zu beobachten. ITV im Bewegungsverhalten kann aus intraindividueller Variabilität und konsistenten, wiederholbaren Unterschieden zwischen einzelnen Individuen resultieren. Die Fragen, weshalb solche Unterschiede interindividuellen Unterschiede überhaupt auftreten und wie sie mit der Lebensgeschichte ("life-history") zusammenhängen, sind jedoch bislang ungeklärt. Darüber hinaus sind die Folgen von ITV, insbesondere von individuellen Unterschieden im Bewegungsverhalten, für Populationen und Artengemeinschaften nicht ausreichend bekannt. In meiner Dissertation gehe ich aktuellen Fragen zu den Quellen und Folgen von ITV, insbesondere im Bewegungsverhalten, nach. Nach einer Darstellung grundlegender Konzepte und des aktuellen Wissensstandes nähere ich mich diesen Fragen mit Hilfe agentenbasierter Modelle, um Konzepte aus der Verhaltens- und Bewegungsökologie zu integrieren und neue Perspektiven zu entwickeln. Die moderne Koexistenztheorie ist ein zentraler Pfeiler der Gemeinschaftsökologie, berücksichtigt aber ITV im Verhalten nur unzureichend. In Kapitel 2 modelliere ich ein System zweiter konkurrierender, bodenbewohnender Arten mit zentralisierten Streifgebieten, um die Folgen von Unterschieden im Bewegungsverhalten zwischen Individuen auf die Koexistenz der Arten zu untersuchen. Ich zeige, dass die simulierten interindividuellen Unterschiede, die mit empirischen Daten übereinstimmen, die Fitnessunterschiede zwischen den Arten verringern, d. h. einen ausgleichenden Koexistenzmechanismus darstellen. Darüber hinaus erkläre ich dieses Ergebnis mechanistisch und löse damit eine scheinbare Zweideutigkeit der in früheren Studien beschriebenen Folgen von ITV auf die Koexistenz von Arten auf. In Kapitel 3 richte ich den Fokus auf die Quellen individueller Unterschiede im Bewegungsverhalten und deren mögliche Integration in die Lebensgeschichte. Die Theorie des "pace-of-life" Syndroms (POLS) sagt voraus, dass die Kovariation zwischen individuellen Unterschieden im Verhalten und der Lebensgeschichte durch einen Zielkonflikt zwischen früher und später Reproduktion vermittelt wird. Diese Theorie hat viel Aufmerksamkeit erregt, wird aber derzeit auch kritisch betrachtet. In Kapitel 3 stelle ich ein Modell vor, das Hypothesen einer neuere konzeptionelle Entwicklung stützt, die eine fluktuierende, dichteabhängige Selektion als Ursache des POLS nahelegt. Ich habe jedoch auch Prozesse identifiziert, die den Zusammenhang zwischen Bewegungsverhalten und Lebensgeschichte auf verschiedenen Ebenen der biologischen Organisation verändern können. ITV kann Populationen puffern, d. h. ihr Aussterberisiko verringern. So können beispielsweise Unterschiede zwischen Individuen Portfolioeffekte vermitteln oder die Fähigkeit zur Anpassung erhöhen und damit etwa eine schnelle Evolution erleichtern, die das Aussterberisiko verringern kann. In Kapitel 4 gebe ich einen Überblick über ITV, Umweltheterogenität und dichteabhängige Prozesse, die lokale Puffermechanismen darstellen. Angesichts der Isolierung von Lebensräumen, die die Konnektivität zwischen Populationen verringert, können lokale Puffermechanismen im Vergleich zu ausbreitungsbedingten regionalen Puffermechanismen an Bedeutung gewinnen. In diesem Kapitel argumentiere ich, dass Kapazitäten, Latenzen und Interaktionen lokaler Puffermechanismen zu einer prozessbasierten und ganzheitlichen Integration lokaler Puffermechanismen in theoretischen und empirischen Studien motivieren sollten. Neuere konzeptionelle Einsichten legen nahe, dass Prinzipien aus der Bewegungs- und Gemeinschaftsökologie auf die Untersuchung filamentöser Pilze angewendet können. In diesem Zusammenhang ist es eine offene Frage, ob und wie die Anordnung und Geometrie von Mikrostrukturen für bestimmte Bewegungseigenschaften selektieren und damit eine koexistenzstabilisierende Nischenaufteilung erleichtern. Als Koautor von Kapitel 5 habe ich ein agentenbasiertes Modell der Hyphenspitzen entwickelt. In diesem Modell navigieren die Hyphenspitzen in bodenähnlichen Mikrostrukturen entlang eines Gradienten der Bodenporosität. Durch die Messung von Netzwerkeigenschaften konnten wir Veränderungen des optimalen Bewegungsverhaltens entlang des Gradienten feststellen. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Bodenarchitektur eine ökologische Nische mit verschiedenen Bewegungsoptima darstellt. Die Hauptkapitel werden von einer allgemeinen Einführung und einer Diskussion eingerahmt. In der allgemeinen Einführung umreiße ich die grundlegenden Konzepte der Bewegungsökologie und beschreibe die Theorie und die offenen Fragen zu den Ursachen und Folgen von ITV im Bewegungsverhalten. In der allgemeinen Diskussion fasse ich die Ergebnisse der Kernkapitel zusammen und diskutiere kritisch ihren jeweiligen Wert und gegebenenfalls ihre Auswirkungen. Darüber hinaus zeige ich vielversprechende Wege für künftige Forschungsarbeiten auf. KW - ecology KW - movement ecology KW - agent-based model KW - intraspecific variation KW - species coexistence KW - pace-of-life syndrome KW - population persistence KW - Ökologie KW - Bewegungsökologie KW - Agentenbasierte Modelle KW - Intraspezifische Variation KW - Koexistenz KW - Pace-of-Life Syndrom KW - Populationspersistenz Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-565011 ER - TY - THES A1 - Folikumah, Makafui Yao T1 - Stimuli-promoted in situ formation of hydrogels with thiol/thioester containing peptide precursors T1 - Stimuli-induzierte In-Situ-Bildung von Hydrogelen durch Peptid-Prekursor mit Thiol/Thioestergruppen N2 - Hydrogels are potential synthetic ECM-like substitutes since they provide functional and structural similarities compared to soft tissues. They can be prepared by crosslinking of macromolecules or by polymerizing suitable precursors. The crosslinks are not necessarily covalent bonds, but could also be formed by physical interactions such as π-π interactions, hydrophobic interactions, or H-bonding. On demand in situ forming hydrogels have garnered increased interest especially for biomedical applications over preformed gels due to the relative ease of in vivo delivery and filling of cavities. The thiol-Michael addition reaction provides a straightforward and robust strategy for in situ gel formation with its fast reaction kinetics and ability to proceed under physiological conditions. The incorporation of a trigger function into a crosslinking system becomes even more interesting since gelling can be controlled with stimulus of choice. The use of small molar mass crosslinker precursors with active groups orthogonal to thiol-Michael reaction type electrophile provides the opportunity to implement an on-demand in situ crosslinking without compromising the fast reaction kinetics. It was postulated that short peptide sequences due to the broad range structural-function relations available with the different constituent amino acids, can be exploited for the realisation of stimuli-promoted in situ covalent crosslinking and gelation applications. The advantages of this system over conventional polymer-polymer hydrogel systems are the ability tune and predict material property at the molecular level. The main aim of this work was to develop a simplified and biologically-friendly stimuli-promoted in situ crosslinking and hydrogelation system using peptide mimetics as latent crosslinkers. The approach aims at using a single thiodepsipeptide sequence to achieve separate pH- and enzyme-promoted gelation systems with little modification to the thiodepsipeptide sequence. The realization of this aim required the completion of three milestones. In the first place, after deciding on the thiol-Michael reaction as an effective in situ crosslinking strategy, a thiodepsipeptide, Ac-Pro-Leu-Gly-SLeu-Leu-Gly-NEtSH (TDP) with expected propensity towards pH-dependent thiol-thioester exchange (TTE) activation, was proposed as a suitable crosslinker precursor for pH-promoted gelation system. Prior to the synthesis of the proposed peptide-mimetic, knowledge of the thiol-Michael reactivity of the would-be activated thiol moiety SH-Leu, which is internally embedded in the thiodepsipeptide was required. In line with pKa requirements for a successful TTE, the reactivity of a more acidic thiol, SH-Phe was also investigated to aid the selection of the best thiol to be incorporated in the thioester bearing peptide based crosslinker precursor. Using ‘pseudo’ 2D-NMR investigations, it was found that only reactions involving SH-Leu yielded the expected thiol-Michael product, an observation that was attributed to the steric hindrance of the bulkier nature of SH-Phe. The fast reaction rates and complete acrylate/maleimide conversion obtained with SH-Leu at pH 7.2 and higher aided the direct elimination of SH-Phe as a potential thiol for the synthesis of the peptide mimetic. Based on the initial studies, for the pH-promoted gelation system, the proposed Ac-Pro-Leu-Gly-SLeu-Leu-Gly-NEtSH was kept unmodified. The subtle difference in pKa values between SH-Leu (thioester thiol) and the terminal cysteamine thiol from theoretical conditions should be enough to effect a ‘pseudo’ intramolecular TTE. In polar protic solvents and under basic aqueous conditions, TDP successfully undergoes a ‘pseudo’ intramolecular TTE reaction to yield an α,ω-dithiol tripeptide, HSLeu-Leu-Gly-NEtSH. The pH dependence of thiolate ion generation by the cysteamine thiol aided the incorporation of the needed stimulus (pH) for the overall success of TTE (activation step) – thiol-Michael addition (crosslinking) strategy. Secondly, with potential biomedical applications in focus, the susceptibility of TDP, like other thioesters, to intermolecular TTE reaction was probed with a group of thiols of varying thiol pKa values, since biological milieu characteristically contain peptide/protein thiols. L-cysteine, which is a biologically relevant thiol, and a small molecular weight thiol, methylthioglycolate both with relatively similar thiol pKa, values, led to an increase concentration of the dithiol crosslinker when reacted with TDP. In the presence of acidic thiols (p-NTP and 4MBA), a decrease in the dithiol concentration was observed, an observation that can be attributed to the inability of the TTE tetrahedral intermediate to dissociate into exchange products and is in line with pKa requirements for successful TTE reaction. These results additionally makes TDP more attractive and the potentially the first crosslinker precursor for applications in biologically relevant media. Finally, the ability of TDP to promote pH-sensitive in situ gel formation was probed with maleimide functionalized 4-arm polyethylene glycol polymers in tris-buffered media of varying pHs. When a 1:1 thiol: maleimide molar ratio was used, TDP-PEG4MAL hydrogels formed within 3, 12 and 24 hours at pH values of 8.5, 8.0 and 7.5 respectively. However, gelation times of 3, 5 and 30 mins were observed for the same pH trend when the thiol: maleimide molar was increased to 2:1. A direct correlation of thiol content with G’ of the gels at each pH could also be drawn by comparing gels with thiol: maleimide ratios of 1:1 to those with 2:1 thiol: maleimide mole ratios. This is supported by the fact that the storage modulus (G') is linearly dependent on the crosslinking density of the polymer. The values of initial G′ for all gels ranged between (200 – 5000 Pa), which falls in the range of elasticities of certain tissue microenvironments for example brain tissue 200 – 1000 Pa and adipose tissue (2500 – 3500 Pa). Knowledge so far gained from the study on the ability to design and tune the exchange reaction of thioester containing peptide mimetic will give those working in the field further insight into the development of new sequences tailored towards specific applications. TTE substrate design using peptide mimetic as presented in this work has revealed interesting new insights considering the state-of-the-art. Using the results obtained as reference, the strategy provides a possibility to extend the concept to the controlled delivery of active molecules needed for other robust and high yielding crosslinking reactions for biomedical applications. Application for this sequentially coupled functional system could be seen e.g. in the treatment of inflamed tissues associated with urinary tract like bladder infections for which pH levels above 7 were reported. By the inclusion of cell adhesion peptide motifs, the hydrogel network formed at this pH could act as a new support layer for the healing of damage epithelium as shown in interfacial gel formation experiments using TDP and PEG4MAL droplets. The versatility of the thiodepsipeptide sequence, Ac-Pro-Leu-Gly-SLeu-Leu-Gly-(TDPo) was extended for the design and synthesis of a MMP-sensitive 4-arm PEG-TDPo conjugate. The purported cleavage of TDPo at the Gly-SLeu bond yields active thiol units for subsequent reaction of orthogonal Michael acceptor moieties. One of the advantages of stimuli-promoted in situ crosslinking systems using short peptides should be the ease of design of required peptide molecules due to the predictability of peptide functions their sequence structure. Consequently the functionalisation of a 4-arm PEG core with the collagenase active TDPo sequence yielded an MMP-sensitive 4-arm thiodepsipeptide-PEG conjugate (PEG4TDPo) substrate. Cleavage studies using thiol flourometric assay in the presence of MMPs -2 and -9 confirmed the susceptibility of PEG4TDPo towards these enzymes. The resulting time-dependent increase in fluorescence intensity in the presence of thiol assay signifies the successful cleavage of TDPo at the Gly-SLeu bond as expected. It was observed that the cleavage studies with thiol flourometric assay introduces a sigmoid non-Michaelis-Menten type kinetic profile, hence making it difficult to accurately determine the enzyme cycling parameters, kcat and KM . Gelation studies with PEG4MAL at 10 % wt. concentrations revealed faster gelation with MMP-2 than MMP-9 with 28 and 40 min gelation times respectively. Possible contributions by hydrolytic cleavage of PEG4TDPo has resulted in the gelation of PEG4MAL blank samples but only after 60 minutes of reaction. From theoretical considerations, the simultaneous gelation reaction would be expected to more negatively impact the enzymatic than hydrolytic cleavage. The exact contributions from hydrolytic cleavage of PEG4TDPo would however require additional studies. In summary this new and simplified in situ crosslinking system using peptide-based crosslinker precursors with tuneable properties exhibited in situ crosslinking gelation kinetics on similar levels with already active dithiols reported. The advantageous on-demand functionality associated with its pH-sensitivity and physiological compatibility makes it a strong candidate worth further research as biomedical applications in general and on-demand material synthesis is concerned. Results from MMP-promoted gelation system unveils a simple but unexplored approach for in situ synthesis of covalently crosslinked soft materials, that could lead to the development of an alternative pathway in addressing cancer metastasis by making use of MMP overexpression as a trigger. This goal has so far not being reach with MMP inhibitors despite the extensive work this regard. N2 - Hydrogele sind synthetische, potenziell ECM-ähnliche Substituenten, die funktionelle und strukturelle Ähnlichkeiten mit Weichteilgeweben aufweisen. Sie können durch Vernetzung von Makromolekülen oder durch Polymerisation geeigneter Precursoren hergestellt werden. Die Vernetzungen müssen nicht unbedingt aus kovalenten Bindungen bestehen, sondern können auch durch physikalische Wechselwirkungen wie π-π-Wechselwirkungen, hydrophoben Wechselwirkungen oder Wasserstoff-Brückenbindungen entstehen. In-situ-Hydrogele, die on-demand gebildet werden, haben vor allem für biomedizinische Anwendungen gegenüber vorgefertigten Gelen zunehmend an Interesse gewonnen, da sie relativ einfach in-vivo eingebracht und somit Fehlstellen gefüllt werden können. Die Thiol-Michael-Additionsreaktion bietet mit ihrer schnellen Reaktionskinetik und ihrer Fähigkeit, unter physiologischen Bedingungen abzulaufen, eine unkomplizierte und robuste Strategie für die in-situ-Gelbildung. Der Einbau einer Triggerfunktion in ein Vernetzungssystem ist besonders interessant, da die Gelierung durch einen gewählten Stimulus gesteuert werden kann. Die Verwendung eines Precursors mit geringer Molmasse und aktiven Gruppen, die orthogonal zu den Elektrophilen des Thiol-Michael-Reaktionstyps sind, bietet die Möglichkeit, eine bedarfsgesteuerte in-situ-Vernetzung zu realisieren, ohne die schnelle Reaktionskinetik zu beeinträchtigen. Es wurde postuliert, dass kurze Peptidsequenzen aufgrund der weitreichenden Struktur-Funktions-Beziehungen, die mit den verschiedenen konstituierenden Aminosäuren zur Verfügung stehen, für die Realisierung von Stimulus-ausgelösten, in-situ kovalenten Vernetzungs- und Gelierungsanwendungen genutzt werden können. Die Vorteile dieses Systems gegenüber herkömmlichen Polymer-Polymer-Hydrogelsystemen liegen in der Möglichkeit, die Materialeigenschaften auf molekularer Ebene zu justieren und vorherzusagen. Das Hauptziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines vereinfachten und biologisch-geeigneten, stimulierungsgeförderten in-situ-Vernetzungs- und Hydrogelierungssystems unter Verwendung von Peptidmimetika als latente Vernetzer. Der Ansatz zielt darauf ab, eine einzige Thiodepsipeptidsequenz zu verwenden, um getrennte pH- und enzymausgelöste Gelierungssysteme mit geringen Modifikationen der Thiodepsipeptidsequenz zu erreichen. Zur Verwirklichung dieses Ziels, mussten drei Meilensteine erreicht werden. Nach der Wahl der Thiol-Michael-Reaktion als in-situ-Vernetzungsstrategie, musste ein Thiodepsipeptid, Ac-Pro-Leu-Gly-SLeu-Leu-Gly-NEtSH (TDP) mit einer zu erwartenden Neigung zu einer pH-abhängigen Thiol-Thioester-Austausch-Aktivierung (TTE), als geeignetem Vernetzer-Precursor für das pH-unterstützte Gelierungssystem designt werden. Vor der Synthese dieses Peptid-Mimetikums war die Untersuchung der Thiol-Michael-Reaktivität der potenziell aktivierten Thiolkomponente SH-Leu erforderlich, die intern in das Thiodepsipeptid eingebettet ist. In Übereinstimmung mit den pKa-Anforderungen für eine erfolgreiche TTE wurde auch die Reaktivität eines saureren Thiols, SH-Phe, untersucht, um die Auswahl des besten Thiols zu ermöglichen, das in den Thioester-tragenden Peptid-basierten Vernetzer-Precursor eingebaut werden sollte. Pseudo-2D-NMR-Untersuchungen zeigten, dass nur Reaktionen mit SH-Leu das erwartete Thiol-Michael-Produkt ergaben, eine Beobachtung, die auf die sterische Hinderung durch die sperrige Natur von SH-Phe zurückzuführen ist. Wegen der schnellen Reaktionsgeschwindigkeiten und der vollständigen Acrylat/Maleimid-Umwandlung, die mit SH-Leu bei einem pH-Wert von 7,2 und höher erzielt wurde, kam SH-Phe als potenzielles Thiol für die Synthese des Peptidmimetikums nicht mehr infrage. Auf der Grundlage der ersten Studien wurde für das pH-basierte Gelierungssystem das vorgeschlagene Ac-Pro-Leu-Gly-SLeu-Leu-Gly-NEtSH unverändert beibehalten. Der geringe Unterschied in den pKa-Werten zwischen SH-Leu (Thioesterthiol) und dem terminalen Cysteaminthiol sollte ausreichen, um eine "pseudo"-intramolekulare TTE zu bewirken. In polaren protischen Lösungsmitteln und unter basischen wässrigen Bedingungen verläuft die "pseudo"-intramolekulare TTE-Reaktion bei TDP erfolgreich, bei der ein α,ω-Dithiol-Tripeptid, HSLeu-Leu-Gly-NEtSH, entsteht. Die pH-Abhängigkeit der Thiolat-Ionen-Generierung durch das Cysteamin-Thiol trug dazu bei, den notwendigen Stimulus (pH) für den Gesamterfolg der TTE (Aktivierungsschritt) - Thiol-Michael-Addition (Vernetzung) Strategie einzubauen. Zweitens wurde mit Blick auf potenzielle biomedizinische Anwendungen die Empfindlichkeit von TDP, wie auch anderer Thioester, für die intermolekulare TTE-Reaktion mit einer Gruppe von Thiolen mit unterschiedlichen Thiol-pKa-Werten untersucht, da biologische Milieus typischerweise Peptid-/Proteinthiole enthalten. L-Cystein, ein biologisch relevantes Thiol, und ein Thiol mit geringem Molekulargewicht, Methylthioglykolat, die beide relativ ähnliche Thiol-pKa-Werte besitzen, führten bei der Reaktion mit TDP zu einer erhöhten Konzentration des Dithiol-Vernetzers. In Gegenwart von sauren Thiolen (p-NTP und 4MBA) wurde eine Abnahme der Dithiolkonzentration beobachtet, eine Beobachtung, die auf die Unfähigkeit des tetraedrischen TTE-Zwischenprodukts in Austauschprodukte zu dissoziieren zurückgeführt werden kann und mit den pKa-Anforderungen für eine erfolgreiche TTE-Reaktion in Einklang steht. Diese Ergebnisse machen TDP noch attraktiver und zum potenziell ersten Vernetzer-Precursor für Anwendungen in biologisch relevanten Medien. Schließlich wurde die Fähigkeit von TDP, die pH-empfindliche in-situ-Gelbildung zu fördern, mit Maleimid-funktionalisierten 4-armigen Polyethylenglykolpolymeren in tris-gepufferten Medien mit unterschiedlichen pH-Werten untersucht. Bei einem Molverhältnis von 1:1 Thiol zu Maleimid bildeten sich TDP-PEG4MAL-Hydrogele innerhalb von 3, 12 und 24 Stunden bei pH-Werten von 8,5, 8,0 bzw. 7,5. Bei einer Erhöhung des Molverhältnisses von Thiol zu Maleimid auf 2:1 wurden jedoch Gelierzeiten von 3, 5 und 30 Minuten für denselben pH-Trend beobachtet. Ein direkter Zusammenhang zwischen dem Thiolgehalt und G' der Gele bei jedem pH-Wert konnte auch durch den Vergleich von Gelen mit einem Thiol/Maleimid-Molverhältnis von 1:1 mit solchen mit einem Thiol/Maleimid-Molverhältnis von 2:1 hergestellt werden. Dies wird durch die Tatsache unterstützt, dass der Speichermodulus (G') linear von der Vernetzungsdichte des Polymers abhängig ist. Die Werte des anfänglichen G′ für alle Gele lagen bei 200 - 5000 Pa, was in den Bereich der Elastizitäten bestimmter Gewebe-Mikroumgebungen fällt, z. B. Gehirngewebe (200 - 1000 Pa) und Fettgewebe (2500 - 3500 Pa). Die bisher aus der Studie gewonnenen Erkenntnisse über die Möglichkeit, die Austauschreaktion von Thioester-haltigen Peptidmimetika zu entwerfen und abzustimmen, geben weitere Einblicke in die Entwicklung neuer, auf spezifische Anwendungen zugeschnittener Sequenzen. Das Design von TTE-Substraten unter Verwendung von Peptidmimetika, wie es in dieser Arbeit vorgestellt wurde, hat interessante neue Erkenntnisse im Hinblick auf den Stand der Technik gebracht. Mit den erzielten Ergebnissen als Basis bietet die Strategie die Möglichkeit, das Konzept auf die kontrollierte Freisetzung aktiver Moleküle zu erweitern, die für andere robuste Vernetzungsreaktionen mit hohem Umsatz für biomedizinische Anwendungen benötigt werden. Dieses sequentiell gekoppelte funktionelle System könnte z. B. bei der Behandlung von entzündetem Gewebe im Zusammenhang mit Harnwegsinfektionen wie Blasenentzündungen eingesetzt werden, für die pH-Werte über 7 berichtet wurden. Durch die Einbeziehung von Zelladhäsionspeptidmotiven könnte das bei diesem pH-Wert gebildete Hydrogelnetz als neue Stützschicht für die Heilung von geschädigtem Epithel fungieren, wie in Experimenten zur Bildung von Grenzflächengelen mit TDP- und PEG4MAL-Tropfen gezeigt wurde. Die Vielseitigkeit der Thiodepsipeptidsequenz Ac-Pro-Leu-Gly-SLeu-Leu-Gly-(TDPo) wurde um Design und die Synthese eines MMP-empfindlichen 4-armigen PEG-TDPo-Konjugats erweitert. Die beabsichtigte Spaltung von TDPo an der Gly-SLeu-Bindung liefert aktive Thiol-Einheiten für die anschließende Reaktion orthogonaler Michael-Akzeptor-Einheiten. Einer der Vorteile stimulierungsgestützter in-situ-Vernetzungssysteme unter Verwendung kurzer Peptide dürfte darin liegen, dass sich die erforderlichen Peptidmoleküle aufgrund der Vorhersagbarkeit der Peptidfunktionen und ihrer Sequenzstruktur leicht entwerfen lassen. Die Funktionalisierung eines vierarmigen PEG-Kerns mit der kollagenaseaktiven TDPo-Sequenz führte zu einem MMP-empfindlichen vierarmigen Thiodepsipeptid-PEG-Konjugat (PEG4TDPo). Spaltungs-Studien unter Verwendung eines thiolfluorimetrischen Assays in Gegenwart der MMPs -2 und -9 bestätigten die Spaltbarkeit von PEG4TDPo durch diese Enzyme. Der daraus resultierende zeitabhängige Anstieg der Fluoreszenzintensität in Anwesenheit des Thiol-Assays deutet auf die erfolgreiche Spaltung von TDPo an der Gly-SLeu-Bindung hin. Es wurde festgestellt, dass die Spaltungsstudien mit dem thiol-fluorimetrischen Assay ein sigmoides, nicht-Michaelis-Menten-artiges kinetisches Profil ergeben, was eine genaue Bestimmung der Enzymzyklusparameter, kcat und KM, erschwert. Gelierungsstudien mit PEG4MAL in einer Konzentration von 10 Gew.-% ergaben eine schnellere Gelierung mit MMP-2 als mit MMP-9 mit Gelierungszeiten von 28 bzw. 40 Minuten. Eventuelle Beiträge durch hydrolytische Spaltung von PEG4TDPo an der Gelierung wurden an PEG4MAL-Blindproben untersucht und führten erst nach 60 Minuten Reaktionszeit zu einer Gelierung. Aus theoretischen Überlegungen heraus wäre zu erwarten, dass sich die gleichzeitige Gelierungsreaktion negativer auf die enzymatische als auf die hydrolytische Spaltung auswirkt. Genaues zum Beitrag der hydrolytischen Spaltung von PEG4TDPo bedürfte jedoch weiterer Untersuchungen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass dieses neue in-situ-Vernetzungssystem, bei dem Peptid-basierte Vernetzungs-Precursor mit einstellbaren Eigenschaften verwendet werden, eine in-situ-Vernetzungs-Gelierungskinetik auf ähnlichem Niveau wie bei bereits berichteten aktiven Dithiole aufweist. Die vorteilhafte On-Demand-Funktionalität in Verbindung mit ihrer pH-Sensitivität und physiologischen Verträglichkeit macht sie zu einem interessanten Kandidaten für weitere Forschungen im Bereich biomedizinischer Anwendungen im Allgemeinen und der On-Demand-Materialsynthese. Die Ergebnisse des MMP-geförderten Gelierungssystems weisen einen einfachen, aber unerforschten Ansatz für die in-situ-Synthese kovalent vernetzter weicher Materialien, der zur Entwicklung eines alternativen Weges zur Bekämpfung der Krebsmetastasierung führen könnte, indem er die MMP-Überexpression als Auslöser nutzt. Mit MMP-Inhibitoren wurde dieses Ziel trotz umfangreicher Arbeiten in dieser Hinsicht bisher nicht erreicht. KW - hydrogels KW - stimuli KW - peptide KW - thioester KW - crosslinker KW - Hydrogele KW - Vernetzer KW - Peptid KW - Thioester KW - Stimuli Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-569713 ER - TY - THES A1 - Wojciechowska, Izabela T1 - The journey towards the discovery of new protein-metabolite interactions in Arabidopsis thaliana and further functional characterization of selected binding events Y1 - 2022 ER - TY - THES A1 - Qin, Miaojing T1 - The role of heat shock proteins (HSP23s and HSP70-4) for heat stress memory in plants N2 - Heat is a significant climatic condition that threatens crop growth and survival. Extreme temperature occurrences in nature are becoming more severe, more frequent and longer-lasting, all of which have deleterious repercussions for agricultural production. As a result, it is critical to learn more about the mechanisms that lead to increased heat tolerance in plants. To endure and survive, higher plants have evolved complex mechanisms to respond to various amounts of heat stress. Plants have a thermal tolerance that permits them to survive rapid and dramatic temperature rises for a limited time. Plants can also be primed to withstand heat stress (HS) that would otherwise be lethal by exposing them to short, moderate, and non-lethal HS (referred to as a priming stimulus) before being exposed to severe HS. A prepared acquired thermotolerance in primed plants can be maintained for a long time under optimal circumstances, implying that plants can store information during this period. Several studies have shown that acquired thermotolerance (thermopriming) refers to the increased resistance of cells, tissues, and organisms to elevated temperatures after prior heat exposure. Maintenance of acquired thermotolerance (thermomemory) is associated with the synthesis of specialized stress proteins involved in cellular protection and accelerated tissue repair, such as heat shock proteins (HSPs). Recent studies showed a main role of heat shock proteins for turnover of protein quality components, e.g. HSP21 in the chloroplast in the regulation of thermomemory. As an important organelle, mitochondrial function is critical for plant cell responses to heat. However, it is still unknown what the molecular and physiological involvement of HSPs is in mitochondrial function and thermomemory. In our study, we showed that thermopriming induces transcript and protein levels of two mitochondrial small heat shock proteins, HSP23.5 (AT5G51440) and HSP23.6 (AT4G25200), which last for 2-3 days throughout the thermomemory phase. The morphological analysis of HSP23.5/6 transgenic plants demonstrated HSP23.5/6 function redundantly in heat stress. We showed that hsp23.5/6 double knockout plants had abnormalities in thermomemory at the seedling stage, and that mature hsp23.5/6 4 plants are more sensitive to both basal thermotolerance and thermomemory. Heat treatment significantly impacted the respiration rate of hsp23.5/6 seedlings compared to WT, indicating mitochondrial dysfunction dependent on HSP23.5 and HSP23.6. In addition, we tested and confirmed the chaperone activity of HSP23.6 toward the model substrate protein malate dehydrogenase (MDH) in vitro, indicating that HSP23.6 potentially contributes to the maintenance of cellular viability. Furthermore, we discovered a novel HSP23.6 client protein, CIB22, a mitochondrial complex-I subunit protein. According to experimental data (BiFC and Co-IP), HSP23.6 and CIB22 interact in plant cells. We also identified a heat response phenotype in the cib22 mutant compared to WT, as well as CIB22 protein degradation in the hsp23.5/6 mutant when exposed to heat. Our findings suggest that the two mitochondrial-localized heat shock proteins play a role in thermotolerance, presumably by influencing mitochondrial function and structure. More broadly, to identify novel genetic components associated with thermomemory in plants, we performed proteome profiling for Arabidopsis WT (Col-0) seedlings during thermomemory. Multiple time point samples of priming and triggering with controls were collected and analyzed to reveal the dynamic proteome changes during the memory phase in Arabidopsis cells. Among the top memory-associated proteins, we discovered that HSP70-4 was significantly upregulated after priming and remains high (at least 2-fold) for the next four days. By morphologically analyzing their heat stress behaviors, we were able to verify that HSP70-4 is involved in plant heat stress response. More intriguingly, we discovered that following priming, HSP70-4-GFP creates cytosolic foci that persist for a few days into the recovery period. We propose that these foci are linked to SGs due to cycloheximide (CHX) repressing the GFP-foci signal when exposed to heat. These findings indicate an HSP70-4-mediated transcription and translation control link (module) during basal thermotolerance and thermomemory, as well as its potential role(s) in heat stress response. To summarize, our research provides new insight into the role of heat shock proteins in controlling heat stress tolerance and memory. N2 - Hitze ist eine bedeutende klimatische Bedingung, die das Wachstum und das Überleben von Pflanzen bedroht. Extreme Temperaturereignisse in der Natur werden gravierender, häufiger, länger anhaltend, was sich nachteilig auf die landwirtschaftliche Produktion auswirkt. Daher ist es wichtig, mehr über die Mechanismen zu erfahren, die zu einer erhöhten Hitzetoleranz bei Pflanzen führen. Um auszuhalten und zu überleben, haben höhere Pflanzen komplexe Mechanismen entwickelt, um auf verschiedene Intensitäten von Hitzestress zu reagieren. Pflanzen haben eine thermische Toleranz, die es ihnen ermöglicht, schnelle und dramatische Temperaturanstiege für eine begrenzte Zeit zu überleben. Pflanzen können auch darauf vorbereitet werden, Hitzestress (HS) zu widerstehen, der ansonsten tödlich wäre, indem man sie kurzen, moderaten und nicht-tödlichen HS (als Priming-Stimulus bezeichnet) aussetzt, bevor sie hohem HS ausgesetzt werden. Eine erworbene Thermotoleranz kann bei Pflanzen unter optimalen Bedingungen lange aufrechterhalten werden, was bedeutet, dass Pflanzen während dieser Zeit Informationen speichern können. Mehrere Studien haben gezeigt, dass sich erworbene Thermotoleranz (Thermopriming) auf die erhöhte Widerstandsfähigkeit von Zellen, Geweben und Organismen gegenüber erhöhten Temperaturen nach vorheriger Hitzeeinwirkung bezieht. Die Aufrechterhaltung der erworbenen Thermotoleranz (Thermomemory) ist mit der Synthese von speziellen Stressproteinen verbunden, die am Zellschutz und der beschleunigten Gewebereparatur beteiligt sind, wie z. B. Hitzeschockproteine (HSPs). Neuere Studien haben eine Beteiligung von Hitzeschockproteinen, z.B. HSP21, in Chloroplasten an der Regulation des Thermogedächtnisses belegt. Als wichtiges Organell ist die mitochondriale Funktion entscheidend für die Reaktion von Pflanzenzellen auf Hitze. Es ist jedoch noch unbekannt, wie die molekulare und physiologische Beteiligung von HSPs an der mitochondrialen Funktion im Thermogedächtnis erfolgt. In unserer Studie haben wir gezeigt, dass Thermopriming Transkript- und Proteinspiegel von zwei mitochondrialen kleinen Hitzeschockproteinen, HSP23.56 (AT5G51440) und HSP23.6 (AT4G25200), induziert, die während der Thermogedächtnisphase 2-3 Tage andauern. Die morphologische Analyse von HSP23.5/6-transgenen Pflanzen zeigte eine HSP23.5/6-Funktionsredundanz bei Hitzestress. Wir zeigten, dass hsp23.5/6-Doppel-Knockout-Pflanzen Anomalien im Thermogedächtnis im Keimlingsstadium aufwiesen und dass reife hsp23.5/6-Pflanzen sowohl mit basaler Thermotoleranz als auch mit Thermogedächtnis empfindlicher sind. Die Wärmebehandlung beeinflusste die Atmungsrate von hsp23.5/6-Keimlingen im Vergleich zu WT signifikant, was auf eine mitochondriale Dysfunktion in Abhängigkeit von HSP23.5 und HSP23.6 hinweist. Darüber hinaus haben wir die Chaperon-Aktivität von HSP23.6 gegenüber dem Modellsubstratprotein Malatdehydrogenase (MDH) in vitro getestet und bestätigt, was darauf hindeutet, dass HSP23.6 möglicherweise zur Aufrechterhaltung der zellulären Lebensfähigkeit beiträgt. Darüber hinaus entdeckten wir ein neues HSP23.6-Clientprotein, CIB22, ein mitochondriales Komplex-I-Untereinheitsprotein. Nach experimentellen Daten (BiFC und Co-IP) interagieren HSP23.6 und CIB22 in Pflanzenzellen. Wir identifizierten auch einen Hitzereaktionsphänotyp in der cib22-Mutante im Vergleich zu WT sowie einen CIB22-Proteinabbau in der hsp23.5/6-Mutante, wenn sie Hitze ausgesetzt wurde. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass die beiden mitochondrial lokalisierten Hitzeschockproteine eine Rolle bei der Thermotoleranz spielen, vermutlich indem sie die mitochondriale Funktion und Struktur beeinflussen. Um neue genetische Komponenten zu identifizieren, die mit dem Thermogedächtnis in Pflanzen verbunden sind, haben wir weiterhin ein Proteom-Profiling von Arabidopsis WT (Col-0) -Keimlingen während des Thermogedächtnisses durchgeführt. Mehrere Zeitpunkte von Priming und Triggerung mit Kontrollen wurden gesammelt und analysiert, um dynamische Proteomänderungen während der Gedächtnisphase in Arabidopsis-Zellen aufzudecken. Unter den Top-gedächtnis-assoziierten Proteinen entdeckten wir, dass HSP70-4 nach dem Priming signifikant hochreguliert wurde und für die nächsten vier Tage auf hohem Niveau bleibt (mindestens 2-fach erhöht). Durch Analyse ihres Hitzestressverhaltens konnten wir verifizieren, dass HSP70-4 an der 7 Reaktion von Pflanzen auf Hitzestress beteiligt ist. Interessant ist, dass HSP70-4-GFP nach dem Priming zytosolische Foci erzeugt, die für einige Tage während der Erholungsphase bestehen bleiben. Wir schlagen vor, dass der Fokus mit SGs verbunden ist, da Cycloheximid (CHX) GFP-Foci-Signale unterdrückt, wenn sie der Hitze ausgesetzt werden. Diese Ergebnisse weisen auf eine HSP70-4-vermittelte Transkriptions- und Translationssteuerungsverbindung (Modul) während der basalen Thermotoleranz und des Thermogedächtnisses sowie auf ihre potenzielle(n) Rolle(n) bei der Reaktion auf Hitzestress hin. Zusammenfassend bietet unsere Forschung neue Einblicke in die Rolle von Hitzeschockproteinen bei der Kontrolle der Hitzestresstoleranz und des Gedächtnisses. Y1 - 2022 ER - TY - THES A1 - Eckert, Silvia T1 - Trait variation in changing environments: Assessing the role of DNA methylation in non-native plant species T1 - Merkmalsvariation in sich verändernden Umgebungen: Bewertung der Rolle der DNA-Methylierung bei nicht einheimischen Pflanzenarten N2 - The increasing introduction of non-native plant species may pose a threat to local biodiversity. However, the basis of successful plant invasion is not conclusively understood, especially since these plant species can adapt to the new range within a short period of time despite impoverished genetic diversity of the starting populations. In this context, DNA methylation is considered promising to explain successful adaptation mechanisms in the new habitat. DNA methylation is a heritable variation in gene expression without changing the underlying genetic information. Thus, DNA methylation is considered a so-called epigenetic mechanism, but has been studied in mainly clonally reproducing plant species or genetic model plants. An understanding of this epigenetic mechanism in the context of non-native, predominantly sexually reproducing plant species might help to expand knowledge in biodiversity research on the interaction between plants and their habitats and, based on this, may enable more precise measures in conservation biology. For my studies, I combined chemical DNA demethylation of field-collected seed material from predominantly sexually reproducing species and rearing offsping under common climatic conditions to examine DNA methylation in an ecological-evolutionary context. The contrast of chemically treated (demethylated) plants, whose variation in DNA methylation was artificially reduced, and untreated control plants of the same species allowed me to study the impact of this mechanism on adaptive trait differentiation and local adaptation. With this experimental background, I conducted three studies examining the effect of DNA methylation in non-native species along a climatic gradient and also between climatically divergent regions. The first study focused on adaptive trait differentiation in two invasive perennial goldenrod species, Solidago canadensis sensu latu and S. gigantea AITON, along a climate gradient of more than 1000 km in length in Central Europe. I found population differences in flowering timing, plant height, and biomass in the temporally longer-established S. canadensis, but only in the number of regrowing shoots for S. gigantea. While S. canadensis did not show any population structure, I was able to identify three genetic groups along this climatic gradient in S. gigantea. Surprisingly, demethylated plants of both species showed no change in the majority of traits studied. In the subsequent second study, I focused on the longer-established goldenrod species S. canadensis and used molecular analyses to infer spatial epigenetic and genetic population differences in the same specimens from the previous study. I found weak genetic but no epigenetic spatial variation between populations. Additionally, I was able to identify one genetic marker and one epigenetic marker putatively susceptible to selection. However, the results of this study reconfirmed that the epigenetic mechanism of DNA methylation appears to be hardly involved in adaptive processes within the new range in S. canadensis. Finally, I conducted a third study in which I reciprocally transplanted short-lived plant species between two climatically divergent regions in Germany to investigate local adaptation at the plant family level. For this purpose, I used four plant families (Amaranthaceae, Asteraceae, Plantaginaceae, Solanaceae) and here I additionally compared between non-native and native plant species. Seeds were transplanted to regions with a distance of more than 600 kilometers and had either a temperate-oceanic or a temperate-continental climate. In this study, some species were found to be maladapted to their own local conditions, both in non-native and native plant species alike. In demethylated individuals of the plant species studied, DNA methylation had inconsistent but species-specific effects on survival and biomass production. The results of this study highlight that DNA methylation did not make a substantial contribution to local adaptation in the non-native as well as native species studied. In summary, my work showed that DNA methylation plays a negligible role in both adaptive trait variation along climatic gradients and local adaptation in non-native plant species that either exhibit a high degree of genetic variation or rely mainly on sexual reproduction with low clonal propagation. I was able to show that the adaptive success of these non-native plant species can hardly be explained by DNA methylation, but could be a possible consequence of multiple introductions, dispersal corridors and meta-population dynamics. Similarly, my results illustrate that the use of plant species that do not predominantly reproduce clonally and are not model plants is essential to characterize the effect size of epigenetic mechanisms in an ecological-evolutionary context. N2 - Die zunehmende Eintragung nicht-heimischer Pflanzenarten kann eine Gefahr für die lokale Artenvielfalt darstellen. Die Grundlagen einer erfolgreichen pflanzlichen Ausbreitung sind jedoch nicht abschließend geklärt, zumal sich diese Arten innerhalb kurzer Zeit an das neue Verbreitungsgebiet anpassen können trotz anfänglich reduzierter genetischer Vielfalt der Startpopulationen. In diesem Kontext gilt DNA-Methylierung als vielversprechend, um erfolgreiche Anpassungsmechanismen im neuen Lebensraum zu erklären. Bei der DNA-Methylierung handelt es sich um eine vererbbare Variation der Genaktivität, ohne dass die zugrundeliegende genetische Erbinformation verändert wird. Damit gehört DNA-Methylierung zu den sogenannten epigenetischen Mechanismen, wurde jedoch vorwiegend bei sich klonal vermehrenden Pflanzenarten oder genetischen Modellpflanzen untersucht. Ein Verständnis dieses epigenetischen Mechanismus im Zusammenhang mit nicht-einheimischen, sich vorwiegend sexuell reproduzierenden Pflanzenarten erweitert das Wissen in der Biodiversitätsforschung zur Interaktion zwischen Pflanzen und ihrem Lebensraum und kann, darauf aufbauend, präzisere Maßnahmen in der Naturschutzbiologie ermöglichen. Für meine Studien kombinierte ich die chemische DNA-Demethylierung von im Freiland gesammeltem Samenmaterial sich vorwiegend sexuell fortpflanzender Arten und die Aufzucht unter gemeinsamen klimatischen Bedingungen, um DNA-Methylierung im ökologisch-evolutionären Kontext zu untersuchen. Der Kontrast von chemisch behandelten (demethylierten) Pflanzen, deren Methylierungsvariation nun künstlich verringert war, und unbehandelten Kontrollpflanzen derselben Art ermöglichte mir die Auswirkung dieses Mechanismus auf adaptive Merkmalsvariationen und lokale Anpassung zu studieren. Vor diesem experimentellen Hintergrund führte ich drei Studien durch, um die Auswirkung von DNA-Methylierung bei nicht-einheimischen Pflanzenarten entlang eines klimatischen Gradienten und zwischen zwei klimatisch unterschiedlichen Regionen zu untersuchen. Die erste Studie konzentrierte sich auf adaptive Merkmalsveränderungen bei Nachkommen von zwei invasiven, mehrjährigen Goldrutenarten, Solidago canadensis sensu latu und S. gigantea AITON, entlang eines Klimagradienten von mehr als 1000 km Länge in Zentraleuropa. Ich fand graduelle Unterschiede im Blühzeitpunkt, in der Pflanzenhöhe und der Biomasse bei der zeitlich länger etablierten S. canadensis, bei S. gigantea jedoch nur in der Anzahl der nachwachsenden Triebe. Während S. canadensis keinerlei Populationsstruktur aufwies, konnte ich bei S. gigantea drei genetische Gruppen entlang dieses Klimagradienten identifizieren. Überraschenderweise zeigten demethylierte Pflanzen beider Arten keine Veränderung in der überwiegenden Anzahl der untersuchten Merkmale. In der darauffolgenden zweiten Studie konzentrierte ich mich auf die länger etablierte Goldrutenart S. canadensis und verwendete molekulare Analysen, um räumliche epigenetische und genetische Populationunterschiede aus den Exemplaren der vorhergehenden Studie abzuleiten. Ich fand schwache genetische aber keine epigenetische räumliche Variation zwischen den Populationen. Zusätzlich konnte ich einen genetischen und einen epigenetischen Marker identifizieren, welcher potentiell unter Selektion stehen könnte. Allerdings bestätigten die Ergebnisse dieser Studie erneut, dass DNA-Methylierung bei S. canadensis kaum in die Anpassung an das neue Verbreitungsgebiet involviert zu sein scheint. Schließlich führte ich eine dritte Studie durch, in welcher ich Samen kurzlebiger Pflanzenarten reziprok zwischen zwei klimatisch unterschiedlichen Regionen in Deutschland transplantierte, um lokale Anpassung auf Ebene der Pflanzenfamilien zu untersuchen. Zu diesem Zweck nutze ich vier Pflanzenfamilien (Amaranthaceae, Asteraceae, Plantaginaceae, Solanaceae), wobei ich hier auch zwischen nicht-heimischen und heimischen Pflanzenarten verglich. Beide Regionen lagen mehr als 600 Kilometer voneinander entfernt und wiesen entweder ein gemäßigt-ozeanisches oder gemäßigt-kontinentales Klima auf. In dieser Studie zeigte sich für einige—sowohl nicht-einheimische als auch einhimische—Arten eine Fehlanpassung an die eigenen lokalen Bedingungen. In demethylierten Individuen der untersuchten Pflanzenarten wirkte sich die DNA-Methylierung widersprüchlich, aber artspezifisch auf das Überleben und die Biomasseproduktion aus. Die Ergebnisse dieser Studie unterstreichen, dass DNA-Methylierung einen vernachlässigbaren Beitrag zur lokalen Anpassung bei den untersuchten nicht-heimischen, aber auch einheimischen Arten leistete. Zusammenfassend konnte ich mit dieser Arbeit festellen, dass DNA-Methylierung bei nicht-einheimischen Pflanzenarten eine untergeordnete Rolle sowohl bei der adaptiven Merkmalsvariation entlang von Klimagradienten als auch der lokalen Anpassung an klimatisch unterschiedliche Regionen spielt, wenn diese Pflanzenarten eine hohe genetische Vielfalt aufweisen und sich hauptsächlich sexuell vermehren. Ich konnte zeigen, dass der Anpassungserfolg dieser nicht-einheimischen Pflanzenarten kaum durch DNA-Methylierung erklärbar ist, sondern vielmehr eine mögliche Folge mehrfacher Eintragungen, von Ausbreitungskorridoren und Meta-Populationsdynamiken sein könnte. Die Ergebnisse dieser Studien verdeutlichen ebenso, dass die Verwendung von Pflanzenarten, die sich nicht überwiegend klonal vermehren und keine genetischen Modellpflanzen sind, unerlässlich ist, um die Effektstärke epigenetischer Mechanismen im ökologisch-evolutionären Kontext zu charakterisieren. KW - common-garden experiment KW - reciprocal transplant experiment KW - epigenetics KW - cytosine methylation KW - zebularine KW - adaptive differentiation KW - local adaptation KW - microsatellites KW - Solidago canadensis KW - Solidago gigantea KW - Amaranthus retroflexus KW - Chenopodium album KW - Erigeron canadensis KW - Erigeron annuus KW - Lactuca serriola KW - Senecio vulgaris KW - Sonchus oleraceus KW - Tripleurospermum inodorum KW - Veronica persica KW - Plantago major KW - Datura stramonium KW - Solanum nigrum KW - latitudinal clines KW - population structure KW - invasive KW - ruderal KW - non-native KW - Central Europe KW - Germany KW - AFLP KW - MSAP KW - spatial autocorrelation KW - genome scan KW - Gemeinschaftsgarten-Experiment KW - reziprokes Transplantationsexperiment KW - Epigenetik KW - Cytosin-Methylierung KW - Zebularin KW - adaptive Differenzierung KW - lokale Anpassung KW - Mikrosatelliten KW - Breitengrad KW - Ökokline KW - Populationsstruktur KW - invasiv KW - ruderal KW - nicht-einheimisch KW - Mitteleuropa KW - Deutschland KW - AFLP KW - MSAP KW - räumliche Autokorrelation KW - Genom-Scan Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-568844 ER - TY - THES A1 - Ogden, Michael T1 - Uncovering the interplay between nutrient availability and cellulose biosynthesis inhibitor activity N2 - All plant cells are surrounded by a dynamic, carbohydrate-rich extracellular matrix known as the cell wall. Nutrient availability affects cell wall composition via uncharacterized regulatory mechanisms, and cellulose deficient mutants develop a hypersensitive root response to growth on high concentrations of nitrate. Since cell walls account for the bulk of plant biomass, it is important to understand how nutrients regulate cell walls. This could provide important knowledge for directing fertilizer treatments and engineering plants with higher nutrient use efficiency. The direct effect of nitrate on cell wall synthesis was investigated through growth assays on varying concentrations of nitrate, measuring cellulose content of roots and shoots, and assessing cellulose synthase activity (CESA) using live cell imaging with spinning disk confocal microscopy. A forward genetic screen was developed to isolate mutants impaired in nutrient-mediated cell wall regulation, revealing that cellulose biosynthesis inhibitor (CBI) activity is modulated by nutrient availability. Various non-CESA mutants were isolated that displayed CBI resistance, with the majority of mutations causing perturbation of mitochondria-localized proteins. To investigate mitochondrial involvement, the CBI mechanism of action was investigated using a reverse genetic screen, a targeted pharmacological screen, and -omics approaches. The results generated suggest that CBI-induced cellulose inhibition is due to off-target effects. This provides the groundwork to investigate uncharacterized processes of CESA regulation and adds valuable knowledge to the understanding of CBI activity, which could be harnessed to develop new and improved herbicides. KW - cellulose synthesis KW - plant cell wall KW - cellulose biosynthesis inhibitor KW - root growth KW - herbicide Y1 - 2022 ER - TY - THES A1 - Nguyen, Van Thanh T1 - Unravelling the mysteries of the Annamites BT - First insights in ecology, distribution, and genetic diversity of Annamite mammals N2 - The Annamites mountain range of Southeast Asia which runs along the border of Viet Nam and Laos is an important biodiversity hotspot with high levels of endemism. However, that biodiversity is threatened by unsustainable hunting, and many protected areas across the region have been emptied of their wildlife. To better protect the unique species in the Annamites, it is crucial to have a better understanding of their ecology and distribution. Additionally, basic genetic information is needed to provide conservation stakeholders with essential information to facilitate conservation breeding and counteract the illegal wildlife trade. To date, this baseline information is lacking for many Annamites species. This thesis aims to assess the effectiveness of using non-invasive collection methods, i.e. camera-trap surveys and leech-derived wildlife host DNA, in order to improve and enhance our understanding of ecology, distribution, and genetic diversity of the Annamites terrestrial mammals. In chapter 1, we analysed data from a systematic landscape camera-trap survey using single-species occupancy models to assess the ecology and distribution of two little-known Annamite endemics, the Annamite dark muntjac (Muntiacus rooseveltorum / truongsonensis) and Annamite striped rabbit (Nesolagus timminsi), in multiple protected areas across the Annamites. This chapter provided the first in-depth information on their ecology, as well as distribution patterns at large spatial scales. Most notably, we found that the Annamite dark muntjac was predominantly found at higher elevations, while responses to elevation varied among study areas for the Annamite striped rabbit. We estimated occupancy probabilities for both endemics by using their responses to environmental and anthropogenic influences and used this information to make recommendations for targeted conservation actions. We discuss how the approach we used for these two Annamites endemics can be expanded for other little-known and threatened species in other tropical regions. As is the case with ecology and distribution, very little is known about the genetic diversity of the Annamite striped rabbit and other mammals of the Annamites. This poor understanding is mainly attributed to the lack of a comprehensive DNA sample collection that covers the species’ entire distribution range, which is believed to be a consequence of the low density of mammals or the remoteness of species’ habitat. In order to overcome the difficulties when trying to collect DNA samples from elusive mammals, we applied invertebrate-derived DNA (iDNA) sampling via hematophagous leeches to indirectly obtain genetic materials of their terrestrial host mammals. In chapter 2, leech-derived DNA was used to study the genetic diversity of the Annamite striped rabbit population. By analysing the DNA extracted from leech samples collected at multiple study areas of the central Annamites, we found a genetic variation with five haplotypes among nine obtained sequences. Despite this diversity, we found no clear phylogeographic pattern among the lagomorph’s populations in central Annamites. The findings have direct conservation implications for the species, as local stakeholders are currently establishing a conservation rescue and breeding facility for Annamite endemic species. Thus our results suggested that Annamite striped rabbits from multiple protected areas in central Annamites can be used as founders for the breeding program. In chapter 3, the genetic material of six mammals, which are frequently found in Indochina's illegal wildlife trade, was extracted from leeches collected at six study sites across the Anamites. Species-specific genetic markers were used to obtain DNA fragments that were analysed together with Genbank reference sequences from other parts of the species’ distribution range. Our results showed that invertebrate-derived DNA can be used to fill the sampling gaps and provide genetic reference data that is needed for conservation breeding programmes or to counteract the illegal wildlife trade. Overal, this dissertation provides the first insights in the ecology, distribution, and genetics of rare and threatened species of the Annamites by utilising camera traps and leech-derived DNA as two non-invasive collection methods. This information is essential for improving conservation efforts of local stakeholders and managers, especially for the Annamite endemics. Results in this dissertation also show the effectiveness of both non-invasive methods for studying terrestrial mammals at a landscape level. By expanding the application of these methods to other protected areas across the Annamites, we will further our understanding of ecology, distribution, and genetics of Annamite endemics. With such landscape-scale surveys, we are able to provide stakeholders with an overview of the current status of wildlife in the Annamites which supports efforts to protect these secretive species from illegal hunting and thus their extinction. KW - Annamites KW - threatened KW - animal KW - camera-trap KW - occupancy Y1 - 2022 ER - TY - THES A1 - Pitzen, Valentin T1 - Weitergeführte funktionelle Charakterisierung des centrosomalen Proteins Cep192 und Untersuchung der Topologie des Centrosoms in Dictyostelium Amöben T1 - Functional Characterization of the Centrosomal Protein Cep192 and Investigation of the Topology of the Centrosome in Dictyostelium amoeba N2 - Das Centrosom von Dictyostelium ist acentriolär aufgebaut, misst ca. 500 nm und besteht aus einer dreischichten Core-Struktur mit umgebender Corona, an der Mikrotubuli nukleieren. In dieser Arbeit wurden das centrosomale Protein Cep192 und mögliche Interaktionspartner am Centrosom eingehend untersucht. Die einleitende Lokalisationsuntersuchung von Cep192 ergab, dass es während der gesamten Mitose an den Spindelpolen lokalisiert und im Vergleich zu den anderen Strukturproteinen der Core-Struktur am stärksten exprimiert ist. Die dauerhafte Lokalisation an den Spindelpolen während der Mitose wird für Proteine angenommen, die in den beiden identisch aufgebauten äußeren Core-Schichten lokalisieren, die das mitotische Centrosom formen. Ein Knockdown von Cep192 führte zur Ausbildung von überzähligen Mikrotubuli-organisierenden Zentren (MTOC) sowie zu einer leicht erhöhten Ploidie. Deshalb wird eine Destabilisierung des Centrosoms durch die verminderte Cep192-Expression angenommen. An Cep192 wurden zwei kleine Tags, der SpotH6- und BioH6-Tag, etabliert, die mit kleinen fluoreszierenden Nachweiskonjugaten markiert werden konnten. Mit den so getagten Proteinen konnte die hochauflösende Expansion Microscopy für das Centrosom optimiert werden und die Core-Struktur erstmals proteinspezifisch in der Fluoreszenzmikroskopie dargestellt werden. Cep192 lokalisiert dabei in den äußeren Core-Schichten. Die kombinierte Markierung von Cep192 und den centrosomalen Proteinen CP39 und CP91 in der Expansion Microscopy erlaubte die Darstellung des dreischichtigen Aufbaus der centrosomalen Core-Struktur, wobei CP39 und CP91 zwischen Cep192 in der inneren Core-Schicht lokalisieren. Auch die Corona wurde in der Expansion Microscopy untersucht: Das Corona-Protein CDK5RAP2 lokalisiert in räumlicher Nähe zu Cep192 in der inneren Corona. Ein Vergleich der Corona-Proteine CDK5RAP2, CP148 und CP224 in der Expansion Microscopy ergab unterscheidbare Sublokalisationen der Proteine innerhalb der Corona und relativ zur Core-Struktur. In Biotinylierungsassays mit den centrosomalen Core-Proteinen CP39 und CP91 sowie des Corona-Proteins CDK5RAP2 konnte Cep192 als möglicher Interaktionspartner identifiziert werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen die wichtige Funktion des Proteins Cep192 im Dictyostelium-Centrosom und ermöglichen durch die Kombination aus Biotinylierungsassays und Expansion Microscopy der untersuchten Proteine ein verbessertes Verständnis der Topologie des Centrosoms. N2 - The Dictyostelium centrosome contains no centrioles and has a diameter of approx. 500 nm. It consists of a three layered core structure and a surrounding corona, which nucleates microtubules. This work focusses on the centrosomal protein Cep192 and potential interactors at the centrosome. Localization studies showed, that Cep192 is a permanent resident at the spindle poles during mitosis and that, compared to other centrosomal core proteins, Cep192 is expressed at the highest level. The permanent residence at the spindle poles throughout mitosis is assumed for proteins which localize to the outer core layers, which form the mitotic centrosome. A knockdown of Cep192 resulted in supernumerary microtubule organizing centers (MTOC) and a slightly higher ploidy. Due to the phenotype, a destabilization of the centrosome caused by the reduced Cep192 expression is assumed. Cep192 was fused to the newly established short tags BioH6 and SpotH6, which are recognized by small fluorescently labelled probes. The tagged proteins were used for superresolution expansion microscopy. Superresolution expansion microscopy was optimized for the centrosome and allowed the protein specific resolving of the core structure for the first time. Cep192 localizes to the outer core layers. Combination of tagged proteins nicely mirrored all three core layers. CP39 and CP91 localize inbetween Cep192 in the inner core layer. Corona proteins were included in the expansion microscopy: the corona protein CDK5RAP2 comes into close proximity of Cep192 and localizes to the inner corona. A comparison with CP148 and CP224, two other corona proteins, revealed a distinct localization of the proteins within the corona and relatively to the core structure. Applied biotinylase assays with the core proteins CP39 and CP91, as well with the corona protein CDK5RAP2 revealed Cep192 as a possible interaction partner of all three proteins. The results of this work show the important function of Cep192 at the Dictyostelium centrosome and through the biotinylase assay and expansion microscopy data shed a light on the refined Dictyostelium centrosome topology. KW - Centrosom KW - Fluoreszenzmikroskopie KW - expansion microscopy KW - Cep192 KW - CDK5RAP2 KW - fluorescence microscopy KW - Cep192 KW - CDK5RAP2 Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-548891 ER -