TY - THES A1 - Paraskevopoulou, Sofia T1 - Adaptive genetic variation and responses to thermal stress in brachionid rotifers N2 - The importance of cryptic diversity in rotifers is well understood regarding its ecological consequences, but there remains an in depth comprehension of the underlying molecular mechanisms and forces driving speciation. Temperature has been found several times to affect species spatio-temporal distribution and organisms’ performance, but we lack information on the mechanisms that provide thermal tolerance to rotifers. High cryptic diversity was found recently in the freshwater rotifer “Brachionus calyciflorus”, showing that the complex comprises at least four species: B. calyciflorus sensu stricto (s.s.), B. fernandoi, B. dorcas, and B. elevatus. The temporal succession among species which have been observed in sympatry led to the idea that temperature might play a crucial role in species differentiation. The central aim of this study was to unravel differences in thermal tolerance between species of the former B. calyciflorus species complex by comparing phenotypic and gene expression responses. More specifically, I used the critical maximum temperature as a proxy for inter-species differences in heat-tolerance; this was modeled as a bi-dimensional phenotypic trait taking into consideration the intention and the duration of heat stress. Significant differences on heat-tolerance between species were detected, with B. calyciflorus s.s. being able to tolerate higher temperatures than B. fernandoi. Based on evidence of within species neutral genetic variation, I further examined adaptive genetic variability within two different mtDNA lineages of the heat tolerant B. calyciflorus s.s. to identify SNPs and genes under selection that might reflect their adaptive history. These analyses did not reveal adaptive genetic variation related to heat, however, they show putatively adaptive genetic variation which may reflect local adaptation. Functional enrichment of putatively positively selected genes revealed signals of adaptation in genes related to “lipid metabolism”, “xenobiotics biodegradation and metabolism” and “sensory system”, comprising candidate genes which can be utilized in studies on local adaptation. An absence of genetically-based differences in thermal adaptation between the two mtDNA lineages, together with our knowledge that B. calyciflorus s.s. can withstand a broad range of temperatures, led to the idea to further investigate shared transcriptomic responses to long-term exposure to high and low temperatures regimes. With this, I identified candidate genes that are involved in the response to temperature imposed stress. Lastly, I used comparative transcriptomics to examine responses to imposed heat-stress in heat-tolerant and heat-sensitive Brachionus species. I found considerably different patterns of gene expression in the two species. Most striking are patterns of expression regarding the heat shock proteins (hsps) between the two species. In the heat-tolerant, B. calyciflorus s.s., significant up-regulation of hsps at low temperatures was indicative of a stress response at the cooler end of the temperature regimes tested here. In contrast, in the heat-sensitive B. fernandoi, hsps generally exhibited up-regulation of these genes along with rising temperatures. Overall, identification of differences in expression of genes suggests suppression of protein biosynthesis to be a mechanism to increase thermal tolerance. Observed patterns in population growth are correlated with the hsp gene expression differences, indicating that this physiological stress response is indeed related to phenotypic life history performance. N2 - Obwohl die kryptische Diversität von Rotatorien (Rädertierchen) und die daraus resultierenden ökologischen Konsequenzen inzwischen sehr gut verstanden sind, sind die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen und die Artbildungsprozesse bisher weitgehend unbekannt. Bekannt ist, dass die Temperatur eine bedeutende Rolle in den raum-zeitlichen Verbreitungsmustern der Arten sowie der Leistungsfähigkeit der Organismen, spielt. Es fehlen jedoch konkrete Informationen über die der Thermotoleranz zugrundeliegenden Mechanismen bei Rotatorien. Vor kurzem wurde hohe kryptische Diversität in der unter anderem in Süßwasser vorkommenden Art „Brachionus calyciflorus“ gefunden, so dass diese nun in mindestens vier Arten (B. calyciflorus sensu stricto (s.s.), B. fernandoi, B. dorcas und B. elevatus) unterteilt wurde. Beobachtungen von in Sympatrie vorkommenden Arten haben gezeigt, dass eine zeitliche Suksession innerhalb dieser Arten existiert, was vermuten lässt, dass Temperatur eine entscheidende Rolle bei der Artbildung gespielt haben könnte. Ziel dieser Arbeit ist es, Thermotoleranzunterschiede zwischen Arten des früheren B. calyciflorus-Artenkomplexes durch den Vergleich von phänotypischen und molekularen (Genexpression) Reaktionen auf Temperatur festzustellen. Die in dieser Untersuchung ermittelte kritische Maximaltemperatur wurde als Schätzer für zwischenartliche Hitzetoleranz verwendet. Mit Hilfe eines zweidimensionalen Verfahrens, welches sowohl die Dauer als auch die Stärke des Hitzestresses detektiert, konnte festgestellt werden, dass B. calyciflorus s.s. im Vergleich zu B. fernandoi hitzetoleranter ist. Auf Basis der innerartlichen genetischen Variation erfolgte eine tiefergehende Untersuchung zweier unterschiedlicher maternaler (mtDNA) Evolutionslinien der hitzetoleranteren Art B. calyciflorus s.s mit dem Ziel, unter divergenter Selektion stehende SNPs und Gene zu identifizieren, welche die Anpassung an verschiedene Temperaturen widerspiegeln könnten. Mit Hilfe dieses Experimentes war es möglich, potentiell positiv selektiere Kandidatengene zu identifizieren, welche im Zusammenhang mit dem „Lipidmetabolismus“, dem „Metabolismus und Abbau von Xenobiotika“ sowie dem „Sensorischen System“ stehen. Diese Kandidatengene lassen Rückschlüsse auf lokale Anpassungen zu. Es konnten keine genetischen Unterschiede gefunden werden, die im Zusammenhang mit der Temperaturanpassung der beiden untersuchten Evolutionslinien stehen. Um molekulare Grundlagen für die Toleranz von B. calyciflorus s.s für einen großen Temperaturbereich zu identifizieren, wurde das Transkriptom untersucht. Mit Hilfe der erhobenen Daten konnten Kandidatengene identifiziert werden, die für die Temperaturtoleranz von Bedeutung sind. Der letzte Teil dieser Arbeit konzentrierte sich auf die Untersuchung der Hitzestressantwort in einer hitzetoleranten und einer hitzesensitiven Brachionus Art. Diese Untersuchung konnte erhebliche Unterschiede in den Genexpre-ssionsmustern der beiden Arten aufzeigen. Die deutlichsten Unterschiede der Genexpression wurden hierbei in der Expression von Genen detektiert, die für die sogenannten Hitze-Schock-Proteinen (Heat-shock-proteins: hsp) codieren. In der hitzetoleranten Art B. calyciflorus s.s wurde ein signifikanter Anstieg der hsp-Genexpression bei geringen Temperaturen festgestellt, während bei der hitzesensitiven Art B. fernandoi ein signifikanter Anstieg bei hohen Temperaturen detektiert wurde. Die in dieser Arbeit gefundenen Unterschiede in der Genexpression zeigen, dass Temperaturstress eine Hemmung der Proteinbiosynthese bewirken kann, was zu einer erhöhten Thermotoleranz führt. Darüber hinaus ist Populationswachstum mit der Expression von Hitze-Schock-Proteingenen korreliert. Dies deutet darauf hin, dass die hier beschriebene physiologische Temperaturstressantwort tatsächlich mit den beobachteten phänotypischen Fitnessparametern im Zusammenhang steht. KW - Brachionus KW - zooplankton KW - temperature KW - RNA-seq KW - transcriptome KW - adaptation Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Petrovic, Nevena T1 - Analysis of the role of Forgetter2 in thermotolerance responses in Arabidopsis thaliana Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Kowalski, Gabriele Joanna T1 - Animal movement patterns across habitats BT - connecting biodiversity Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Neumann, Bettina T1 - Bioelectrocatalytic activity of surface-confined heme catalysts BT - from natural enzymes to synthetic analogs Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Taube, Robert T1 - Characterisations of Fungal Communities in Temperate Lakes BT - with focus on diversity, abundance and methodological aspects of quantifying abundance Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Riedel, Simona T1 - Characterization of Mitochondrial ABC Transporter Homologues in Rhodobacter capsulatus T1 - Charakterisierung von Homologen zu mitochondrialen ABC Transportern in Rhodobacter capsulatus N2 - ABC-Transporter (ABC abgeleitet von ATP-Binding Cassette) gehören zur Klasse der Transmembran-Proteine und kommen in allen drei Domänen des Lebens vor. Ihr struktureller Aufbau ist dabei stets ähnlich, wohingegen konservierte Proteinsequenzen selten vorkommen. Die Transporter sind aus zwei lipophilen, membran-durchspannenden Domänen, welche auch TMDs (abgeleitet von Transmembrane spanning Domains) genannt werden, und zwei hydrophilen Domänen, die auch NBDs (abgeleitet von Nucleotide Binding Domains) genannt werden, aufgebaut. Die Vielzahl der durch ABC-Transporter beförderten Moleküle erklärt dabei die enorme Anzahl diverser TMDs. In den Mitochondrien des Menschen findet man vier ABC-Transporter (ABCB6, ABCB7, ABCB8 und ABCB10) mit funktionellen Homologen in Hefen und Pflanzen. In Bakterien hingegen können, mit Ausnahme von Rickettsiae und verwandten Bakterien, keine Homologen zu mitochondrialen ABC-Transportern identifiziert werden. Die transportierten Moleküle sowie die damit verbundenen Funktionen sind im Einzelnen bislang weitgehend unbekannt. ABCB7 und die entsprechenden Homologen in Hefen (Atm1) und in Pflanzen (ATM3) konnten mit der cytosolischen Eisen-Schwefel-Cluster-Biosynthese in Zusammenhang gebracht werden. Eine schwefelhaltige Verbindung der mitochondrialen Matrix wird mit Hilfe dieses Transporters der cytosolischen Eisen-Schwefel-Cluster-Assemblierung zur Verfügung gestellt. Die 2014 publizierten Kristallstrukturen von Atm1 (Hefe) und Atm1 aus Novosphingobium aromaticivorans offenbarten dabei eine hoch konservierte Glutathion-Bindetasche innerhalb der TMDs für ABCB7 Homologe. In der Modellpflanze Arabidopsis thaliana konnte ATM3 zusätzlich mit der Biosynthese des Molybdän-Cofaktors in Verbindung gebracht werden. In der vorliegenden Arbeit wurde das α-Proteobacterium Rhodobacter capsulatus als Modellorganismus genutzt, um mitochondriale ABC-Transporter Homologe zu untersuchen. Das Bakterium enthält zwei ABC-Transporter-Gene, rcc03139 und rcc02305, die mit den humanen mitochondrialen Transportern große Sequenzübereinstimmungen aufweisen (rcc03139: 41 % respektive 38 % Identität mit ABCB8 und ABCB10, rcc02305: 47 % identisch mit ABCB7 und ABCB6). Mit Hilfe erzeugter Interposon-Mutanten (Δrcc02305I und Δrcc03139I) konnte erstmals gezeigt werden, dass bakterielle Transporter funktionell sehr ähnliche Aufgaben wie die mitochondrialen ABC-Transporter übernehmen. Beispielsweise akkumulierten beide Interposon-Mutanten reaktive Sauerstoff-Spezies (ROS) ohne gleichzeitige Akkumulation von Glutathion oder Eisen. Weiterhin konnten wir zeigen, dass, ähnlich wie bereits für ATM3 postuliert, die Biosynthese des Molybdän-Cofaktors in Δrcc02305I verändert ist. Mit Hilfe einer lebensfähigen Doppelmutante, in der beide ABC-Transporter-Gene gleichzeitig deletiert wurden, konnten wir ausschließen, dass die beiden bakteriellen ABC-Transporter grundsätzlich redundante Funktionen haben. Durch die Analyse des Proteoms von Δrcc03139I im Vergleich zu der des Wildtyps, konnte eine extreme Beeinflussung der Tetrapyrrol Biosynthese sowie entsprechender Zielproteine identifiziert werden. Dies konnte zusätzlich durch die Quantifizierung einzelner Zwischenprodukte der Biosynthese bestätigt werden. Im Gegensatz dazu konnte anhand der Analyse des Proteoms in Verbindung mit analytischen Methoden in Δrcc02305I ein Ungleichgewicht in der Schwefelverteilung identifiziert werden. Zusammen mit der Entdeckung einer Pyridoxalphosphat (PLP) Bindestelle in Rcc02305 und anderen ABCB7-artigen Transportern, welche direkt mit dem Walker-A-Motiv der NBD überlappt, ermöglichte dies eine völlig neue Theorie, wie die schwefelhaltige Verbindung transportiert werden kann. Wir gehen davon aus, dass an PLP zunächst ein Persulfid produziert wird, welches unmittelbar mit dem Glutathion der transmembranen Bindetasche zu einem gemischten Polysulfid reagiert. Im Anschluss daran wird die ATP-Bindestelle frei und die Hydrolyse des ATPs löst eine Konformationsänderung aus, welche das gemischte Polysulfid ins Periplasma bzw. in den intermembranen Raum freigibt. N2 - ATP-binding cassette (ABC) transporters are present in all kingdoms of life and enable active transport of various different molecules across biological membranes. They all share an overall architecture of two lipophilic transmembrane spanning domains (TMDs) traversing the membrane and two hydrophilic nucleotide binding domains (NBDs) usually lacking sequence identity. The multiplicity in transported molecules is accompanied by extreme diversity in TMDs. Human mitochondria harbor four ABC transporters, namely ABCB6, ABCB7, ABCB8 and ABCB10 with functional homologues in yeast and plants. Except the ones found in Rickettsiae and related bacteria mitochondrial ABC transporters are absent in bacteria. In addition to converting energy mitochondria are important platforms for biosynthesizing various cofactors as iron sulfur clusters, molybdenum cofactor (Moco) or heme. ABCB7 (Atm1 in yeast) has been shown to connect mitochondrial with cytosolic iron sulfur cluster assembly by exporting a yet unknown sulfur containing molecule. In addition, TMDs of Atm1 display a glutathione binding pocket accessible from the matrix which has been identified in all ABCB7-like transporters and also exists in a bacterial ABC transporter homologue of Atm1 in Novosphingobium aromaticivorans. In addition, ATM3, a plant mitochondrial homologous ABC transporter to human ABCB7, has been associated with biosynthesizing Moco. In this study we used the α-proteobacterium Rhodobacter capsulatus as a model organism to characterize mitochondrial ABC transporter homologues. R. capsulatus contains two homologues to mitochondrial ABC transporters with the corresponding gene loci rcc03139 and rcc02305. They share 38 to 47 % sequence identities to human mitochondrial ABC transporters ABCB8/ABCB10 and ABCB7/ABCB6, respectively. We created interposon mutants lacking either rcc03139 or rcc02305, analyzed the physiological effects on R. capsulatus and compared the findings especially to eukaryotic deletion studies. A viable bacterial double mutant strain lacking both mitochondrial ABC transporters was constructed to investigate possible overlapping functions. Both R. capsulatus single mutants showed a severe accumulation of intracellular reactive oxygen species (ROS) in comparison to ∆nifDK which revealed to be additive in the double mutant. In the proteome of ∆rcc03139I abundancies of tetrapyrrole related proteins were significantly increased in comparison to the proteome of parental strain, which was further validated by reduced amounts of tetrapyrrole intermediates in ∆rcc03139. In contrast, in ∆rcc02305I total glutathione (GSH) was elevated when endogenous GSH biosynthesis was inhibited. In conjunction with proteomic studies we uncovered misbalanced sulfur distribution in ∆rcc02305I. Furthermore, strains lacking Rcc02305 accumulated cyclic pyranopterin monophosphate (cPMP), an intermediate of Moco biosynthesis, as it was already shown for the deletion strain of the eukaryotic counterpart ATM3 in plants. In contrast single mutant strain Δrcc03139I neither accumulated cPMP nor glutathione. Bioinformatic analysis of the amino acid sequence of Rcc02305 revealed a pyridoxal 5´phosphate (PLP) binding site which overlaps with Walker A within the NBDs of Rcc02305 and other ABCB7-like transporters. The PLP cofactor is well studied in C-DES (L-cysteine/cystine lyase from Synechocystis) for persulfide production and in L-cysteine desulfurases such as IscS and NFS1 for its role in formation of protein-bound persulfides. Based on our findings we are able to propose a new modality for the transport of the sulfur containing molecule: first of all, the transporter produces a highly reactive persulfide which is then subsequently trapped by glutathione polysulfide, already bound within the binding pocket in TMDs. Walker A becomes accessible for ATP and after hydrolysis the mixed polysulfide is released. Based on our studies we are convinced that both mitochondrial ABC transporter homologues fulfil distinct roles in R. capsulatus: Rcc02305 is a representative of Atm1/ABCB7-like transporters and important for proper sulfur distribution by exporting persulfides. In contrast Rcc03139 is a representative of ABCB6/ABCB10 related transporters and involved in biosynthesizing tetrapyrroles. KW - Rhodobacter capsulatus KW - ABC Transporter KW - ABCB7 KW - Mitochondrien KW - PLP-Walker A-Überlagerung KW - Rhodobacter capsulatus KW - ABC transporter KW - ABCB7 KW - mitochondria KW - PLP-Walker A-overlap Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Schwuchow, Viola T1 - Charakterisierung der periplasmatischen Aldehyd-Oxidoreduktase (PaoABC) aus Escherichia coli N2 - Im Mittelpunkt dieser Arbeit standen Analysen zur Charakterisierung der periplasmatischen Aldehyd Oxidoreduktase aus E. coli. Kinetische Untersuchungen mit Ferricyanid als Elektronenakzeptor unter anaeroben Bedingungen zeigten für dieses Enzym eine höhere Aktivität als unter aeroben Bedingungen. Die getroffene Hypothese, dass PaoABC fähig ist Elektronen an molekularen Sauerstoff weiter zu geben, konnte bestätigt werden. Für den Umsatz aromatischer Aldehyde mit molekularem Sauerstoff wurde ein Optimum von pH 6,0 ermittelt. Dies steht im Gegensatz zur Reaktion mit Ferricyanid, mit welchem ein pH-Optimum von 4,0 gezeigt wurde. Die Reaktion von PaoABC mit molekularem Sauerstoff generiert zwar Wasserstoffperoxid, die Produktion von Superoxid konnte dagegen nicht beobachtet werden. Dass aerobe Bedingungen einen Einfluss auf das Auslösen der Expression von PaoABC haben, wurde in dieser Arbeit ebenfalls ermittelt. Im Zusammenhang mit der Produktion von ROS durch PaoABC wurde die Funktion eines kürzlich in Elektronentransfer-Distanz zum FAD identifizierten [4Fe4S]-Clusters untersucht. Ein Austausch der für die Bindung des Clusters zuständigen Cysteine führte zur Instabilität der Proteinvarianten, weswegen für diese keine weiteren Untersuchungen erfolgten. Daher wird zumindest ein struktur-stabilisierender Einfluss des [4Fe4S]-Clusters angenommen. Zur weiteren Untersuchung der Funktion dieses Clusters, wurde ein zwischen FAD und [4Fe4S]-Cluster lokalisiertes Arginin gegen ein Alanin ausgetauscht. Diese Proteinvariante zeigte eine reduzierte Geschwindigkeit der Reaktion gegenüber dem Wildtyp. Die Bildung von Superoxid konnte auch hier nicht beobachtet werden. Die Vermutung, dass dieser Cluster einen elektronen-sammelnden Mechanismus unterstützt, welcher die Radikalbildung verhindert, kann trotz allem nicht ausgeschlossen werden. Da im Umkreis des Arginins weitere geladene und aromatische Aminosäuren lokalisiert sind, können diese den notwendigen Elektronentransfer übernehmen. Neben der Ermittlung eines physiologischen Elektronenakzeptors und dessen Einfluss auf die Expression von PaoABC zeigt diese Arbeit auch, dass die Chaperone PaoD und MocA während der Reifung des MCD-Kofaktor eine gemeinsame Bindung an PaoABC realisieren. Es konnte im aktiven Zentrum von PaoABC ein Arginin beschrieben werden, welches auf Grund der engen Nachbarschaft zum MCD-Kofaktor und zum Glutamat (PaoABC-EC692) am Prozess der Substratbindung beteiligt ist. Im Zusammenhang mit dem Austausch dieses Arginins gegen ein Histidin oder ein Lysin wurden die Enzymspezifität und der Einfluss physiologischer Bedingungen, wie pH und Ionenstärke, auf die Reaktion des Enzyms untersucht. Gegenüber dem Wildtyp zeigten die Varianten mit molekularem Sauerstoff eine geringere Affinität zum Substrat aber auch eine höhere Geschwindigkeit der Reaktion. Vor allem für die Histidin-Variante konnte im gesamten pH-Bereich ein instabiles Verhalten bestimmt werden. Der Grund dafür wurde durch das Lösen der Struktur der Histidin-Variante beschreiben. Durch den Austausch der Aminosäuren entfällt die stabilisierende Wirkung der delokalisierten Elektronen des Arginins und es kommt zu einer Konformationsänderung im aktiven Zentrum. Neben der Reaktion von PaoABC mit einer Vielzahl aromatischer Aldehyde konnte auch der Umsatz von Salicylaldehyd zu Salicylsäure durch PaoABC in einer Farbreaktion bestimmt werden. Durch Ausschluss von molekularem Sauerstoff als terminaler Elektronenakzeptor, in einer enzym-gekoppelten Reaktion, erfolgte ein Elektronentransport auf Ferrocencarboxylsäure. Die Kombination aus beiden Methoden ermöglichte eine Verwendung von Ferrocen-Derivaten zur Generierung einer enzym-gekoppelten Reaktion mit PaoABC. Die Untersuchungen zu PaoABC zeigen, dass die Vielfalt der durch das Enzym katalysierten Rektionen weitere Möglichkeiten der enzymatischen Bestimmung biokatalytischer Prozesse bietet. KW - Eschericha coli KW - Periplasma KW - Aldehydoxidase KW - Aldehyd KW - Oxidoreduktase KW - Molybdän Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Schirmer, Annika T1 - Consistent individual differences in movement-related behaviour as equalising and/or stabilising mechanisms for species coexistence T1 - Konstante individuelle Unterschiede in Bewegungs-relevanten Verhaltensweisen als stabilisierende und/oder angleichende Mechanismen für die Koexistenz von Arten N2 - The facilitation of species coexistence has been a central theme in ecological research for years, highlighting two key aspects: ecological niches and competition between species. According to the competitive exclusion principle, the overlap of species niches predicts the amount of shared resources and therefore competition between species, determining their ability to coexist. Only if niches of two species are sufficiently different, thus niche overlap is low, competition within species is higher than competition between species and stable coexistence is possible. Thereby, differences in species mean traits are focused on and conspecific individuals are assumed to be interchangeable. This approach might be outdated since behaviour, as a key aspect mediating niche differentiation between species, is individual based. Individuals from one species consistently differ across time and situations in their behavioural traits. Causes and consequences of consistent behavioural differences have been thoroughly investigated stimulating their recent incorporation into ecological interactions and niche theory. Spatial components have so far been largely overlooked, although animal movement is strongly connected to several aspects of ecological niches and interactions between individuals. Furthermore, numerous movement aspects haven been proven to be crucially influenced by consistent individual differences. Considering spatial parameters could therefore crucially broaden our understanding of how individual niches are formed and ecological interactions are shaped. Furthermore, extending established concepts on species interactions by an individual component could provide new insights into how species coexistence is facilitated and local biodiversity is maintained. The main aim of this thesis was to test whether consistent inter-individual differences can facilitate the coexistence of ecological similar species. Therefore, the effects of consistent inter-individual differences on the spatial behaviour of two rodent species, the bank vole (Myodes glareolus) and the striped field mouse (Apodemus agrarius), were investigated and put in the context of: (i) individual spatial niches, (ii) interactions between species, and (iii) the importance of different levels of behavioural variation within species for their interactions. Consistent differences of study animals in boldness and exploration were quantified with the same tests in all presented studies and always combined with observations of movement and space use via automated VHF radio telemetry. Consequently, results are comparable throughout the thesis and the methods provide a common denominator for all chapters. The first two chapters are based on observations of free-ranging rodents in natural populations, while chapter III represents an experimental approach under semi-natural conditions. Chapter I focusses on the effect of consistent differences in boldness and exploration on movement and space use of bank voles and their contribution to individual spatial niche separation. Results show boldness to be the dominating predictor for spatial parameters in bank voles. Irrespective of sex, bolder individuals had larger home ranges, moved longer distances, had less spatial interactions with conspecifics and occupied different microhabitats compared to shy individuals. The same boldness-dependent spatial patterns could be observed in striped field mice which is reported in chapter II. Therefore, both study species showed individual spatial niche occupation. Chapter II builds on findings from the first chapter, investigating the effect of boldness driven individual spatial niche occupation on the interactions between species. Irrespective of species and sex, bolder individuals had more interspecific spatial interactions, but less intraspecific interactions, compared to shy individuals. Due to individual niches occupation the competitive environment individuals experience is not random. Interactions are restricted to individuals of similar behavioural type with presumably similar competitive ability, which could balance differences on the species level and support coexistence. In chapter III the experimental populations were either comprised of only shy or only bold bank voles, while striped field mice varied, creating either a shy- or bold-biased competitive community. Irrespective of behavioural type, striped field mice had more intraspecific interactions in bold-biased competitive communities. Only in a shy-biased competitive community, bolder striped field mice had less interspecific interactions compared to shy individuals. Bank voles showed no difference in intra- or interspecific interactions between populations. Chapter III highlights, that not only consistent inter-individual differences per se are important for interactions within and between species, but also the amount of behavioural variation within coexisting species. Overall, this thesis highlights the importance of considering consistent inter-individual differences in a spatial context and their connection to individual spatial niche occupation, as well as the resulting effects on interactions within and between species. Individual differences are discussed in the context of similarity of individuals, individual and species niche width, and individual and species niche overlap. Thereby, this thesis makes one step further from the existing research on individual niches towards integrating consistent inter-individual differences into the larger framework of species coexistence. N2 - Ein zentrales Thema in der Ökologie ist die Koexistenz von Arten. Zwei Aspekte sind dabei von großer Bedeutung: ökologische Nischen und zwischenartliche Konkurrenz. Das Konkurrenz-Ausschlussprinzip besagt, dass der Überlappungsgrad der Nischen zweier Arten bestimmt, wie viele Ressourcen sie teilen und damit wie stark die Konkurrenz zwischen ihnen ist. Eine stabile Koexistenz zweier Arten ist nur dann möglich, wenn ihre Nischen unterschiedlich genug sind und eine geringe Überlappung vorliegt. In diesem Fall ist die innerartliche Konkurrenz größer als die zwischenartliche, und die Bedingungen für eine langfristig stabile Koexistenz sind gegeben. Traditionell werden hierbei nur mittlere Unterschiede zwischen den Fokusarten verglichen und der Einfluss von Unterschieden zwischen Individuen nicht beachtet. Ein wesentlicher Aspekt, der die Nischendifferenzierung zwischen Tierarten beeinflusst ist deren Verhalten. Dieses ist jedoch nachweislich individuell geprägt, folglich könnte der oben erwähnte Ansatz zur Koexistenz von Arten eventuell veraltet sein. Zwischen Individuen einer Art gibt es konstante Verhaltensunterschiede, die stabil bleiben über die Zeit und zwischen verschiedenen Situationen. Ursachen und Effekte dieser Unterschiede wurden bereits in zahlreichen Tierarten untersucht, wodurch ebenfalls die Integration von individuellen Verhaltensunterschieden in das Konzept der ökologischen Nische angestoßen wurde. Aspekte der Raumnutzung von Tieren fanden hierbei bislang kaum Beachtung, obwohl sie für eine Vielzahl von Parametern, die mit Nischen in Verbindung stehen, essentiell sind. Räumliches Verhalten von Tieren wird stark durch individuelle Verhaltensunterschiede beeinflusst, weswegen es eine wichtige Rolle im Zusammenhang mit individuellen Nischen spielen sollte. Hinsichtlich der Formation individueller Nischen und ökologischer Interaktionen hat die Einbeziehung von räumlichen Aspekten das Potential entscheidende Impulse zu erbringen. Die Erweiterung bestehender Theorien zu Artinteraktionen, um eine individuelle Komponente, kann neue Einblicke schaffen wie Koexistenz zwischen Arten vermittelt und örtliche Biodiversität erhalten wird. Die hier vorliegende Arbeit befasst sich mit den Einflüssen von stabilen, individuellen Verhaltensunterschieden auf die Raumnutzung von Individuen. Dies wurde exemplarisch an zwei Nagerarten untersucht, der Rötelmaus (Myodes glareolus) und der Brandmaus (Apodemus agrarius). Dabei wird der Fokus auf die folgenden Aspekte gelegt: (i) individuelle Nischen, (ii) Interaktionen zwischen Arten, und (iii) Auswirkungen verschiedener Variationsgrade stabiler Verhaltensunterschiede auf die Interaktionen innerhalb und zwischen Arten. Alle Kapitel basieren auf der gleichen Methodik in der Datenaufnahme, da individuelle Verhaltensunterschiede stets mit dem gleichen Test quantifiziert und mit räumlichen Mustern in Zusammenhang gebracht wurden, die mit Hilfe automatischer VHF Radiotelemetrie aufgezeichnet wurden. Ergebnisse sind somit auch kapitelübergreifend vergleichbar. Kapitel eins und zwei umfassen Studien an freilebenden Nagetieren aus natürlichen Populationen, während das dritte Kapitel eine experimentelle Studie unter naturnahen Bedingungen darstellt. Das erste Kapitel handelt von den Effekten stabiler Verhaltensunterschiede in der Risikobereitschaft und dem Explorationsverhalten von Rötelmäusen auf deren Bewegungsmuster. Letztere wurden nur durch die Risikobereitschaft der Individuen beeinflusst, aber nicht durch deren Explorationsverhalten. Risikofreudigere Individuen hatten größere Streifgebiete, legten längere Strecken zurück, hatten weniger innerartliche Interaktionen und bewohnten andere Mikrohabitate als risikoscheue Individuen. Gleiche Muster konnten für die Brandmäuse gefunden werden, werden jedoch erst im zweiten Kapitel dargestellt. Beide Arten besetzen somit individuelle räumliche Nischen. Kapitel zwei baut auf dem Resultat des ersten Kapitels auf und beschäftigt sich mit den Auswirkungen von individuellen räumlichen Nischen auf die Interaktionen zwischen zwei Arten. Hierbei konnte gezeigt werden, dass unabhängig von Art und Geschlecht, risikofreudigere Individuen weniger innerartliche Interaktionen haben, dafür aber mehr zwischenartliche im Vergleich zu risikoscheuen Individuen. Die Besetzung individueller Nischen hat somit zur Folge, dass das Konkurrenz-Umfeld der Individuen abhängig von ihrem Verhaltenstyp ist. Daraus folgt, dass die Interaktionen zwischen Individuen zweier Arten beschränkt sind auf solche Individuen, die sich in ihrem Verhaltenstyp, und damit ihrer Konkurrenzkraft, ähneln. Etwaige Artunterschiede in der Konkurrenzkraft könnten dadurch ausgeglichen werden und die Koexistenz der Arten vermitteln. Im letzten Kapitel wurden experimentelle Populationen aus beiden Versuchsarten zusammengestellt. Diese unterschieden sich darin, dass die Rötelmäuse entweder ausschließlich risikoscheu oder risikobereit waren, während die Brandmäuse in ihrem Verhaltenstyp variierten. Dadurch wurden Artgemeinschaften erstellt, die entweder ein vorwiegend risikoscheues oder risikobereites Konkurrenz-Umfeld hatten. Eine reduzierte Variationsbreite der individuellen Verhaltensunterschiede in einer von zwei koexistierenden Arten führt dazu, dass sich die Interaktionsmuster innerhalb und zwischen den Arten, im Vergleich zu denen aus natürlichen Populationen verändern. Brandmäuse in einem risikobereiten Konkurrenz-Umfeld hatten mehr innerartliche Interaktionen als solche in einem risikoscheuen Konkurrenz-Umfeld, unabhängig davon ob die Brandmäuse selber risikoscheu oder risikofreudig waren. Die zwischenartlichen Interaktionen dagegen wurden nur in einem risikoscheuen Konkurrenz-Umfeld von risikobereiten Brandmäusen reduziert im Gegensatz zu risikoscheuen Individuen. Währenddessen zeigen Rötelmäuse weder in den inner- noch in den zwischenartlichen Interaktionen einen Unterschied aufgrund ihres Konkurrenz-Umfeldes. Das dritte Kapitel zeigt damit deutlich, dass nicht nur stabile individuelle Unterschiede für inner- und zwischenartliche Interaktionen von Bedeutung sind, sondern dass auch die Variationsbreite der Verhaltensunterschiede innerhalb der Arten eine entscheidende Rolle spielt. Zusammenfassend verdeutlicht die vorliegende Arbeit wie wichtig die Berücksichtigung von stabilen individuellen Verhaltensunterschieden im Hinblick auf räumliche Parameter ist. Darüber hinaus zeigen die vorliegenden Ergebnisse, dass individuelle Verhaltensunterschiede für die Besetzung individueller Nischen und damit für inner- und zwischenartlichen Interaktionen von großer Bedeutung sind. Innerhalb dieser Arbeit werden individuelle Verhaltensunterschiede in Zusammenhang mit der Ähnlichkeit von Arten, der Breite von individuellen Nischen und Artnischen, sowie deren Überlappung gebracht. Diese Arbeit stellt somit eine Erweiterung des bisherigen Forschungstandes hinsichtlich der Einbeziehung von individuellen Verhaltensunterschieden in die Theorie der Koexistenz von Arten dar. KW - ecological interactions KW - inter-individual differences KW - animal personality KW - movement ecology KW - space use Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Wozniak, Natalia Joanna T1 - Convergent evolution of the selfing syndrome in the genus Capsella BT - inferring the genetic basis and evolutionary history of selfing syndrome traits Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Gupta, Saurabh T1 - Deciphering stress acclimation mechanisms in plants with extreme abiotic stress tolerence using genomics approaches Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Luzarowski, Marcin T1 - Development and application of biochemical approaches for characterisation of the protein-protein-metabolite interactome in model organisms' A. thaliana and S. cerevisiae Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Perlaza-Jimenez, Laura T1 - Discerning functional associations and relationships between molecules in Arabidopsis thaliana using genome-wide correlated mutations Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Tong, Hao T1 - Dissection of genetic architecture of intermediate phenotypes and predictions in plants N2 - Determining the relationship between genotype and phenotype is the key to understand the plasticity and robustness of phenotypes in nature. While the directly observable plant phenotypes (e.g. agronomic, yield and stress resistance traits) have been well-investigated, there is still a lack in our knowledge about the genetic basis of intermediate phenotypes, such as metabolic phenotypes. Dissecting the links between genotype and phenotype depends on suitable statistical models. The state-of-the-art models are developed for directly observable phenotypes, regardless the characteristics of intermediate phenotypes. This thesis aims to fill the gaps in understanding genetic architecture of intermediate phenotypes, and how they tie to composite traits, namely plant growth. The metabolite levels and reaction fluxes, as two aspects of metabolic phenotypes, are shaped by the interrelated chemical reactions formed in genome-scale metabolic network. Here, I attempt to answer the question: Can the knowledge of underlying genome-scale metabolic network improve the model performance for prediction of metabolic phenotypes and associated plant growth? To this end, two projects are investigated in this thesis. Firstly, we propose an approach that couples genomic selection with genome-scale metabolic network and metabolic profiles in Arabidopsis thaliana to predict growth. This project is the first integration of genomic data with fluxes predicted based on constraint-based modeling framework and data on biomass composition. We demonstrate that our approach leads to a considerable increase of prediction accuracy in comparison to the state-of-the-art methods in both within and across environment predictions. Therefore, our work paves the way for combining knowledge on metabolic mechanisms in the statistical approach underlying genomic selection to increase the efficiency of future plant breeding approaches. Secondly, we investigate how reliable is genomic selection for metabolite levels, and which single nucleotide polymorphisms (SNPs), obtained from different neighborhoods of a given metabolic network, contribute most to the accuracy of prediction. The results show that the local structure of first and second neighborhoods are not sufficient for predicting the genetic basis of metabolite levels in Zea mays. Furthermore, we find that the enzymatic SNPs can capture most the genetic variance and the contribution of non-enzymatic SNPs is in fact small. To comprehensively understand the genetic architecture of metabolic phenotypes, I extend my study to a local Arabidopsis thaliana population and their hybrids. We analyze the genetic architecture in primary and secondary metabolism as well as in growth. In comparison to primary metabolites, compounds from secondary metabolism were more variable and show more non-additive inheritance patterns which could be attributed to epistasis. Therefore, our study demonstrates that heterozygosity in local Arabidopsis thaliana population generates metabolic variation and may impact several tasks directly linked to metabolism. The studies in this thesis improve the knowledge of genetic architecture of metabolic phenotypes in both inbreed and hybrid population. The approaches I proposed to integrate genome-scale metabolic network with genomic data provide the opportunity to obtain mechanistic insights about the determinants of agronomically important polygenic traits. Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Zhang, Xiaorong T1 - Electrosynthesis and characterization of molecularly imprinted polymers for peptides and proteins Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Yishai, Oren T1 - Engineering the reductive glycine pathway in Escherichia coli Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Devkar, Vikas Suresh T1 - Functional characterization of NAC transcription factors ATAF1 and SITAF1 in growth and abiotic stress tolerance in tomato Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Gottmann, Pascal T1 - In silico Analyse zur Klärung der Beteiligung von micro-RNAs, die in QTL lokalisiert sind, an den metabolischen Erkrankungen Adipositas und Typ-2-Diabetes mit Hilfe von Mausmodellen Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Scherer, Philipp Cédric T1 - Infection on the move T1 - Infektion in Bewegung BT - individual host movement drives disease persistence in spatially structured landscapes BT - individuelle Der Einfluss von Bewegung von Wirtstieren auf die Persistenz von Krankheiten in räumlich strukturierten Landschaften N2 - Movement plays a major role in shaping population densities and contact rates among individuals, two factors that are particularly relevant for disease outbreaks. Although any differences in movement behaviour due to individual characteristics of the host and heterogeneity in landscape structure are likely to have considerable consequences for disease dynamics, these mechanisms are neglected in most epidemiological studies. Therefore, developing a general understanding how the interaction of movement behaviour and spatial heterogeneity shapes host densities, contact rates and ultimately pathogen spread is a key question in ecological and epidemiological research. In my thesis, I address this gap using both theoretical and empirical modelling approaches. In the theoretical part of my thesis, I investigated bottom-up effects of individual movement behaviour and landscape structure on host density, contact rates, and ultimately disease dynamics. I extended an established agent-based model that simulates ecological and epidemiological key processes to incorporate explicit movement of host individuals and landscape complexity. Neutral landscape models are a powerful basis for spatially-explicit modelling studies to imitate the complex characteristics of natural landscapes. In chapter 2, the first study of my thesis, I introduce two complementary R packages, NLMR and landscapetools, that I have co-developed to simplify the workflow of simulation and customization of such landscapes. To demonstrate the use of the packages I present a case study using the spatially explicit eco-epidemiological model and show that landscape complexity per se increases the probability of disease persistence. By using simple rules to simulate explicit host movement, I highlight in chapter 3 how disease dynamics are affected by population-level properties emerging from different movement rules leading to differences in the realized movement distance, spatiotemporal host density, and heterogeneity in transmission rates. As a consequence, mechanistic movement decisions based on the underlying landscape or conspecific competition led to considerably higher probabilities than phenomenological random walk approaches due directed movement leading to spatiotemporal differences in host densities. The results of these two chapters highlight the need to explicitly consider spatial heterogeneity and host movement behaviour when theoretical approaches are used to assess control measures to prevent outbreaks or eradicate diseases. In the empirical part of my thesis (chapter 4), I focus on the spatiotemporal dynamics of Classical Swine Fever in a wild boar population by analysing epidemiological data that was collected during an outbreak in Northern Germany persisting for eight years. I show that infection risk exhibits different seasonal patterns on the individual and the regional level. These patterns on the one hand show a higher infection risk in autumn and winter that may arise due to onset of mating behaviour and hunting intensity, which result in increased movement ranges. On the other hand, the increased infection risk of piglets, especially during the birth season, indicates the importance of new susceptible host individuals for local pathogen spread. The findings of this chapter underline the importance of different spatial and temporal scales to understand different components of pathogen spread that can have important implications for disease management. Taken together, the complementary use of theoretical and empirical modelling in my thesis highlights that our inferences about disease dynamics depend heavily on the spatial and temporal resolution used and how the inclusion of explicit mechanisms underlying hosts movement are modelled. My findings are an important step towards the incorporation of spatial heterogeneity and a mechanism-based perspective in eco-epidemiological approaches. This will ultimately lead to an enhanced understanding of the feedbacks of contact rates on pathogen spread and disease persistence that are of paramount importance to improve predictive models at the interface of ecology and epidemiology. N2 - Bewegung nimmt eine zentrale Rolle bei der Entstehung von Populationsdichten und Kontaktraten zwischen Individuen ein, zwei Faktoren, die bei einem Krankheitsausbruch von besonderer Bedeutung sind. Obwohl Unterschiede im Bewegungsverhalten aufgrund individueller Merkmale des Wirtes und der Heterogenität der Landschaftsstruktur erhebliche Auswirkungen auf Krankheitsdynamiken haben, werden diese Mechanismen in den meisten epidemiologischen Studien vernachlässigt. Daher ist die Frage, wie das Zusammenspiel von Bewegungsverhalten mit räumlicher Heterogenität die Wirtsdichte und die Kontaktraten und somit letztlich die Ausbreitung von Krankheitserregern beeinflusst, eine Schlüsselfrage in der ökologisch-epidemiologischen Forschung. In meiner Dissertation gehe ich diese Frage mit theoretischen und empirischen Modellierungs-ansätzen an. Im theoretischen Teil meiner Arbeit untersuchte ich die Effekte des individuellen Bewegungsverhaltens und der Landschaftsstruktur auf die Wirtsdichte, die Kontaktraten und letztendlich auf Krankheitsdynamiken. Dafür habe ich ein etabliertes agentenbasiertes Modell angepasst, das ökologische und epidemiologische Prozesse simuliert, um die genaue Bewegung von Wirtsindividuen und die Komplexität der Landschaft zu berücksichtigen. Dabei sind sogenannte „Neutrale Landschaftsmodelle“ eine objektive Grundlage, um die komplexen Eigenschaften von natürlichen Landschaften nachzuahmen. In Kapitel 2, der ersten Studie in meiner Dissertation, stelle ich zwei komplementäre Erweiterungen für die Programmiersprache R vor, NLMR und landscapetools, die ich entscheidend mitentwickelt habe, um die Simulation und Modifizierung solcher Landschaften zu vereinfachen. Um die Verwendung dieser Erweiterungen zu demonstrieren, stelle ich eine Fallstudie basierend auf dem ökologisch-epidemiologischen Simulationsmodell vor und zeige, dass heterogene Landschaften per se die Wahrscheinlichkeit der Persistenz von Krankheiten erhöhen. Im dritten Kapitel zeige ich, wie großskalige Dynamiken während eines Krankheitsausbruchs durch verschiedene Bewegungsregeln der Wirtstiere beeinflusst werden. Diese verschiedenen Bewegungsregeln hatten dabei Bewegungs- und Kontaktmuster mit Unterschieden in der realisierten Bewegungsdistanz, der raumzeitlichen Verteilung von Wirtstieren, sowie der Übertragungsraten zwischen den Habitaten zur Folge. Infolgedessen führten mechanistische Bewegungsentscheidungen, die auf Eigenschaften der Landschaft oder der Intensität der Konkurrenz beruhten, zu deutlich höheren Wahrscheinlichkeiten als phänomenologische Zufallslauf („random walk“)-Ansätze. Die Ergebnisse dieser beiden Kapitel verdeutlichen die Notwendigkeit, die räumliche Heterogenität und das Bewegungsverhalten der Wirte explizit zu berücksichtigen, wenn solche theoretischen Modelle in der Praxis Anwendung finden sollen, z. B. um Strategien zur Eindämmung von Seuchenzügen in Wildtieren zu entwickeln. Im empirischen Teil meiner Arbeit (Kapitel 4) konzentriere ich mich auf die raumzeitliche Dynamik eines Ausbruchs der Klassischen Schweinepest in einer Wildschweinpopulation mittels Analyse epidemiologischer Daten, die während eines Ausbruchs in Norddeutschland über acht Jahre aufgenommen wurden. Das Infektionsrisiko auf individueller und regionaler Ebene wies dabei unterschiedliche saisonale Muster auf. Diese Muster zeigen einerseits ein erhöhtes regionales Infektionsrisiko im Herbst und Winter, das womöglich aufgrund erhöhter Bewegungsraten der Wirtstiere auftritt, und durch das Paarungsverhalten und der Jagdintensität während dieser Zeitausgelöst wird. Andererseits unterstreicht das erhöhte individuelle Infektionsrisiko von Frisch-lingen, insbesondere während der Geburtszeit, die Auswirkungen von lokal erhöhten Wirtsdichten auf die lokale Ausbreitung von Krankheitserregern. Die Ergebnisse dieses Kapitels zeigen die Bedeutung verschiedener räumlicher und zeitlicher Skalen für das Verständnis verschiedener Komponenten von Epidemien, die wichtige Auswirkungen auf das Krankheitsmanagement haben können. Zusammenfassend unterstreicht der komplementäre Einsatz theoretischer und empirischer Modellierung in meiner Arbeit, dass es unerlässlich ist, die mechanistische Basis der Wirts-Kontakt-raten zu berücksichtigen, nämlich räumliche Heterogenität und Bewegungsverhalten der Wirtstiere, um ein Verständnis über Krankheitsverläufe in Wildtierbeständen zu erlangen und Schluss-folgerungen über das Persistenzgeschehen ziehen zu können. Meine Ergebnisse sind ein erster wichtiger Schritt in diese Richtung. KW - movement ecology KW - disease ecology KW - landscape heterogeneity KW - Rstats KW - agent-based model KW - disease persistence KW - wild boar KW - classical swine fever KW - Bewegungsökologie KW - Krankheitsökologie KW - Landschaftsheterogenität KW - R (Programmiersprache) KW - agentenbasiertes Modell KW - Krankheitsausbruch KW - Wildschwein KW - klassische Schweinepest Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Thirumalaikumar, Venkatesh P. T1 - Investigating drought and heat stress regulatory networks in Arabidopsis and tomato Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Vandrich, Jasmina T1 - Metabolic Engineering in Halomonas elongata Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Gonzalez de la Cruz, Jorge T1 - Metabolic engineering of Saccharomyces cerevisiae for formatotrophic growth Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Neukranz, Yannika T1 - MOCS3 and its role in molybdenum cofactor biosynthesis, tRNA thiolation and other cellular pathways in humans Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Gaballa, Mohamed Mahmoud Salem Ahmed T1 - New pharmacological approaches targeting vascular calcification in chronic kidney disease BT - Anti-BSP antibody in a rat model of uremic calification T2 - Neue pharmakologische Ansätze in der Behandlung der vaskulären Kalzifizierung bei chronischen Nierenerkrankungen: Anti-BSP-Antikörper in einem Rattenmodell der urämischen Verkalkung Y1 - 2019 CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Eichelmann, Fabian T1 - Novel adipokines as inflammatory biomarkers of chronic disease risk Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Baleka, Sina Isabelle T1 - Palaeogenetic analyses of extinct Elephantidae from temperate and subtropical climates Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Küçükgöze, Gökhan T1 - Purification and characterization of mouse aldehyde oxidases T1 - Aufreinigung und Charakterisierung von Maus-Aldehyd-Oxidasen N2 - Mouse aldehyde oxidases (mAOXs) have a homodimeric structure and belong to xanthine oxidase family of molybdo-flavoenzymes. In general, each dimer is characterized by three subdomains: a 20 kDa N-terminal 2x[2Fe2S] cluster containing domain, a 40 kDa central FAD-containing domain and an 85 kDa C-terminal molybdenum cofactor (Moco) containing domain. Aldehyde oxidases have a broad substrate specificity including the oxidation of different aldehydes and N-heterocyclic compounds. AOX enzymes are present in mainly all eukaryotes. Four different homologs of AOX were identified to be present with varying numbers among species and rodents like mice and rats contain the highest number of AOX isoenzymes. There are four identified homologs in mouse named mAOX1, mAOX3, mAOX2, and mAOX4. The AOX homologs in mice are expressed in a tissue-specific manner. Expression of mAOX1 and mAOX3 are almost superimposable and predominantly synthesized in liver, lung, and testis. The richest source of mAOX4 is the Harderian gland, which is found within the eye's orbit in tetrapods. Expression of mAOX2 is strictly restricted to the Bowman’s gland, the main secretory organ of the nasal mucosa. In this study, the four catalytically active mAOX enzymes were expressed in a heterologous expression system in Escherichia coli and purified in a catalytically active form. Thirty different structurally related aromatic, aliphatic and N-heterocyclic compounds were used as substrates, and the kinetic parameters of all four mAOX enzymes were directly compared. The results showed that all enzymes can catalyze a broad range of substrates. Generally, no major differences between mAOX1, mAOX3 and mAOX2 were identified and the substrate specificity of mAOX1, mAOX3, and mAOX2 was broader compared to that of mAOX4 since mAOX4 showed no activity with substrates like methoxy-benzaldehydes, phenanthridine, N1-methyl-nicotinamide, and cinnamaldehyde and 4-(dimethylamino)cinnamaldehyde. We investigated differences at the flavin site of the mAOX enzymes by measuring the ability of the four mAOX enzymes to oxidize NADH in the absence of oxygen. NADH was able to reduce only mAOX3. The four mouse AOXs are also characterized by quantitative differences in their ability to produce superoxide radicals. mAOX2 is the enzyme generating the largest rate of superoxide radicals of around 40% in relation to moles of substrate converted and it is followed by mAOX1 with a ratio of 30%. To understand the factors that contribute to the substrate specificity of mAOX4, site-directed mutagenesis was applied to substitute amino acids in the substrate-binding funnel by the ones present in mAOX1, mAOX3, and mAOX2. The amino acids Val1016, Ile1018 and Met1088 were selected as targets. An increase in activity was obtained by the amino acid exchange M1088V in the active site identified to be specific for mAOX4, to the amino acid identified in mAOX3. N2 - Mouse aldehyde oxidases (mAOXs) have a homodimeric structure and belong to xanthine oxidase family of molybdo-flavoenzymes. In general, each dimer is characterized by three subdomains: a 20 kDa N-terminal 2x[2Fe2S] cluster containing domain, a 40 kDa central FAD-containing domain and an 85 kDa C-terminal molybdenum cofactor (Moco) containing domain. Aldehyde oxidases have a broad substrate specificity including the oxidation of different aldehydes and N-heterocyclic compounds. AOX enzymes are present in mainly all eukaryotes. Four different homologs of AOX were identified to be present with varying numbers among species and rodents like mice and rats contain the highest number of AOX isoenzymes. There are four identified homologs in mouse named mAOX1, mAOX3, mAOX2, and mAOX4. The AOX homologs in mice are expressed in a tissue-specific manner. Expression of mAOX1 and mAOX3 are almost superimposable and predominantly synthesized in liver, lung, and testis. The richest source of mAOX4 is the Harderian gland, which is found within the eye's orbit in tetrapods. Expression of mAOX2 is strictly restricted to the Bowman’s gland, the main secretory organ of the nasal mucosa. In this study, the four catalytically active mAOX enzymes were expressed in a heterologous expression system in Escherichia coli and purified in a catalytically active form. Thirty different structurally related aromatic, aliphatic and N-heterocyclic compounds were used as substrates, and the kinetic parameters of all four mAOX enzymes were directly compared. The results showed that all enzymes can catalyze a broad range of substrates. Generally, no major differences between mAOX1, mAOX3 and mAOX2 were identified and the substrate specificity of mAOX1, mAOX3, and mAOX2 was broader compared to that of mAOX4 since mAOX4 showed no activity with substrates like methoxy-benzaldehydes, phenanthridine, N1-methyl-nicotinamide, and cinnamaldehyde and 4-(dimethylamino)cinnamaldehyde. We investigated differences at the flavin site of the mAOX enzymes by measuring the ability of the four mAOX enzymes to oxidize NADH in the absence of oxygen. NADH was able to reduce only mAOX3. The four mouse AOXs are also characterized by quantitative differences in their ability to produce superoxide radicals. mAOX2 is the enzyme generating the largest rate of superoxide radicals of around 40% in relation to moles of substrate converted and it is followed by mAOX1 with a ratio of 30%. To understand the factors that contribute to the substrate specificity of mAOX4, site-directed mutagenesis was applied to substitute amino acids in the substrate-binding funnel by the ones present in mAOX1, mAOX3, and mAOX2. The amino acids Val1016, Ile1018 and Met1088 were selected as targets. An increase in activity was obtained by the amino acid exchange M1088V in the active site identified to be specific for mAOX4, to the amino acid identified in mAOX3. KW - aldehyde oxidase KW - drug metabolism KW - molybdenum cofactor KW - enzyme isoforms KW - enzyme kinetics KW - Aldehyd-oxidase KW - Metabolismus von Medikamenten KW - Molybdänkofaktor KW - Isoenzyme KW - Enzymkinetik Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Schumacher, Julia T1 - Regulation and function of STERILE APETALA in Arabidopsis flower development N2 - STERILE APETALA (SAP) is known to be an essential regulator of flower development for over 20 years. Loss of SAP function in the model plant Arabidopsis thaliana is associated with a reduction of floral organ number, size and fertility. In accordance with the function of SAP during early flower development, its spatial expression in flowers is confined to meristematic stages and to developing ovules. However, to date, despite extensive research, the molecular function of SAP and the regulation of its spatio-temporal expression still remain elusive. In this work, amino acid sequence analysis and homology modeling revealed that SAP belongs to the rare class of plant F-box proteins with C-terminal WD40 repeats. In opisthokonts, this type of F-box proteins constitutes the substrate binding subunit of SCF complexes, which catalyze the ubiquitination of proteins to initiate their proteasomal degradation. With LC-MS/MS-based protein complex isolation, the interaction of SAP with major SCF complex subunits was confirmed. Additionally, candidate substrate proteins, such as the growth repressor PEAPOD 1 and 2 (PPD1/2), could be revealed during early stages of flower development. Also INDOLE-3-BUTYRIC ACID RESPONSE 5 (IBR5) was identified among putative interactors. Genetic analyses indicated that, different from substrate proteins, IBR5 is required for SAP function. Protein complex isolation together with transcriptome profiling emphasized that the SCFSAP complex integrates multiple biological processes, such as proliferative growth, vascular development, hormonal signaling and reproduction. Phenotypic analysis of sap mutant and SAP overexpressing plants positively correlated SAP function with plant growth during reproductive and vegetative development. Furthermore, to elaborate on the transcriptional regulation of SAP, publicly available ChIP-seq data of key floral homeotic proteins were reanalyzed. Here, it was shown that the MADS-domain transcription factors APETALA 1 (AP1), APETALA 3 (AP3), PISTILLATA (PI), AGAMOUS (AG) and SEPALLATA 3 (SEP3) bind to the SAP locus, which indicates that SAP is expressed in a floral organ-specific manner. Reporter gene analyses in combination with CRISPR/Cas9-mediated deletion of putative regulatory regions further demonstrated that the intron contains major regulatory elements of SAP in Arabidopsis thaliana. In conclusion, these data indicate that SAP is a pleiotropic developmental regulator that acts through tissue-specific destabilization of proteins. The presumed transcriptional regulation of SAP by the floral MADS-domain transcription factors could provide a missing link between the specification of floral organ identity and floral organ growth pathways. KW - STERILE APETALA KW - SAP KW - flower development KW - organ size KW - F-box KW - WD40 KW - SCF complex KW - ubiquitin KW - proteasomal degradation KW - MADS Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Langhammer, Maria T1 - Simulating biodiversity responses to land use mosaics in agricultural landscapes BT - an overview of the possibilities and potential Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Schiro, Gabriele T1 - Spatial distribution of phyllosphere fungi in topographically heterogeneous wheat fields BT - an analysis of abiotic and biotic driving factors Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Ramming, Anna T1 - Specific Roles of POLY(A) POLYMERASE1 in the male Gametophyte and Beyond Y1 - 2019 ER -