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In this thesis, I investigated the factors influencing the growth and vertical distribution of planktonic algae in extremely acidic mining lakes (pH 2-3). In the focal study site, Lake 111 (pH 2.7; Lusatia, Germany), the chrysophyte, Ochromonas sp., dominates in the upper water strata and the chlorophyte, Chlamydomonas sp., in the deeper strata, forming a pronounced deep chlorophyll maximum (DCM). Inorganic carbon (IC) limitation influenced the phototrophic growth of Chlamydomonas sp. in the upper water strata. Conversely, in deeper strata, light limited its phototrophic growth. When compared with published data for algae from neutral lakes, Chlamydomonas sp. from Lake 111 exhibited a lower maximum growth rate, an enhanced compensation point and higher dark respiration rates, suggesting higher metabolic costs due to the extreme physico-chemical conditions. The photosynthetic performance of Chlamydomonas sp. decreased in high-light-adapted cells when IC limited. In addition, the minimal phosphorus (P) cell quota was suggestive of a higher P requirement under IC limitation. Subsequently, it was shown that Chlamydomonas sp. was a mixotroph, able to enhance its growth rate by taking up dissolved organic carbon (DOC) via osmotrophy. Therefore, it could survive in deeper water strata where DOC concentrations were higher and light limited. However, neither IC limitation, P availability nor in situ DOC concentrations (bottom-up control) could fully explain the vertical distribution of Chlamydomonas sp. in Lake 111. Conversely, when a novel approach was adopted, the grazing influence of the phagotrophic phototroph, Ochromonas sp., was found to exert top-down control on its prey (Chlamydomonas sp.) reducing prey abundance in the upper water strata. This, coupled with the fact that Chlamydomonas sp. uses DOC for growth, leads to a pronounced accumulation of Chlamydomonas sp. cells at depth; an apparent DCM. Therefore, grazing appears to be the main factor influencing the vertical distribution of algae observed in Lake 111. The knowledge gained from this thesis provides information essential for predicting the effect of strategies to neutralize the acidic mining lakes on the food-web.
Quenching of the triplet state of tryptophan by cysteine has provided a new tool for measuring the rate of forming a specific intramolecular contact in disordered polypeptides. Here, we use this technique to investigate contact formation in the denatured state of CspTm, a small cold-shock protein from Thermotoga maritima, engineered to contain a single tryptophan residue (W29) and a single cysteine residue at the C terminus (C67). At all concentrations of denaturant, the decay rate of the W29 triplet of the unfolded protein is more than tenfold faster than the rate observed for the native protein (not, vert, similar104 s;1). Experiments on the unfolded protein without the added C- terminal cysteine residue show that this faster rate results entirely from contact quenching by C67. The quenching rate in the unfolded state by C67 increases at concentrations of denaturant that favor folding, indicating a compaction of the unfolded protein as observed previously in single-molecule Foerster resonance energy transfer (FRET) experiments.
In recent years most studies of the benthic microbial food web have either been descriptive or were restricted to the measurement of within sediment process rates. Little is known about benthic-pelagic coupling processes such as recruitment. We, therefore, developed an ex situ core incubation procedure to quantify the potential for microbial recruitment from the benthos to the pelagic in an acidic mining lake, Mining Lake 111 (ML 111; pH 2.6), in eastern Germany. Our data suggest that considerable zooplankton recruitment from the benthos takes place. Heliozoan and rhizopod recruitment in both summer and winter sediment cores was highest when they were incubated at 20°C. Maximum heliozoan recruitment was 23 (± 9 s.e.) individuals cm-2 d-1 (40% initial standing stock daily) in the winter 20°C incubation. Maximum rhizopod recruitment was 6 (± 2 s.e.) individuals cm-2 d-1 in the summer 20°C incubation. Little or no recruitment was apparent for either taxa when winter cores were incubated at 5°C, implying a temperature cue. Conversely, the rotifer, Cephalodella hoodi, exhibited a maximum recruitment of 6 (± 2 s.e.) individuals cm-2 d-1 during the winter 5°C incubation, representing 30% of initial standing stock daily, but little recruitment when incubated at 20°C. Cephalodella may have responded to an increased winter benthic food supply; in situ winter Chl a concentrations in the benthos were 3.4 times higher than those in the summer. The importance of this was reinforced by the poor pelagic food supply available in ML 111. In situ, Heliozoa, rhizopods and Cephalodella were first observed in the epilimnion of ML 111 in spring or early summer, suggesting active or passive recruitment following lateral transport from littoral sediments. Benthic-pelagic coupling via recruitment is potentially important in understanding the pelagic food web in ML 111 and warrants further investigation in this and other aquatic environments.
Mixotrophy in the Antarctic phytoflagellate, Pyramimonas gelidicola (Chlorophyta: Prasinophyta)
(2003)
Grazing by the planktonic, phytoflagellate, Pyramimonas gelidicola McFadden (Chlorophyta: Prasinophyta), and heterotrophic nanoflagellates (HNAN) in meromictic, saline Ace Lake in the Vestfold Hills, Eastern Antarctica, was investigated in the austral summers of 1997 and 1999. Up to 47% of the P. gelidicola population ingested fluorescently labelled prey (FLP). Ingestion rates varied with depth. In January 1997 and November 1999, maximum P. gelidicola ingestion rates of 6.95 and 0.79 FLP;cell-1;h-1, respectively, were measured at the chemocline (6-8 m) where a deep chlorophyll maximum composed of phototrophic nanoflagellates (PNAN DCM), predominantly P. gelidicola, persisted all year. During the summers of 1997 and 1999, the grazing P. gelidicola community removed between 0.4 and approximately 16% of in situ bacterial biomass, equivalent to between 4 and >100% of in situ bacterial production. Due to their higher abundance, the community clearance rates of HNAN in Ace Lake generally exceeded those of P. gelidicola but HNAN removed approximately only 3 to 4% of bacterial biomass, equivalent to between 28 and 32% of bacterial production. P. gelidicola growth rates were highest at the PNAN DCM concomitant with the highest ingestion rates. It is estimated that during the summer P. gelidicola can derive up to 30% of their daily carbon requirements from bacterivory at the PNAN DCM. This study confirms mixotrophy as an important strategy by which planktonic organisms can survive in extreme, polar, lacustrine ecosystems.
Application of metabolomics to plant genotype discrimination using statistics and machine learning
(2003)
South Africa's endemic Knysna seahorse, Hippocampus capensis Boulenger 1900, is a rare example of a marine fish listed as Endangered by the IUCN because of its limited range and habitat vulnerability. It is restricted to four estuaries on the southern coast of South Africa. This study reports on its biology in the Knysna and Swartvlei estuaries, both of which are experiencing heavy coastal development. We found that H. capensis was distributed heterogeneously throughout the Knysna Estuary, with a mean density of 0.0089 m-2 and an estimated total population of 89 000 seahorses (95% confidence interval: 30 000 to 148 000). H. capensis was found most frequently in low density vegetation stands ( 20% cover) and grasping Zostera capensis. Seahorse density was not otherwise correlated with habitat type or depth. The size of the area in which any particular seahorse was resighted did not differ between males and females. Adult sex ratios were skewed in most transects, with more males than females, but were even on a 10 m by 10 m focal study grid. Only three juveniles were sighted during the study. Both sexes were reproductively active but no greeting or courtship behaviours were observed. Males on the focal study grid were longer than females, and had shorter heads and longer tails, but were similar in colouration and skin filamentation. The level of threat to H. capensis and our limited knowledge of its biology mean that further scientific study is urgently needed to assist in developing sound management practices.
The classical (Levins) metapopulation scenario envisions a species persisting in a network of habitat patches through a balance between frequent local (within-patch) extinctions and recolonizations. Although this is the dominant paradigm for species in fragmented habitats, empirical support is limited and it has been argued that very restrictive conditions on migration rates are required: high enough for recolonization to balance extinctions, but low enough that local populations do not fluctuate in synchrony. Through simulation and analysis of a stochastic spatial model, we argue that the likelihood of persistence via the classical scenario is strongly affected by some basic properties of within- patch successional dynamics whose importance has not been emphasized in metapopulation theory: the distribution of successional stage durations, and whether patches are "refractory" versus immediately available for recolonization after an extinction has occurred. These properties are tied to the biological causes of extinction (e.g., demographic accident versus regular successional changes) and patch recovery (e.g., recolonization by a host species versus regeneration of an exhausted resource base). Our results indicate that metapopulation theory needs to incorporate the patch-dynamics perspective of a landscape in a dynamic mosaic of successional states, with particular attention to links between colonization-extinction processes and local succession.
Ecological and evolutionary dynamics can occur on similar timescales. However, theoretical predictions of how rapid evolution can affect ecological dynamics are inconclusive and often depend on untested model assumptions. Here we report that rapid prey evolution in response to oscillating predator density affects predator-prey (rotifer-algal) cycles in laboratory microcosms. Our experiments tested explicit predictions from a model for our system that allows prey evolution. We verified the predicted existence of an evolutionary tradeoff between algal competitive ability and defence against consumption, and examined its effects on cycle dynamics by manipulating the evolutionary potential of the prey population. Single-clone algal cultures (lacking genetic variability) produced short cycle periods and typical quarter-period phase lags between prey and predator densities, whereas multi-clonal (genetically variable) algal cultures produced long cycles with prey and predator densities nearly out of phase, exactly as predicted. These results confirm that prey evolution can substantially alter predator-prey dynamics, and therefore that attempts to understand population oscillations in nature cannot neglect potential effects from ongoing rapid evolution.
A characteristic vertical sequence of phytoplankton populations was observed below the metalimnetic oxycline of a stratified, mesotrophic lake. Ceratium spp., Closterium acutum and Aphanizomenon flos- aquae were present in the epilimnion but had distinct population maxima in the microaerobic chemocline. Below these populations, Cryptomonas phaseolus, Planktothrix clathrata, Pseudanabaena catenata and Limnothrix sp. followed each other in the transition zone between the chemocline and the sulphide-containing hypolimnion. The dominating populations of P. clathrata and P. catenata caused a deep chlorophyll maximum. Phytoplankton structure was determined by the vertical gradients of sulphide and light. Compared with the epilimnion, nutrient availability was not fundamentally better below the oxycline but the algae might have benefited from reduced grazing pressure in their habitat.
1. This is a discussion of the applicability to the phytoplankton of the concepts of 'Plant Functional Types' (PFTs) and 'Functional Diversity' (FD), which originated in terrestrial plant ecology. 2. Functional traits driving the performance of phytoplankton species reflect important processes such as growth, sedimentation, grazing losses and nutrient acquisition. 3. This paper presents an objective, mathematical way of assigning PFTs and measuring FD. Ecologists can use this new approach to investigate general hypotheses (e.g. the intermediate disturbance hypothesis (IDH), the insurance hypothesis and synchronicity phenomena), since, for example, in its original formulation the IDH makes its predictions based on FD rather than species diversity.
Recently, much ecological research has focused on predicting invasions of alien species in order to prevent potentially negative effects of such invasions. In this study, we utilize novel methods of landscape ecology for testing the hypothesis that increasing structural diversity correlates with an increasing number of alien plant species. Our overall findings support this hypothesis and suggest that in the studied area (RB Dessau, Sachsen Anhalt, Germany), species richness of neophytes is positively correlated with the diversity in land-use types and structures. However, this relationship between structural diversity and species diversity applied for native spe-cies, too. Furthermore, our results support findings of previous studies which show that neophytes occur mainly in artificially or naturally disturbed areas. Our overall findings highlight the use of landscape-scale ecological methods for studying plant distribution patterns.
Gaps are often important microhabitats for recruitment of herbaceous plants. In the Florida scrub, fires create gaps by top-killing resprouting shrubs. These natural gaps are aboveground gaps (without aboveground vegetation) that may also be complete gaps (if belowground roots and rhizomes are absent). Within three types of gaps (natural gaps, experimental aboveground and experimental complete gaps), we studied seedling recruitment and survival of spontaneous species and seven sown herbs for two years. We created aboveground gaps by clipping vegetation and complete gaps by removing shrub roots and rhizomes. These gaps occurred in two Florida scrub habitats: rosemary scrub and scrubby flatwoods. We also explored factors that can affect recruitment patterns in gaps, such as soil moisture, root water retention and light availability. In addition, we tested effects of supplemental watering on sown seeds in the field since drought in 2000 and 2001 suppressed natural seedling recruitment. The watering treatment increased recruitment in all types of gaps. Over half of all gaps were colonized, but there were few seedlings. Recruitment was highest in watered, complete gaps in scrubby flatwoods, where the soil moisture levels were higher and light levels lower than in the other gap types. Seedlings of a single spontaneously recruited species (Lechea deckertii) were more abundant than sown species. Locally common gap specialists were more abundant than generalists. Because many of these gap specialists are endangered plant species, understanding how disturbances create microsites for their regeneration is critical for conservation and management of the Florida scrub ecosystem. In small-scale conservation projects, artificially created gaps may substitute for post-fire gaps when prescribed burning is impossible.
Köderauslageintervalle und Dauer der Bekämpfung des Kleinen Fuchsbandwurms : eine Modellierstudie
(2003)
Stomatal cell biology
(2003)
Die Biosynthese und Funktion des Galaktolipids Digalaktosyldiacylglycerol in Arabidopsis thaliana
(2003)
Mixotrophs combine resource use to outcompete specialists: Implications for aquatic food webs
(2003)
The majority of species can be grouped into those relying solely on photosynthesis (phototrophy) or those relying solely on the assimilation of organic substances (heterotrophy) to meet their requirements for energy and carbon. However, a special life history trait exists in which organisms combine both phototrophy and heterotrophy. Such 'mixotrophy' is a widespread phenomenon in aquatic habitats and is observed in many protozoan and metazoan organisms. The strategy requires investment in both photosynthetic and heterotrophic cellular apparatus, but the benefits must outweigh these costs. In accordance with the mechanistic resource competition theory, laboratory experiments revealed that pigmented mixotrophs combined light and prey as substitutable resources. Thereby, they reduced prey abundance below the critical food concentration of competing specialist grazers [Rothhaupt, K. O. (1996) Ecology 77, 716-724]. Here, we demonstrate for the first time the important consequences of this strategy for an aquatic community. In the illuminated surface strata of a lake, mixotrophs reduced prey abundance so steeply that grazers from higher trophic levels, consuming both the mixotrophs and their prey, could not persist. Thus, the mixotrophs escaped from both competition and grazing, and remained dominant. Furthermore, the mixotrophs structured the prey abundance along the vertical light gradient creating low densities near the surface and a pronounced maximum of their algal prey at depth. Such deep algal accumulations are typical features of nutrient poor aquatic habitats, previously explained by resource availability. We hypothesize instead that the mixotrophic grazing strategy is responsible for deep algal accumulations in many aquatic environments.
Exkursionsbericht "Exkursion zu den Lübbener Pfaffenbergen und Hartmannsdorfer Wiesen" am 20.07.2002
(2003)
Offenlandmanagement durch kontrolliertes Brennen : ein Beitrag aus sozioökonomischer Perspektive
(2003)
1. Anthropogenic changes in the global climate are shifting the potential ranges of many plant species. 2. Changing climates will allow some species the opportunity to expand their range, others may experience a contraction in their potential range, while the current and future ranges of some species may not overlap. Our capacity to generalize about the threat these range shifts pose to plant diversity is limited by many sources of uncertainty. 3. In this paper we summarize sources of uncertainty for migration forecasts and suggest a research protocol for making forecasts in the context of uncertainty.
PURPOSE: CEACAM6, CEACAM1, and human carcinoembryonic antigen (CEA) are coexpressed in normal colorectal epithelia, but show deregulated expression in colorectal cancers (CRC). Upregulation of CEACAM6 expression in hyperplastic polyps and early adenomas represents one of the earliest observable molecular events leading to colorectal tumors. The aim of our study was to evaluate the prognostic relevance of CEACAM6, CEACAM1, and CEA tissue expression in patients with CRC. PATIENTS AND METHODS: Immunohistochemical analysis was carried out on tissue microarrays from 243 paraffin-embedded biopsies from a randomized controlled clinical trial (Swiss Group for Clinical Cancer Research [SAKK] 40/81) of adjuvant fluorouracil-based chemotherapy with CEACAM-specific monoclonal antibodies. The median follow-up was 8 years. Overall survival (OS) and disease-free survival (DFS) were calculated using Kaplan-Meier estimates and hazard ratios (HRs) estimated using Cox proportional hazards models. RESULTS: Tissue expression of CEACAM6, CEACAM1, and CEA was enhanced in 55%, 58%, and 94% of patients, respectively. Multivariate Cox analysis including sex, age, tumor site, stage, differentiation grade, treatment, and nodal status as covariates showed that CEACAM6 overexpression independently predicted poor OS (HR, 1.86; P =.0100) and DFS (HR, 2.00; P =.0028), whereas CEACAM1 or CEA were not significantly related to these outcomes. The data did not provide evidence for or against the hypothesis that the CEACAM6 effect on survival differs according to treatment. CONCLUSION: Expression of the cell adhesion molecule CEACAM6 in CRC is an independent prognostic factor allowing subdivision of patients into low- and high-risk groups. Whether CEACAM6 or CEA and CEACAM1 might be useful as predictive markers of chemotherapy benefit remains unclear.
Monoklonale Antikörper
(2003)
Electrochemistry of immobilized CuZnSOD and FeSOD and their interaction with superoxide radicals
(2003)
Copper, zinc superoxide dismutase (CuZnSOD) from bovine erythrocytes and iron superoxide dismutase from Escherichia coli (FeSOD) were immobilized on 3-mercaptopropionic acid (MPA)-modified gold electrodes, respectively. The characterization of the SOD electrodes showed a quasi-reversible, electrochemical redox behavior with a formal potential of 47 ñ 4 mV and -154 ñ 5 mV (vs. Ag/AgCl, 1 M KCl) for surface adsorbed CuZnSOD and FeSOD, respectively. The heterogeneous electron transfer rate constants were determined to be about 65 and 35/s, respectively. Covalent fixation of both SODs was also feasible with only slight changes in the formal potential. The interaction of superoxide radicals (O2-) with the SOD electrode was investigated. No catalytic current could be observed. However, due to the fast cyclic reaction of SOD with superoxide, the communication of the protein with the electrode was strongly influenced. The amperometric detection of superoxide radicals is discussed.
Enzyme Electrodes
(2003)
Molecular recognition of cocaine by acetylcholinesterases for affinity purification and bio-sensing
(2003)
Herbivorous fish feed on cyanobacteria. Digestability differs, however, between cyanobacteria species without mucous cover and mucilaginous genera such as Microcystis. The latter can pass fish guts almost undamaged, and it has been hypothesized that they can take up nutrients during gut passage. Here we tested whether live Microcystis, as food for juvenile roach labeled with 33P, indeed showed higher radioactivity after gut passage as compared to gut contents in control experiments with fish fed heated Microcystis. Microcystis showed high viability after passage through roach guts, and live colonies had a significantly higher radioactivity than dead ones. We conclude that Microcystis is protected against digestion in roach guts and can directly use the phosphorus supplied in the fish guts during passage.
Biosensors which make use of the high specificity of enzymes, antibodies, and nucleic acids have been described for detection of numerous metabolites, hormones, and nucleic acid sequences. In addition to biological components nowadays biomimetic recognition molecules are also used. Especially antibodies, aptamers, and molecular imprints are promising biomimetics. They could broaden the range of detectable analytes and could increase the functional stability of the sensor. In this publication we describe the generation of biomimetic antibodies and biomimetic molecular imprints for binding creatinine and for hydrolyzing phenylcarbamates to be used in electrochemical sensors.
Microevolution is typically ignored as a factor directly affecting on-going population dynamics. We show here that density-dependent natural selection has a direct and measurable effect on a planktonic predator-prey interaction. We kept populations of Brachionus calyciflorus, a monogonont rotifer that exhibits cyclical parthenogenesis, in continuous flow-through cultures (chemostats) for > 900 days. Initially, females frequently produced male offspring, especially at high population densities. We observed rapid evolution, however, towards low propensity to reproduce sexually, and by 750 days, reproduction had become entirely asexual. There was strong selection favouring asexual reproduction because, under the turbulent chemostat regime, males were unable to mate with females, produced no offspring, and so had zero fitness. In replicated chemostat experiments we found that this evolutionary process directly influenced the population dynamics. We observed very specific yet reproducible plankton dynamics that are explained well by a mathematical model that explicitly includes evolution. This model accounts for both asexual and sexual reproduction and treats the propensity to reproduce sexually as a quantitative trait under selection. We suggest that a similar amalgam of ecological and evolutionary mechanisms may drive the dynamics of rapidly reproducing organisms in the wild.
The nuclear SHL protein is composed of a N-terminal BAH domain and a C-terminal PHD finger. Both domains are found in transcriptional regulators and chromatin-modifying proteins. Arabidopsis plants over-expressing SHL showed earlier flowering and senescence phenotype. To identify SHL regulated genes, expression profiles of 35S::SHL plants were established with Affymetrix ATH1 microarrays. About 130 genes showed reduced transcript levels, and about 45 genes showed increased transcript levels in 35S:: SHL plants. The up-regulated genes included AGL20 and AGL9, which most likely cause the early flowering phenotype of 35S:: SHL plants. Late-flowering SHL-antisense lines showed reduced AGL20 mRNA levels, suggesting that AGL20 gene expression depends on the SHL protein. The stronger expression of senescence- and defence-related genes (such as DIN2, DIN11 and PR-1) is in line with the early senescence phenotype of SHL-over- expressing plants. SHL-down-regulated genes included stress response genes and the PSR3.2 gene (encoding a beta- glucosidase). SHL over-expression did not alter the tissue specificity of PSR3.2 gene expression, but resulted in reduced transcript levels in both shoots and roots. Plants with glucocorticoid-inducible SHL over-expression were established and used for expression profiling as well. A subset of genes was identified, which showed consistent changes in the inducible system and in plants with constitutive SHL over-expression
Detailed analysis of brassinosteroid (BR)-regulated genes can provide evidence of the molecular basis of BR effects. Classical techniques (such as subtractive cDNA cloning) as well as cDNA and oligonucleotide microarrays have been applied to identify genes which are upregulated or downregulated after BR treatment or are differently expressed in BR-deficient or -insensitive mutants compared with wild type plants. Genes encoding cell-wall-modifying enzymes, enzymes of the BR biosynthetic pathway, auxin response factors, and transcription factors are subject to BR regulation. Effects on several other metabolic pathways and interactions with other phytohormones have been reported as well, although some of these effects may depend on certain environmental conditions (for example, light/dark or stress), the developmental stage of the plants, and tissue types. The identification of components of the BR signal transduction pathway revealed different modes of transcriptional control in animals and plants. Steroid signaling in plants comprises the plasma membrane receptor kinases BRI1 and BAK1 and intracellular protein phosphorylations. Thus, BR signaling in plants is reminiscent of growth factor and TGF-beta signal transduction in animals. The phosphorylation cascade could be a basis of extensive signaling cross-talk and thereby explain the complexity of BR responses
In der vorliegenden Arbeit habe ich wichtige Teilmechanismen der Erregungs-Sekretionskopplung in der Speicheldrüse der Schabe Periplaneta americana (L.) untersucht. Die Speicheldrüse ist von dopaminergen und serotonergen Fasern innerviert (Baumann et al., 2002). Beide Transmitter stimulieren eine unterschiedliche Reaktion der Drüse: Dopamin (DA) stimuliert die P-Zellen der Acini und die Ausführgangzellen, während Serotonin (5-HT) die P- und C-Zellen der Acini stimuliert, nicht jedoch die Ausführgangzellen. Der Endspeichel ist nach einer DA-Stimulierung proteinfrei. Dagegen enthält er nach einer 5-HT-Stimulierung Proteine, die von den C-Zellen sezerniert werden (Just & Walz, 1996). Im ersten Teil meiner Arbeit habe ich mittels Kapillarelektrophoretischer Analyse (CE-Analyse) die Elektrolytkonzentrationen im Endspeichel untersucht sowie die Raten der Flüssigkeitssekretion gemessen. Damit wollte ich klären, welche Transporter an der Sekretion des Primärspeichels und an dessen Modifikation beteiligt sind. Ausserdem wollte ich die Rolle der transportaktiven Epithelzellen der Ausführgänge für die Modifikation des Primärspeichels untersuchen. Dafür habe ich einen Vergleich der Elektrolytkonzentrationen im DA- und 5-HT-stimulierten Endspeichel durchgeführt. Der Elektrolytgehalt des DA- und 5-HT-stimulierten Endspeichels unterscheidet sich nicht signifikant voneinander. Er ist nach beiden Stimulierungen hypoosmotisch zum verwendeten Ringer. Die Ausführgangzellen werden durch DA stimuliert und modifizieren den Primärspeichel durch eine netto-Ionenreabsorption. Meine Versuche zeigen jedoch, dass auch die während einer 5-HT-Stimulierung der Drüse unstimulierten Ausführgangzellen den Primärspeichel modifizieren. In einer nachfolgenden Versuchsreihe habe ich den Einfluss von Ouabain, einem Hemmstoff der Na+-K+-ATPase, und Bumetanid, einem Hemmstoff des NKCC, auf die Raten der Flüssigkeitssekretion sowie den Elektrolytgehalt des Endspeichels untersucht. Ich habe gefunden, dass die Aktivität der Na+-K+-ATPase wichtig für die Modifikation des DA-stimulierten Primärspeichels ist. Im Gegensatz dazu ist sie für die Modifikation des 5-HT-stimulierten Primärspeichels nicht von Bedeutung. Bezüglich der Flüssigkeitssekretion habe ich keinen Einfluss der Na+-K+-ATPase-Aktivität auf die DA-stimulierten Sekretionsraten gefunden, dagegen ist die 5-HT-stimulierte Sekretionsrate in Anwesenheit von Ouabain gesteigert. Die Aktivität des NKCC ist für beide sekretorische Prozesse, die Ionen- und die Flüssigkeitssekretion, wichtig. Eine Hemmung des NKCC bewirkt eine signifikante Verringerung der Raten der Flüssigkeitssekretion nach DA- und 5-HT-Stimulierung sowie in beiden Fällen einen signifikanten Abfall der Ionenkonzentrationen im Endspeichel. Im zweiten Teil meiner Arbeit habe ich versucht, Änderungen der intrazellulären Ionenkonzentrationen in den Acinuszellen während einer DA- oder 5-HT-Stimulierung zu messen. Diese Experimente sollten mit der Methode des "ratiometric imaging" durchgeführt werden. Messungen mit dem Ca2+-sensitiven Fluoreszenzfarbstoff Fura-2 zeigten keinen globalen Anstieg in der intrazellulären Ca2+-Konzentration der P-Zellen. Aufgrund von Problemen mit einer schlechten Beladung der Zellen, einer starken und sich während der Stimulierung ändernden Autofluoreszenz der Zellen sowie Änderungen im Zellvolumen wurden keine Messungen mit Na+- und K+-sensitiven Fluoreszenzfarbstoffen durchgeführt. Im dritten Teil dieser Arbeit habe ich die intrazellulären Signalwege untersucht, die zwischen einer 5-HT-Stimulierung der Drüse und der Proteinsekretion vermitteln. Dazu wurde der Proteingehalt im Endspeichel biochemisch mittels eines modifizierten Bradford Assay gemessen. Eine erstellte Dosis-Wirkungskurve zeigt, dass die Rate der Proteinsekretion von der zur Stimulierung verwendeten 5-HT-Konzentration abhängt. In einer Serie von Experimenten habe ich die intrazellulären Konzentrationen von Ca2+, cAMP und / oder cGMP erhöht und anschließend den Proteingehalt im Endspeichel gemessen. Ein Anstieg der intrazellulären Ca2+-Konzentration aktiviert nur eine geringe Rate der Proteinsekretion. Dagegen kann die Steigerung der intrazellulären cAMP-Konzentration eine stärkere Proteinsekretion aktivieren, die sich nicht signifikant von der nach 5-HT-Stimulierung unterscheidet. Die cAMP-stimulierte Proteinsekretion kann durch gleichzeitige Erhöhung der intrazellulären Ca2+-Konzentration weiter gesteigert werden. Dagegen aktivierte eine Erhöhung der intrazellulären cGMP-Konzentration die Proteinsekretion nicht. Aufgrund dieser Ergebnisse postuliere ich die Existenz eines die Adenylatcyclase aktivierenden 5-HT-Rezeptors in der Basolateralmembran der C-Zellen.
Der Buchfinkengesang wurde in Potsdam in zwei Hauptpopulationen über drei Jahre aufgenommen. Jedes Individuum wurde eindeutig am individuellen Strophentypenrepertoire identifiziert. Ein weiterer Punkt der die individuelle Wiedererkennung bestätigt ist die hohe Standorttreue der adulten Männchen. Die beschriebene Methode eignet sich für die Untersuchung von gesamten Populationen, um den Wandel des Gesangs von Populationen in Raum und Zeit zu beschreiben. Die Haupterkenntnisse der Arbeit sind: - Die Gesamtanzahl der Grundstrophentypen innerhalb einer Population bleibt über Jahre konstant. - Die relative Häufigkeit jedes einzelnen Strophentyps variiert von Jahr zu Jahr und von Population zu Population. - Gesangslernen erfolgt exakt mit einem Korrektheitsgrad von mindestens 96%. - Das Song-Sharing ist innerhalb der Population hoch. Die diskutierten Mechanismen für das Song-Sharing sind: Die Lebenserwartung, das Zugverhalten, das Lernverhalten, die Etabliertheit von Strophentypen, Weibchenpräferenzen und die Reaktionen der territorialen Männchen. - Weiterhin wurde ein Modell zur kulturellen Evolution des Buchfinkengesangs programmiert, um die Rolle der Einflussfaktoren, wie Fehlerquote, Abwanderungsrate und Laufzeit zu ermitteln. Der Wandel des Dialektes erfolgt graduell in Raum und Zeit. Daher sind keine scharfen Dialektgrenzen anzutreffen. Trotz dieser Tatsache markieren die etablierten Strophentypen die Population. 50 % der Juvenilen siedeln am Geburtsort, auf diese Weise bleibt der Dialekt erhalten und Inzest wird vermieden. -Analysiert man das Repertoire benachbarten Männchen bei isolierten Alleen, so entspricht die Gesangsangleichung in etwa dem Zufall. -Intraindividuelle Vergleiche der quantitativen Parameter des jeweiligen Strophentyps wurden saisonal und annuell durchgeführt. Saisonal konnten für einen Strophentyp ein Trend ermittelt werden. Bei jährlichen Vergleichen konnten intraindividuell ausschließlich nicht signifikante Ergebnisse ermittelt werden, wohingegen die interindividuelle Variation in zwei Fällen signifikant war. In einem Fall bestand ein Trend und in einem weiteren Fall war die Variationsunterschiede nicht signifikant. - Der Verlauf der Brutsaison lässt sich an der jährlichen Gesangsaktivität nachvollziehen.
Es ist schon seit längerer Zeit bekannt, dass nach Kontakt des Biomaterials mit der biologischen Umgebung bei Implantation oder extrakorporaler Wechselwirkung zunächst Proteine aus dem umgebenden Milieu adsorbiert werden, wobei die Oberflächeneigenschaften des Materials die Zusammensetzung der Proteinschicht und die Konformation der darin enthaltenden Proteine determinieren. Die nachfolgende Wechselwirkung von Zellen mit dem Material wird deshalb i.d.R. von der Adsorbatschicht vermittelt. Der Einfluss der Oberflächen auf die Zusammensetzung und Konformation der Proteine und die nachfolgende Wechselwirkung mit Zellen ist von besonderem Interesse, da einerseits eine Aussage über die Anwendbarkeit ermöglicht wird, andererseits Erkenntnisse über diese Zusammenhänge für die Entwicklung neuer Materialien mit verbesserter Biokompatibilität genutzt werden können. In der vorliegenden Habilitationsschrift wurde deshalb der Einfluss der Zusammensetzung von Polymeren bzw. von deren Oberflächeneigenschaften auf die Adsorption von Proteinen, den Aktivitätszustand der plasmatischen Gerinnung und die Adhäsion von Zellen untersucht. Dabei wurden auch Möglichkeiten zur Beeinflussung dieser Vorgänge über eine Veränderung der Volumenzusammensetzung oder durch Oberflächenmodifikationen von Biomaterialien vorgestellt. Erkenntnisse aus diesen Arbeiten konnten für die Entwicklung von Membranen für Biohybrid-Organe genutzt werden.
Die Präeklampsie ist eine schwangerschaftsspezifische Bluthochdruck-Erkrankung, die im Allgemeinen nach der 20. Schwangerschaftswoche auftritt. Neben der Hypertonie sind die Proteinurie und die Ödembildung charakteristische Symptome der Präeklampsie. Obwohl heute die Pathophysiologie der Präeklampsie zum großen Teil verstanden ist, ist die Ätiologie dieser Erkrankung noch unklar. 1999 konnten wir in den Seren von Präeklampsie-Patientinnen agonistische Autoantikörper, die gegen den Angiotensin II AT1-Rezeptor gerichtet sind (AT1-AAK), nachweisen. Diese AT1-AAK gehören zur Antikörpersubklasse IgG3. Die AT1-AAK führen in Kulturen neonataler Rattenkardiomyozyten AT1-Rezeptor spezifisch zu einem positiv chronotropen Effekt. Mittels Immunpräzipitation wurde gezeigt, dass AT1-AAK spezifisch den AT1-Rezeptor präzipitieren. Kontrollproben, aus denen die AT1-AAK entfernt wurden, führen zu keiner Präzipitation des AT1-Rezeptors. Die Präzipitation des AT1-Rezeptors bleibt ebenfalls aus, wenn die AT1-AAK mit einem Peptid, welches der Aminosäuresequenz des zweiten extrazellulären Loops des humanen AT1-Rezeptors entspricht, behandelt wurden. Eine Langzeitbehandlung der Kulturen neonataler Rattenherzzellen mit AT1-AAK vermindert die funktionelle Ansprechbarkeit der Zellen auf einen erneuten AT1-Rezeptor-Stimulus. Eine veränderte AT1-Rezeptorexpression wurde nicht nachgewiesen. In guter Übereinstimmung mit den in vitro-Expressionsdaten wurde gezeigt, dass die plazentare AT1-Rezeptorexpression bei Präeklampsie-Patientinnen nicht verschieden von der plazentaren AT1-Rezeptorexpression gesunder Schwangerer mit nicht pathogen verändertem Blutdruck ist. Im Zellsystem der neonatalen Rattenherzzellen führen die AT1-AAK zur Aktivierung von Gi-Proteinen und zu verringerten intrazellulären cAMP-Spiegeln. Des Weiteren wurde gezeigt, dass die AT1-AAK in Kulturen neonataler Rattenherzzellen die Transkriptionsfaktoren AP-1 und NFkB aktivieren. Die Aktivierung des Transkriptionsfaktors NFkB wurde vornehmlich in den Nicht-Myozyten der Rattenherzzellkultur nachgewiesen. Generell wurde festgestellt, dass sich die AT1-AAK pharmakologisch wie der natürliche Agonist des AT1-Rezeptors, Angiotensin II, verhalten. Erste Daten dieser Arbeit deuten auf einen eventuellen Einfluss der AT1-AAK auf die Expression von Komponenten der extrazellulären Matrix bzw. assoziierter Faktoren (Kollagen III, MMP-2, TIMP-2, Colligin) hin. In allen in dieser Arbeit untersuchten Seren von klinisch diagnostizierten Präeklampsie-Patientinnen wurden agonistische AT1-AAK nachgewiesen. Wir vermuten daher, dass die AT1-AAK möglicherweise bedeutend in der Pathogenese der Präeklampsie sind.
Der "Leukocyte Receptor Complex" (LRC) ist ein DNA-Sequenzabschnitt auf dem Chromosom 19 des Menschen, der eine Länge von über 900.000 Basenpaaren umfaßt. In diesem Chromosomenabschnitt ist eine Vielzahl von Genen lokalisiert, die für die Funktion verschiedener weißer Blutzellen (Leukozyten) von entscheidender Bedeutung sind. Bei den aus diesen Genen synthetisierten Proteinen (Eiweißen) handelt es sich um Strukturen, die auf der Oberfläche dieser Zellen lokalisiert sind und zur Interaktion der Leukozyten mit ihrer Umgebung dienen. Diese auch als Rezeptoren bezeichneten Proteine können mit Oberflächenproteinen auf anderen Körperzellen wechselwirken und daraus resultierende Signale in das Innere der Blutzelle weiterleiten. In der vorliegenden Doktorarbeit wurde der LRC im Detail untersucht. Hierzu wurde zunächst der gesamte Chromosomenabschnitt aus kleineren, einander überlappenden DNA-Fragmenten rekonstruiert. Aufgrund der in diesen DNA-Fragmenten enthaltenen DNA-Sequenzen war es möglich, den gesamten Chromosomenabschnitt ähnlich einem Puzzle zusammenzusetzen. Die anschließende Analyse des LRC zeigte, daß sich dieser in drei Bereiche, sogenannte Cluster, unterteilen läßt. Diese Cluster sind dadurch gekennzeichnet, daß in ihnen jeweils nur Gene eines Rezeptortyps vorkommen. Hierbei handelt es sich um ‚immunoglobulin-like transcript′ -Gene (ILT) und ‚killer cell Ig-like receptor′-Gene (KIR). Die KIR- und ILT-Cluster werden von weiteren stammesgeschichtlich verwandten Genen unterbrochen und flankiert. Je nach Individuum können im LRC bis zu 31 solcher verwandten Rezeptorgene lokalisiert sein. Auf der Grundlage der Kartierungsdaten und von Daten des humanen Genomprojekts war es zudem möglich, evolutionäre Untersuchungen zur Entwicklung des LRC durchzuführen. Dabei wurde eine Hypothese zur Entstehung des LRC entworfen und zu anderen Spezies in Beziehung gesetzt. Im zweiten Teil der Arbeit habe ich aufbauend auf der sogenannten HRCA-Methode eine Technik entwickelt, die es erlaubt kleinste Unterschiede zwischen DNA-Sequenzen, sogenannte Einzelbasenpaaraustausche, nachzuweisen. Die entwickelte Methode kann verwendet werden, um sehr ähnliche DNA-Sequenzen, wie z.B. verschiedene KIR-Sequenzen, zu unterscheiden und ihre Menge zu bestimmen. Sie ist außerdem geeignet Mutationen, die mit bestimmten Krankheiten assoziiert sind, nachzuweisen und könnte somit in der Diagnostik Anwendung finden.
The development of fast and reliable biochemical tools for on-site screening in environmental analysis was the main target of the present work. Due to various hazardous effects such as endocrine disruption and toxicity phenolic compounds are key analytes in environmental analysis and thus were chosen as model analytes. Three different methods were developed: For the enzymatic detection of phenols in environmental samples an enzyme-based biosensor was developed. In contrast to reported work using tyrosinase or peroxidases, we developed a biosensor based on glucose dehydrogenase as biorecognition element. This biosensor was devoted for an application in a laboratory flow system as well as in a portable device for on-site measurements. This enzymatic detection is applicable only for a limited number of phenols due to substrate specificity of the enzyme. For other relevant compounds based on a phenolic structure (i.e. nitrophenol, alkylphenols and alkylphenol ethoxylates) immunological methods had to be developed. The electrochemical GDH-biosensor was used as the label detector in these immunoassays. Two heterogeneous immunoassays were developed where ßGal was used as the label. An electrochemical method for the determination of the marker enzyme activity was processed. The separation step was realized with protein A/G columns (laboratory flow system) or by direct immobilization of the antibodies in small disposable capillaries (on-site analysis). All methods were targeted on the contemporary analysis of small numbers of samples.
Biogenic amines and their receptors regulate and modulate many physiological and behavioural processes in animals. In vertebrates, octopamine is only found in trace amounts and its function as a true neurotransmitter is unclear. In protostomes, however, octopamine can act as neurotransmitter, neuromodulator and neurohormone. In the honeybee, octopamine acts as a neuromodulator and is involved in learning and memory formation. The identification of potential octopamine receptors is decisive for an understanding of the cellular pathways involved in mediating the effects of octopamine. Here we report the cloning and functional characterization of the first octopamine receptor from the honeybee, Apis mellifera . The gene was isolated from a brain-specific cDNA library. It encodes a protein most closely related to octopamine receptors from Drosophila melanogaster and Lymnea stagnalis . Signalling properties of the cloned receptor were studied in transiently transfected human embryonic kidney (HEK) 293 cells. Nanomolar to micromolar concentrations of octopamine induced oscillatory increases in the intracellular Ca2+ concentration. In contrast to octopamine, tyramine only elicited Ca2+ responses at micromolar concentrations. The gene is abundantly expressed in many somata of the honeybee brain, suggesting that this octopamine receptor is involved in the processing of sensory inputs, antennal motor outputs and higher-order brain functions.
Mit der vorliegenden Arbeit sollten mit Hilfe elektronenmikroskopischer Methoden verschiedene Liposomen-DNA-Komplexe zum Gentransfer charakterisiert sowie die Aufnahme und Verteilung in der Zellkultur untersucht werden. Dabei waren vor allem solche Präparationen von besonderem Interesse, die in unserer Arbeitsgruppe 'Drug Targeting' getestet oder entwickelt und verwendet wurden, wie Sendai-Virus Liposomen (HVJ-Liposomen), Virosomen sowie DAC-Chol und DOCSPER-Liposomen als Vertreter der kationischen Lipide. Im ersten Teil der Arbeit wurden fusogene Liposomen und Virosomen charakterisiert. Bei diesen Untersuchungen wurden folgende Ergebnisse erzielt: ·Sendai-Viren fusionieren mit Liposomen unterschiedlicher Lipidzusammensetzung. ·Die daraus resultierenden HVJ-Liposomen sind mit elektronenmikroskopischen Methoden identifizierbar. ·Die Spikes auf den HVJ-Liposomen besitzen fusogene Eigenschaften. ·HVJ-Liposomen eignen sich auf Grund der geringen Ausbeute sowie der geringen Transfektionseffizienz nicht zum in vitro Gentransfer. ·Virosomen stellen einen weiteren Typ fusogener Gentransfervesikel dar. ·Ihre Größe und fusogenen Eigenschaften sind abhängig von der externen Zugabe einer optimierten Lipidmischung. ·Im Innenraum der Virosomen kann mit Poly-L-Lysin vorkomplexierte DNA verkapselt werden. ·Die fusogenen Eigenschaften der Virosomen wurden mit Hilfe immunelektronenmikroskopischer Techniken und monoklonaler Antikörper gegen Hämagglutinin/Neuraminidase und das Fusionsprotein sowie mit polyklonalen Antiseren gezeigt. ·An Hand goldmarkierter DNA sind Virosomen nach der Transfektion in der Zelle nachweisbar. Da in unserer Arbeitsgruppe bevorzugt kationische Liposomen zum Gentransfer verwendet werden, wurde auch die Struktur der Liposomen untersucht und folgende Ergebnisse dokumentiert: ·Die Struktur und die Größe kationischer Liposomen werden hauptsächlich durch die Lipidzusammensetzung bestimmt. ·Die Bildung von Liposomen-DNA-Komplexen ist mit einer Größenzunahme der Komplexe gekoppelt. ·Die Anzahl gebundener Plasmide steigt mit der Größe der Lipoplexe. ·Gentransferaktive Lipopolyplexe (mit Protaminsulfat komplexierte DNA und DAC-Chol- Liposomen) sind kleiner als Lipoplexe. Ihre Struktur wird von der Zusammensetzung bestimmt. Eine weitere wichtige Frage betrifft den Weg der Gencarrier in der Zelle. Kenntnisse über diese Vorgänge sind vorteilhaft, um die einzelnen Schritte zu verstehen und möglichst gezielt zu verbessern. Bei der Untersuchung der Partikel im Hinblick auf zelluläre Barrieren beim Gentransfer konnten folgende Ergebnisse erzielt werden: ·Die Bindung der Partikel an die Zellmembran und Aufnahme sind abhängig von den eingesetzten Zellen und Komplexen sowie derInkubationszeit. ·Die Aufnahme erfolgt über endozytotische Mechanismen, wobei Lipopolyplexe schneller als Lipoplexe in die Zellen gelangen. Nicht alle gebundenen Komplexe werden aufgenommen. ·Die aufgenommenen Partikel befinden sich in Endosomen und werden ins Innere der Zelle transportiert. ·Freisetzung der DNA und Eintritt in den Zellkern über Kernporen konnte nicht beobachtet werden. ·DNA-haltige Vesikel in Kernnähe deuten auf einen weiteren Mechanismus hin (Vesikeltransfer zum Zellkern).