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Light-triggered release of bioactive compounds from HA/PLL multilayer films for stimulation of cells
(2016)
The concept of targeting cells and tissues by controlled delivery of molecules is essential in the field of biomedicine. The layer-by-layer (LbL) technology for the fabrication of polymer multilayer films is widely implemented as a powerful tool to assemble tailor-made materials for controlled drug delivery. The LbL films can as well be engineered to act as mimics of the natural cellular microenvironment. Thus, due to the myriad possibilities such as controlled cellular adhesion and drug delivery offered by LbL films, it becomes easily achievable to direct the fate of cells by growing them on the films.
The aim of this work was to develop an approach for non-invasive and precise control of the presentation of bioactive molecules to cells. The strategy is based on employment of the LbL films, which function as support for cells and at the same time as reservoirs for bioactive molecules to be released in a controlled manner. UV light is used to trigger the release of the stored ATP with high spatio-temporal resolution. Both physico-chemical (competitive intermolecular interactions in the film) and biological aspects (cellular response and viability) are addressed in this study.
Biopolymers hyaluronic acid (HA) and poly-L-lysine (PLL) were chosen as the building blocks for the LbL film assembly. Poor cellular adhesion to native HA/PLL films as well as significant degradation by cells within a few days were shown. However, coating the films with gold nanoparticles not only improved cellular adhesion and protected the films from degradation, but also formed a size-exclusion barrier with adjustable cut-off in the size range of a few tens of kDa.
The films were shown to have high reservoir capacity for small charged molecules (reaching mM levels in the film). Furthermore, they were able to release the stored molecules in a sustained manner. The loading and release are explained by a mechanism based on interactions between charges of the stored molecules and uncompensated charges of the biopolymers in the film. Charge balance and polymer dynamics in the film play the pivotal role.
Finally, the concept of light-triggered release from the films has been proven using caged ATP loaded into the films from which ATP was released on demand. ATP induces a fast cellular response, i.e. increase in intracellular [Ca2+], which was monitored in real-time. Limitations of the cellular stimulation by the proposed approach are highlighted by studying the stimulation as a function of irradiation parameters (time, distance, light power). Moreover, caging molecules bind to the film stronger than ATP does, which opens new perspectives for the use of the most diverse chemical compounds as caging molecules.
Employment of HA/PLL films as a nouvelle support for cellular growth and hosting of bioactive molecules, along with the possibility to stimulate individual cells using focused light renders this approach highly efficient and unique in terms of precision and spatio-temporal resolution among those previously described. With its high potential, the concept presented herein provides the foundation for the design of new intelligent materials for single cell studies, with the focus on tissue engineering, diagnostics, and other cell-based applications.
Investigation of the TCA cycle and glycolytic metabolons and their physiological impacts in plants
(2016)
Das biogene Amin Serotonin (5-Hydroxytryptamin, 5-HT) agiert als wichtiger chemischer Botenstoff bei einer Vielzahl von Organismen. Das durch 5 HT vermittelte Signal wird dabei durch spezifische Rezeptoren wahrgenommen und in eine zelluläre Reaktion umgesetzt. Diese 5 HT Rezeptoren gehören überwiegend zur Familie der G Protein gekoppelten Rezeptoren (GPCRs). Die Honigbiene Apis mellifera bietet unter anderem aufgrund ihrer eusozialen Lebensweise vielfältige Ansatzpunkte zur Erforschung der Funktionen des serotonergen Systems in Insekten. Bei A. mellifera wurden bereits vier 5-HT-Rezeptor-Subtypen beschrieben und molekular sowie pharmakologisch charakterisiert: Am5 HT1A, Am5 HT2α, Am5 HT2β und Am5 HT7. Ziel dieser Arbeit war es, gewebespezifische sowie alters- und tageszeitabhängige Expressionsmuster der 5 HT Rezeptor-Subtypen zu untersuchen, um zu einem umfassenden Verständnis des serotonergen Systems der Honigbiene beizutragen und eine Basis zur Hypothesenentwicklung für mögliche physiologische Funktionen zu schaffen.
Es wurde die Expression der 5 HT Rezeptorgene sowohl im zentralen Nervensystem, als auch in Teilen des Verdauungs-, Exkretions- und Speicheldrüsensystems gemessen. Dabei konnte gezeigt werden, dass die untersuchten 5-HT-Rezeptor-Subtypen generell weit im Organismus der Honigbiene verbreitet sind. Interessanterweise unterschieden sich die untersuchten Gewebe hinsichtlich der mRNA-Expressionsmuster der untersuchten Rezeptoren. Während beispielsweise im Gehirn Am5 ht1A und Am5 ht7 stärker als Am5 ht2α und Am5 ht2β exprimiert wurden, zeigte sich in Darmgewebe ein umgekehrtes Muster.
Es war bereits bekannt, dass es bei der Expression der Am5-ht2-Gene zu alternativem Spleißen kommt. Dies führt zur Entstehung der verkürzten mRNA-Varianten Am5 ht2αΔIII und Am5 ht2βΔII. Die daraus resultierenden Proteine können nicht als funktionelle GPCRs agieren. Es konnte gezeigt werden, dass diese verkürzten Spleißvarianten dennoch ubiquitär in der Honigbiene exprimiert werden. Bemerkenswerterweise wurden gewebeübergreifende Ähnlichkeiten der Expressionsmuster der Spleißvarianten gegenüber deren zugehörigen Volllängenvarianten festgestellt, welche auf Funktionen der verkürzten Varianten in vivo hindeuten.
Im Hinblick auf die bei A. mellifera hauptsächlich altersbedingte Arbeitsteilung wurde die Expression der 5 HT Rezeptor-Subtypen in Gehirnen von unterschiedlich alten Arbeiterinnen mit unterschiedlichen sozialen Rollen verglichen. Während auf mRNA-Ebene keines der vier 5 HT Rezeptor-Subtypen eine altersabhängig unterschiedliche Expression zeigte, konnte für das Am5-HT1A-Protein eine höhere Konzentration in den Gehirnen älterer Tiere gefunden werden. Dies deutet auf eine posttranskriptionale Regulation der 5 HT1A Rezeptorexpression hin, welche im Zusammenhang mit der Arbeitsteilung stehen könnte.
Es erfolgte die Untersuchung tageszeitlicher Änderungen sowohl der Expression der 5 HT Rezeptor-Subtypen, als auch des biogenen Amins 5 HT selbst. Während es in den Gehirnen von Arbeiterinnen, welche unter natürlichen Bedingungen gehalten wurden, zu keiner tageszeitabhängigen Veränderung des 5 HT-Titers kam, zeigte die mRNA-Expression von Am5-ht2α und Am5-ht2β eine periodische Oszillation mit Zunahme während des Tages und Abnahme während der Nacht. Diese Regulation wird durch externe Faktoren hervorgerufen und ist nicht auf einen endogenen circadianen Rhythmus zurückzuführen. Dies ging aus der Wiederholung der Expressionsmessungen an Gehirnen von Bienen, welche unter konstanten Laborbedingungen gehalten wurden, hervor.
Weiterhin wurde die Beteiligung des serotonergen Systems an der Steuerung von Aspekten des circadianen lokomotorischen Aktivitätsrhythmus anhand von Verhaltensexperimenten untersucht. Mit 5 HT gefütterte Arbeiterinnen zeigten dabei unter konstanten Bedingungen eine längere Periode des Aktivitätsrhythmus als Kontrolltiere. Dies deutet auf einen Einfluss von 5 HT auf die Modulation der Synchronisation der inneren Uhr hin.
Die vorliegenden Ergebnisse tragen wesentlich zum tieferen Verständnis des serotonergen Systems der Honigbiene bei und bieten Ansatzpunkte für weitergehende Studien zur Funktion von 5 HT im Zusammenhang mit der Modulation von physiologischen Prozessen, Arbeitsteilung und circadianen Rhythmen.
Characterization of the Clp protease complex and identification of putative substrates in N. tabacum
(2016)
The all-female Amazon molly (Poecilia formosa) originated from a single hybridization of two bisexual ancestors, Atlantic molly (Poecilia mexicana) and sailfin molly (Poecilia latipinna). As a gynogenetic species, the Amazon molly needs to copulate with a heterospecific male, but the genetic information of the sperm-donor does not contribute to the next generation, as the sperm only acts as the trigger for the diploid eggs’ embryogenesis. Here, we study the sequence evolution and gene expression of the duplicated genes coding for androgen receptors (ars) and other pathway-related genes, i.e., the estrogen receptors (ers) and cytochrome P450, family19, subfamily A, aromatase genes (cyp19as), in the Amazon molly, in comparison to its bisexual ancestors. Mollies possess–as most other teleost fish—two copies of the ar, er, and cyp19a genes, i.e., arα/arβ, erα/erβ1, and cyp19a1 (also referred as cyp19a1a)/cyp19a2 (also referred to as cyp19a1b), respectively. Non-synonymous single nucleotide polymorphisms (SNPs) among the ancestral bisexual species were generally predicted not to alter protein function. Some derived substitutions in the P. mexicana and one in P. formosa are predicted to impact protein function. We also describe the gene expression pattern of the ars and pathway-related genes in various tissues (i.e., brain, gill, and ovary) and provide SNP markers for allele specific expression research. As a general tendency, the levels of gene expression were lowest in gill and highest in ovarian tissues, while expression levels in the brain were intermediate in most cases. Expression levels in P. formosa were conserved where expression did not differ between the two bisexual ancestors. In those cases where gene expression levels significantly differed between the bisexual species, P. formosa expression was always comparable to the higher expression level among the two ancestors. Interestingly, erβ1 was expressed neither in brain nor in gill in the analyzed three molly species, which implies a more important role of erα in the estradiol synthesis pathway in these tissues. Furthermore, our data suggest that interactions of steroid-signaling pathway genes differ across tissues, in particular the interactions of ars and cyp19as.
The all-female Amazon molly (Poecilia formosa) originated from a single hybridization of two bisexual ancestors, Atlantic molly (Poecilia mexicana) and sailfin molly (Poecilia latipinna). As a gynogenetic species, the Amazon molly needs to copulate with a heterospecific male, but the genetic information of the sperm-donor does not contribute to the next generation, as the sperm only acts as the trigger for the diploid eggs’ embryogenesis. Here, we study the sequence evolution and gene expression of the duplicated genes coding for androgen receptors (ars) and other pathway-related genes, i.e., the estrogen receptors (ers) and cytochrome P450, family19, subfamily A, aromatase genes (cyp19as), in the Amazon molly, in comparison to its bisexual ancestors. Mollies possess–as most other teleost fish—two copies of the ar, er, and cyp19a genes, i.e., arα/arβ, erα/erβ1, and cyp19a1 (also referred as cyp19a1a)/cyp19a2 (also referred to as cyp19a1b), respectively. Non-synonymous single nucleotide polymorphisms (SNPs) among the ancestral bisexual species were generally predicted not to alter protein function. Some derived substitutions in the P. mexicana and one in P. formosa are predicted to impact protein function. We also describe the gene expression pattern of the ars and pathway-related genes in various tissues (i.e., brain, gill, and ovary) and provide SNP markers for allele specific expression research. As a general tendency, the levels of gene expression were lowest in gill and highest in ovarian tissues, while expression levels in the brain were intermediate in most cases. Expression levels in P. formosa were conserved where expression did not differ between the two bisexual ancestors. In those cases where gene expression levels significantly differed between the bisexual species, P. formosa expression was always comparable to the higher expression level among the two ancestors. Interestingly, erβ1 was expressed neither in brain nor in gill in the analyzed three molly species, which implies a more important role of erα in the estradiol synthesis pathway in these tissues. Furthermore, our data suggest that interactions of steroid-signaling pathway genes differ across tissues, in particular the interactions of ars and cyp19as.
Src1 is a Protein of the Inner Nuclear Membrane Interacting with the Dictyostelium Lamin NE81
(2016)
The nuclear envelope (NE) consists of the outer and inner nuclear membrane (INM), whereby the latter is bound to the nuclear lamina. Src1 is a Dictyostelium homologue of the helix-extension-helix family of proteins, which also includes the human lamin-binding protein MAN1. Both endogenous Src1 and GFP-Src1 are localized to the NE during the entire cell cycle. Immuno-electron microscopy and light microscopy after differential detergent treatment indicated that Src1 resides in the INM. FRAP experiments with GFP-Src1 cells suggested that at least a fraction of the protein could be stably engaged in forming the nuclear lamina together with the Dictyostelium lamin NE81. Both a BioID proximity assay and mis-localization of soluble, truncated mRFP-Src1 at cytosolic clusters consisting of an intentionally mis-localized mutant of GFP-NE81 confirmed an interaction of Src1 and NE81. Expression GFP-Src11–646, a fragment C-terminally truncated after the first transmembrane domain, disrupted interaction of nuclear membranes with the nuclear lamina, as cells formed protrusions of the NE that were dependent on cytoskeletal pulling forces. Protrusions were dependent on intact microtubules but not actin filaments. Our results indicate that Src1 is required for integrity of the NE and highlight Dictyostelium as a promising model for the evolution of nuclear architecture.
Src1 is a Protein of the Inner Nuclear Membrane Interacting with the Dictyostelium Lamin NE81
(2016)
The nuclear envelope (NE) consists of the outer and inner nuclear membrane (INM), whereby the latter is bound to the nuclear lamina. Src1 is a Dictyostelium homologue of the helix-extension-helix family of proteins, which also includes the human lamin-binding protein MAN1. Both endogenous Src1 and GFP-Src1 are localized to the NE during the entire cell cycle. Immuno-electron microscopy and light microscopy after differential detergent treatment indicated that Src1 resides in the INM. FRAP experiments with GFP-Src1 cells suggested that at least a fraction of the protein could be stably engaged in forming the nuclear lamina together with the Dictyostelium lamin NE81. Both a BioID proximity assay and mis-localization of soluble, truncated mRFP-Src1 at cytosolic clusters consisting of an intentionally mis-localized mutant of GFP-NE81 confirmed an interaction of Src1 and NE81. Expression GFP-Src11–646, a fragment C-terminally truncated after the first transmembrane domain, disrupted interaction of nuclear membranes with the nuclear lamina, as cells formed protrusions of the NE that were dependent on cytoskeletal pulling forces. Protrusions were dependent on intact microtubules but not actin filaments. Our results indicate that Src1 is required for integrity of the NE and highlight Dictyostelium as a promising model for the evolution of nuclear architecture.
Molekulare Charakterisierung von CP75, einem neuen centrosomalen Protein in Dictyostelium discoideum
(2016)
Das Centrosom ist ein Zellkern-assoziiertes Organell, das nicht von einer Membran umschlossen ist. Es spielt eine wichtige Rolle in vielen Mikrotubuli- abhängigen Prozessen wie Organellenpositionierung, Zellpolarität oder die Organisation der mitotischen Spindel. Das Centrosom von Dictyostelium besteht aus einer dreischichtigen Core-Struktur umgeben von einer Corona, die Mikrotubuli-nukleierende Komplexe enthält. Die Verdoppelung des Centrosoms in Dictyostelium findet zu Beginn der Mitose statt. In der Prophase vergrößert sich die geschichtete Core-Struktur und die Corona löst sich auf. Anschließend trennen sich die beiden äußeren Lagen der Core-Struktur und bilden in der Metaphase die beiden Spindelpole, die in der Telophase zu zwei vollständigen Centrosomen heranreifen. Das durch eine Proteom-Analyse identifizierte Protein CP75 lokalisiert am Centrosom abhängig von den Mitosephasen. Es dissoziiert von der Core-Struktur in der Prometaphase und erscheint an den Spindelpolen in der Telophase wieder. Dieses Verhalten korreliert mit dem Verhalten der mittleren Lage der Core-Struktur in der Mitose, was darauf hinweist, dass CP75 eine Komponente dieser Schicht sein könnte. Die FRAP-Experimente am Interphase- Centrosom zeigen, dass GFP-CP75 dort nicht mobil ist. Das deutet darauf hin, dass das Protein wichtige Funktionen im Strukturerhalt der centrosomalen Core- Struktur übernehmen könnte. Sowohl die C- als auch die N-terminale Domäne von CP75 enthalten centrosomale Targeting-Domäne. Als GFP-Fusionsproteine (GFP-CP75-N und -C) lokalisieren die beiden Fragmente am Centrosom in der Interphase. Während GFP-CP75-C in der Mitose am Centrosom verbleibt, verschwindet GFP-CP75-N in der Metaphase und kehrt erst in der späten Telophase zurück. GFP-CP75-C und GFP-CP75O/E kolokalisieren mit F-Aktin am Zellcortex, zeigen aber keine Interaktion mit Aktin mit der BioID-Methode. Die N-terminale Domäne von CP75 enthält eine potentielle Plk1- Phosphorylierungssequenz. Die Überexpression der nichtphosphorylierbaren Punktmutante (GFP-CP75-Plk-S143A) ruft verschiedene Phänotypen wie verlängerte oder überzählige Centrosomen, vergrößerte Zellkerne und Anreicherung von detyrosinierten Mikrotubuli hervor. Die ähnlichen Phänotypen konnten auch bei GFP-CP75-N und CP75-RNAi beobachtet werden. Der
Phänotyp der detyrosinierten Mikrotubuli bringt erstmals den Beweis dafür, dass I
in Dictyostelium posttranslationale Modifikation an Tubulinen stattfindet. Außerdem zeigten CP75-RNAi-Zellen Defekte in der Organisation der mitotischen Spindel. Mittels BioID-Methode konnten drei potentielle Interaktionspartner von CP75 identifiziert werden. Diese drei Proteine CP39, CP91 und Cep192 sind ebenfalls Bestandteile des Centrosoms.