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Schulfarm Insel Scharfenberg (Berlin) - oder: Vom Nutzen der Geschichte
No full textAuf der Insel Scharfenberg, inmitten des Tegeler Sees, in der Wald- und Seenlandschaft des Berliner Nordwestens gelegen, wurde im Frühjahr 1922 ein städtisches Jungeninternat gegründet, das sich unter der Leitung des Pädagogen Wilhelm Blume (1884-1970) als 'Schulfarm Insel Scharfenberg' zu einer der bedeutendsten öffentlichen reformpädagogischen Versuchsschulen der Weimarer Republik entwickelte
Impact of comorbidities and personal characteristics on weather-related risk for community-acquired pneumonia
No full textCommunity-acquired pneumonia (CAP) is one of the most frequent causes of death among infectious diseases worldwide. There is a growing concern about weather impacts on CAP. However, no studies have examined the effects of comorbidities and personal characteristics alongside the twofold impact of weather conditions (meteorological and air quality) on CAP. Our study investigates how personal characteristics (age, sex, and BMI) and comorbidities (asthma, chronic heart disease, COPD, diabetes, heart insufficiency, smoking, and tumor) and care influence the twofold compound impact of weather on CAP admissions. We match medical data from a German multicentre cohort of 10,660 CAP patients with daily regional weather data, using logistic regressions to calculate the “Pneumonia Risk Increase Factor” (PRIF). This factor quantifies the heightened risk of CAP admissions due to weather conditions. We demonstrate that individuals with specific personal characteristics and those with comorbidities are more susceptible to weather impacts in the context of CAP than their counterparts. People with COPD have a PRIF of 5.28, followed by people in care (5.23) and people with a high BMI (4.02). Air pollutants, particularly CO and PM2.5, play a significant role in increasing CAP hospitalizations. For meteorological conditions, air pressure and lower temperatures, combined with air pollutants, lead to high PRIFs. Our findings emphasize the increased weather vulnerability of old, high BMI, and males and people with comorbidities. This provides invaluable information to support at-risk individuals through protective measures and provides healthcare providers as well as health policymakers with insights for resource planning before and during pneumonia-contributing weather conditions.Gefördert durch den Open-Access-Publikationsfonds der UB Marburg
Mitochondriale ROS als Ziel in der Ferroptose: Die Rolle von Drp1 und VDAC1 in neuronalen Zellen
No full textFerroptosis is an iron-dependent necrotic cell death pathway that has emerged as a central
mechanism in neurodegenerative diseases. The inhibition of ferroptosis has a strong potential
as effective strategy to prevent cell death that is mediated by oxidative stress. One hallmark
of ferroptosis is the lipid peroxidation mediated rupture of the cell membrane, in which ROS
play a vital role. Mitochondria are known as the main producer of ROS during oxidative
phosphorylation, a byproduct during energy metabolism, emphasizing a link between
mitochondrial dysfunction and ferroptosis. While mitochondrial ROS and lipid peroxidation are
central to ferroptosis, the specific role of Dynamin-related Protein 1 (Drp1) and the Voltage-
dependent Anion Channel (VDAC1) in mitochondrial pathways of ferroptosis remained
unclear.
The aim of the present study was to investigate how Drp1 and VDAC1 contribute to ferroptosis
by regulating mitochondrial integrity, ROS production and iron metabolism and to explore
whether inhibition or modulation of these two proteins can protect neuronal cells from
ferroptotic damage. Drp1 is the key protein to regulate mitochondrial fission. The study
proposed that inhibition of excessive Drp1-mediated mitochondrial fragmentation would
prevent mitochondrial ROS amplification, preservation of cellular bioenergetics and therefore
abrogate ferroptosis. Dysregulation of calcium and iron homeostasis is implicated as trigger
for mitochondrial dysfunction and therefore aberrant redox balance. VDAC1 transports ions
and metabolites bidirectionally in and out of the mitochondria for physiological mitochondrial
function. Inhibition of VDAC1 was anticipated to prevent mitochondrial ROS amplification
through the decrease of mitochondrial respiration and bioenergetic shift towards glycolysis to
abolish ferroptosis progression.
Mitochondrial dynamics and metabolic regulation are interconnected because mitochondrial
shape and function directly influence cellular energy metabolism and vice versa. Mitochondrial
morphology determines ATP generation, ROS production, and metabolite exchange, which
are critical for maintaining cellular energy demands. With this, the impact of both, Drp1 and
VDAC1, was investigated to elaborate on multiple possibilities to target mitochondrial ROS
during ferroptosis.
The model system used for the ferroptosis studies was the mouse hippocampal cell line HT22.
Drp1 was knocked out using a CRISPR/Cas9-based genome editing approach, while VDAC1
was inhibited pharmacologically using Akos-22. The methodological approach comprised cell
viability assessments and fluorescence-based assays to assess ROS, iron, lipid peroxidation,
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Summary
calcium, as well as mitochondrial integrity and function. The Seahorse XF-analyzer was used
to study cellular bioenergetics.
The findings of the study demonstrate that genetical deletion of Drp1 increased the resilience
against ferroptosis by preventing excessive mitochondrial fragmentation and stabilizing
cellular bioenergetics. Mitochondrial integrity and function which are normally lost through
ferroptosis were preserved. Pharmacological inhibition of VDAC1 abolished ferroptotic cell
death by a metabolic shift towards glycolysis to reduce the mitochondrial contribution to
detrimental ROS signaling. Inhibition of VDAC1 decreased mitochondrial respiration and the
generation of mitochondrial ROS while decreasing cytosolic iron and calcium levels.
Alleviation of ferroptosis-mediated iron dysbalance by iron chelation and cellular iron uptake
inhibition also decreased oxidative phosphorylation, leading to the abrogation of detrimental
mitochondrial ROS signaling.
The present study provides valuable insights into mitochondrial pathways of ferroptosis. By
preserving mitochondrial integrity and alleviating mitochondrial ROS generation, mitochondria
are highlighted as important targets for novel strategies to combat ferroptosis-related
diseases, such as neurodegenerative diseases and conditions involving ischemic injuries. In
therapy-resistant cancers, mitochondria-targeted applications that lead to mitochondrial
dysfunction to increase the susceptibility towards ferroptosis might prove useful. The study
fills a critical gap in understanding how mitochondrial-specific processes contribute to
ferroptosis and how they can be modulated for therapeutic benefit.
These findings open new avenues for targeting mitochondrial dynamics and metabolite
exchange to combat ferroptosis-associated pathologies. Future work will focus on translating
these insights into therapeutic strategies for neurodegenerative diseases and cancer.Die Ferroptose ist eine eisenabhängige, nekrotische Form des Zelltods, die bei der
Progression neurodegenerativer Erkrankungen zunehmend als zentraler
pathophysiologischer Mechanismus erkannt wird. Das Hauptmerkmal der Ferroptose ist die
Lipidperoxidation, die zu einer Ruptur der Zellmembran und somit zum Zelltod führt. Reaktive
Sauerstoffspezies (ROS), und damit oxidativer Stress, spielen hierbei eine wesentliche Rolle.
Diese werden maßgeblich von den Mitochondrien als Nebenprodukt der oxidativen
Phosphorylierung produziert. So lässt sich eine Verbindung zwischen Ferroptose und
mitochondrialer Dysfunktion herstellen. Während die zentrale Rolle von mitochondrialen ROS
und der dadurch verursachten Lipidperoxidation in der Ferroptose gut erforscht sind, sind die
Rollen des Dynamin-verwandten Proteins 1 (Drp1) und des spannungsabhängigen
Anionenkanals (VDAC1) in der Ferroptose noch weitgehend unergründet.
Ziel der vorliegenden Arbeit war daher, zu untersuchen, wie Drp1 und VDAC1 zur Ferroptose
beitragen, indem sie die mitochondriale Integrität, die ROS-Produktion und den
Eisenstoffwechsel regulieren. Weiterhin sollte erforscht werden, inwieweit die Hemmung oder
Modulation dieser beiden Proteine neuronale Zellen vor dem ferroptotischem Zelltod schützen
kann. Drp1 ist das Schlüsselprotein für die Spaltung von Mitochondrien. Die Studie ging von
der Hypothese aus, dass die Inhibition der übermäßigen Drp1-vermittelten mitochondrialen
Spaltung die Verstärkung mitochondrialer ROS-Bildung verhindert, den zellulären
Energiemetabolismus bewahrt und folglich vor Ferroptose schützt. VDAC1 transportiert Ionen
sowie Metabolite in und aus den Mitochondrien und sorgt somit für eine intakte mitochondrielle
Funktion. Es wurde erwartet, dass eine Hemmung von VDAC1 zu einer Verringerung der
mitochondrialen ROS-Bildung durch eine Hemmung der mitochondrialen Atmung und einer
Verschiebung des zellulären Metabolismus zur Glykolyse führen würde. Dadurch sollten
ferroptotische Prozesse verlangsamt werden.
Die mitochondriale Dynamik und die Regulation des Metabolismus stehen in engem
Zusammenhang, da die Form und Funktion der Mitochondrien unmittelbar den zellulären
Energiemetabolismus beeinflusst. Die Morphologie der Mitochondrien hat Einfluss auf die
ATP-Generierung, die ROS-Produktion und den Austausch von Metaboliten, was essenziell
für die Aufrechterhaltung des zellulären Energiebedarfs ist. Infolgedessen wurden sowohl
Drp1 als auch VDAC1 ausgiebig untersucht, um die davon ausgehende Beeinflussung der
mitochondrialen ROS in der Ferroptose von mehreren Seiten zu beleuchten.
Als Modellsystem der neuronalen Ferroptose wurde die hippocampale Mauszelllinie HT22
benutzt. Drp1 wurde mit Hilfe eines CRISPR/Cas9-basierten Ansatzes ausgeschaltet,
während VDAC1 pharmakologisch durch Akos-22 gehemmt wurde. Die Methodik in dieser
Studie umfasste Analysen der Zellviabilität sowie fluoreszenzbasierte Assays zur Bewertung
von ROS, Eisen, Lipidperoxidation, Calcium sowie mitochondriale Integrität und Funktion. Die
zelluläre Bioenergetik wurde mittels Seahorse XF-Analyzer untersucht.
Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass die genetische Modulation von Drp1 die
Widerstandsfähigkeit für Ferroptose erhöht, indem eine übermäßige mitochondriale
Fragmentierung verhindert und die zelluläre Bioenergetik stabilisiert wird. Der Verlust
mitochondrialer Integrität und Funktion, der durch Ferroptose vermittelt wird, konnte verhindert
werden. Die pharmakologische Hemmung von VDAC1 konnte den ferroptotischen Zelltod
durch eine Verlagerung des Stoffwechsels von der mitochondriellen Respiration auf die
Glykolyse abwehren. Die damit einhergehende Minderung der oxidativen Phosphorylierung
setzte den mitochondrialen Beitrag zur übermäßigen ROS-Produktion herab. Des Weiteren
konnte die Hemmung von VDAC1 auch die intrazellulären Eisen- und Calciumspiegel
verringern. Durch die Komplexierung des Eisens und die Hemmung der zellulären
Eisenaufnahme wurde die Ferroptose-vermittelte Eisen-Dysbalance aufgehoben und somit
die oxidative Phosphorylierung vermindert, was ebenfalls geringerer mitochondrieller ROS-
Produktion führt.
Die vorliegende Studie liefert wertvolle Einblicke in den mitochondrialen Mechanismus der
Ferroptose. Durch die Erhaltung der mitochondrialen Integrität und die Verringerung der
mitochondrialen ROS-Produktion werden Mitochondrien als wichtige Ziele für neuartige
Strategien zur Bekämpfung von mit Ferroptose assoziierten Krankheiten - beispielsweise
neurodegenerative Erkrankungen oder ischämische Zustände - identifiziert. Bei
therapieresistenten Krebserkrankungen könnten sich Behandlungen als nützlich erweisen, die
gezielt zu einer mitochondrialen Dysfunktion führen und die Anfälligkeit für Ferroptose
erhöhen. Die Studie schließt eine kritische Lücke im Verständnis, wie Mitochondrien-
spezifische Prozesse zur Ferroptose beitragen und wie sie für therapeutische Zwecke
moduliert werden können.
Die Ergebnisse dieser Studie eröffnen neue Wege zur Bekämpfung Ferroptose-assoziierter
Pathologien durch gezielte Beeinflussung der mitochondrialen Dynamik und des Austauschs
von Metaboliten. Zukünftige Arbeiten werden sich darauf konzentrieren, diese Erkenntnisse
in therapeutische Strategien für neurodegenerative Erkrankungen und Krebs zu übertragen
Studies on the pathogenesis of spinocerebellar ataxias (SCA) with a focus on ion channel defects (SCA13 and SCA19/22) and other causative mechanisms.
No full textSpinocerebelläre Ataxien (SCAs) sind eine genetisch heterogene Gruppe neurodegenerativer Erkrankungen, die autosomal-dominant vererbt werden. Die typischen Symptome sind eine Ataxie, Augenbewegungsstörungen und Dysarthrie, wobei weitere motorische wie auch kognitive Einschränkungen hinzukommen können. Bei SCAs besteht oft nur eine schwache Genotyp-Phänotyp-Korrelation. Sie können verursacht werden durch Repeatexpansionen, aber auch durch Punktmutationen in den betroffenen Genen. Dabei sind oft kodierende Basen betroffen, jedoch kommt es auch zu Veränderungen von Basen in nicht-codierenden und regulatorischen Elementen. Die Gene und Genprodukte, die betroffen sind, können sehr unterschiedlich sein.
In der vorliegenden Arbeit wurden fünf bisher unbeschriebene Varianten in SCA-assoziierten Genen funktionell untersucht. Diese wurden zuvor in verschiedenen Kol-lektiven von Ataxie- oder Demenzpatienten identifiziert. Darunter fällt eine Spleißakzeptor-Variante im STUB1-Gen, das für die E3-Ubiquitin-Ligase CHIP codiert und mit SCA48 assoziiert ist. Es konnte gezeigt werden, dass es durch die Variante c.524+1G>A zu einer Retention des Introns kommt und zu einem kleinen Anteil auch kryptische Spleißakzeptoren aktiviert werden. Dies führt zu einer Insertion von Aminosäuren bzw. einem Frameshift und einem verfrühten Stopp-Codon. Zusätzlich zu der STUB1-Variante wurde in dem Indexpatienten zwei intermediär verlängerte Repeats im TBP-Gen identifiziert. Repeat-Expansionen in TBP sind mit SCA17 assoziiert. Die digene Vererbung beider Varianten führt vermutlich zu dem ausgeprägten Phänotyp des Indexpatienten sowie dessen Mutter, die beide auch von einem demenziellen Syndrom betroffen sind bzw. waren.
Weitere Varianten wurden in den Genen der spannungsabhängigen Kaliumkanäle Kv3.3 (KCNC3) und Kv4.3 (KCND3) identifiziert. Diese sind zentral für die Reizverarbeitung im Cerebellum. Hier führen pathogene Varianten zu einer Störung der Kanalfunktion und damit zu SCA13 (KCNC3) und SCA19/22 (KCND3).
In dieser Arbeit wurde zunächst die Variante c.-6C>A untersucht, welche in der Kozak-Sequenz von KCNC3 liegt und damit regulatorische Funktionen beeinträchtigen kann. Durch Expressionsanalysen der Promotorregion wurde eine verstärkte Translation durch die Variante festgestellt. Dieser Mechanismus ist ungewöhnlich für SCA13, da hier sonst nicht-funktionelle Kanäle oder eine veränderte Leitfähigkeit die Ursache sind. Der ausgeprägte Phänotyp des Patienten lässt weitere genetische Faktoren vermuten. Weitere Varianten in KCNC3, die untersucht wurden, führen in Kv3.3 zu den Aminosäureaustaschen p.S591G und p.R625S. Hier konnte durch Untersuchung der Leitfähigkeit der Kanalvarianten mittels patch-clamp Verfahren keine Veränderung durch die Varianten festgestellt werden. Womöglich liegt hier noch eine weitere, unerkannte genetische Ursache der Erkrankung der Patienten zugrunde.
Des Weiteren wurde im Kv4.3-Kanal (KCND3), welcher mit SCA19/22 assoziiert ist, die N-terminale Variante p.D152G identifiziert. Untersuchungen der Kanaleigenschaften haben gezeigt, dass es sich hierbei um eine dominant-negative Variante handelt, die die Funktion von Kv4.3 einschränkt. Aufnahmen mittels Konfokal-Mikroskopie zeigen außerdem eine Beeinträchtigung der Membranlokalisation des Kanals.
Die Fälle, die in dieser Arbeit behandelt wurden, zeigen deutlich, dass eine funktionelle Analyse von unbeschriebenen genetischen Varianten sehr wichtig sein kann für die Diagnose von Ataxie-Patienten. Des Weiteren wurde in mehreren Fällen mehr als eine infrage kommende Variante identifiziert, weshalb digene Effekte auftreten können. Diese Möglichkeit sollte vor allem bei Ataxie-Patienten mit ausgeprägten kognitiven Symptomen wie einer Demenz in den Fokus rücken.Spinocerebellar ataxias (SCAs) are a genetically heterogeneous group of neurodegenerative diseases with autosomal-dominant inheritance. Typical symptoms are ataxia, oculormotor dysfunction and dysarthria, but other movement disorders and cognitive impairment can also occur. In SCAs, there is only a weak genotype-phenotype-correlation. In the more common subtypes, repeat expansions in the associated genes are responsible for the disease. In rarer cases, deletions, insertions or substitutions of one or a few bases in coding or non-coding regions are causative. The affected genes and gene products have various func-tions, but some of them encode ion channels, that are necessary and important for neuronal function in the cerebellum.
In this work, five previously undescribed variants in SCA-associated genes were investigated. They were identified in cohorts of ataxia and dementia. Firstly, a splice acceptor variant in the STUB1-gene, coding for the E3-ubiquitin-ligase CHIP and associated with SCA48, was identified. It was shown that the c.524+1G>A variant can either lead to an intron retention or, more rarely, activate cryptic splice acceptors. This results in added amino acids or a frameshift with a truncating stop codon. In addition to the STUB1-variant, the index patient carries two intermediate TBP alleles. Repeat expansions in TBP are associated with SCA17. Therefore, the expanded alleles might exacerbate the phenotype of the patient and his also affected mother to a dementia-like syndrome.
Further variants were identified in the voltage-gated potassium channels Kv3.3 (KCNC3) and Kv4.3 (KCND3). These channels are essential for neuronal function in the cerebellum. Pathogenic variants that cause impaired channel function result in SCA13 (KCNC3) and SCA19/22 (KCND3).
In Kv3.3, the variant c.-6C>A in the Kozak sequence of KCNC3 was investigated. Due to its location, the variant could interfere with the regulatory functions of the Kozak sequence. Strikingly, promoter expression analysis showed that the base change increased translation efficiency and thus protein expression. Since SCA13 is generally caused by non-functional channels or an impaired channel conductance, this might be a new pathomechanism for this subtype. However, the severity of the patient’s phenotype suggests other, as yet uni-dentified genetic factors. In addition, the effects of the amino acid substitutions p.S591G and p.R625S in Kv3.3 on ion channel function were investigated by patch-clamping. No effect on channel conductance was seen for the variants. In these cases, other, unidentified genetic factors might be causative for the patients’ diseases.
In the Kv4.3 channel (SCA19/22), the N-terminal variant p.D152G was identified. p.D152G impairs channel function by decreasing the ionic current in a dominant-negative manner. Confocal microscopy showed impaired membrane localization of the channel, which may contribute to this effect.
This work demonstrates the importance of functional analysis of so far undescribed genetic variants. It was shown that functional studies are useful for the diagnosis of ataxia patients. Furthermore, in several cases, more than one variant was responsible for the pa-tient’s phenotype. This shows that digenic effects should be considered in cases of ataxia, especially when dementia-like symptoms are involved
Unveiling the Role of TMPRSS2 in the Proteolytic Activation of Pandemic and Zoonotic Influenza Viruses and Coronaviruses in Human Airway Cells
No full textThe zoonotic transmission of influenza A viruses (IAVs) and coronaviruses (CoVs) may
result in severe disease. Cleavage of the surface glycoproteins hemagglutinin (HA) and spike protein
(S), respectively, is essential for viral infectivity. The transmembrane serine protease 2 (TMPRSS2)
is crucial for cleaving IAV HAs containing monobasic cleavage sites and severe acute respiratory
syndrome (SARS)-CoV-2 S in human airway cells. Here, we analysed and compared the TMPRSS2-
dependency of SARS-CoV, Middle East respiratory syndrome (MERS)-CoV, the 1918 pandemic H1N1
IAV and IAV H12, H13 and H17 subtypes in human airway cells. We used the peptide-conjugated
morpholino oligomer (PPMO) T-ex5 to knockdown the expression of active TMPRSS2 and determine
the impact on virus activation and replication in Calu-3 cells. The activation of H1N1/1918 and
H13 relied on TMPRSS2, whereas recombinant IAVs carrying H12 or H17 were not affected by
TMPRSS2 knockdown. MERS-CoV replication was strongly suppressed in T-ex5 treated cells, while
SARS-CoV was less dependent on TMPRSS2. Our data underline the importance of TMPRSS2 for
certain (potentially) pandemic respiratory viruses, including H1N1/1918 and MERS-CoV, in human
airways, further suggesting a promising drug target. However, our findings also highlight that IAVs
and CoVs differ in TMPRSS2 dependency and that other proteases are involved in virus activation.Gefördert durch den Open-Access-Publikationsfonds der UB Marburg
Phylogenie und Stoffwechsel von Endomicrobiaceae und ElusimicrobiaceaeErkundung von reduktiver Genomevolution in zwei Wirt-assoziierten Linien von Elusimicrobiota
No full textThe tree of life has many deep-branching lineages which remain unexplored. One of them,
the phylum Elusimicrobiota, belongs to the PVC superphylum and comprises at least four
class-level lineages but only two cultured representatives. Like their uncultured relatives
in the families Elusimicrobiaceae and Endomicrobiaceae, they colonize the intestinal
tracts of various invertebrate and vertebrate hosts. In my doctoral thesis, I analyzed the
diversity, evolutionary history, and metabolic potential of host-associated
Elusimicrobiota in termites and their closest relatives, cockroaches, through a
combination of cultivation and comparative genomics.
New isolates from cockroach guts revealed that these new species, like their closest
relative Elusimicrobium minutum, are small, Gram-negative pleomorphic
ultramicrobacteria with a distinct growth cycle. Using physiological characterization, I
could document that the three species are obligate anaerobic fermenters, restricted to a
few hexoses, which are fermented to mainly acetate, ethanol, lactate, and hydrogen. Using
more than 100 metagenome-assembled genomes (MAGs) of uncultured
Elusimicrobiaceae, I uncovered underlying metabolic pathways and outlined a new
phylogenomic framework for the family. Based on phylogenomic, physiological, and
morphological evidence, I could describe these isolates as three more species of the
phylum (Parelusimicrobium proximum gen. nov., sp. nov., Elusimicrobium posterum sp.
nov., and Elusimicrobium simillimum sp. nov.) and proposed a comprehensive taxonomy
for all lineages in the family under the rules of SeqCode.
The second host-associated family, Endomicrobiaceae, is an excellent model for
studying the evolution of intracellular endosymbionts, as the family comprises both freeliving representatives and endosymbionts of termite gut flagellates. Metagenomic
analysis of the gut microbiota of a wide range of termites allowed us to reconstruct more
than 1700 MAGs. Using phylogenomic analysis, I corroborated the sister position of
termite Endomicrobiaceae to representatives from ruminants, leading to the proposal of
eight new genera. I documented a progressive genome erosion in the new genus
Endomicrobiellum, which contains all characterized flagellate endosymbionts to date.
The loss of nearly all biosynthetic capacities in some Endomicrobiellum lineages
indicates a decline in their originally mutualistic relationship with their flagellate host,
shedding new light on the symbiotic range of endosymbiont-flagellate relationships.
Massive gene losses in their catabolic and anabolic functions were compensated with the
acquisition of new functions through horizontal gene transfer from other gut bacteria.
Putative donors of the new functions, including new uptake systems for sugar phosphates
and ATP, are primarily other flagellate endosymbionts, including previously unknown
lineages. My results document the overall importance of horizontal gene transfer in the
convergent evolution of intracellular symbioses.
Overall, the results of my research provide new insights into the two families
Elusimicrobiaceae and Endomicrobiaceae. My finding revealed parallels in their
adaptations to nutrient-rich environments, such as the hindguts of cockroaches and
termites or the cytoplasm of termite flagellates. My results also provided evidence for the convergent evolution of unrelated endosymbionts and highlighted the genomic
adaptations that enable them to thrive in the intracellular environment of termite gut flagellates.Der Stammbaum des Lebens hat viele tief verzweigte Linien, die noch unerforscht sind.
Eine von ihnen, das Phylum Elusimicrobiota, gehört zum PVC-Superphylum und umfasst
mindestens vier Klassen, enthält bis heute aber nur zwei kultivierte Vertreter. Wie ihre
nicht kultivierten Verwandten in den Familien Elusimicrobiaceae und
Endomicrobiaceae, besiedeln sie den Darmtrakt verschiedener Wirbelloser und
Wirbeltiere. In meiner Doktorarbeit habe ich, durch eine Kombination aus Kultivierung
und vergleichender Genomik, die Diversität, die Evolutionsgeschichte und das
metabolische Potenzial der wirtsassoziierten Elusimicrobiota in Termiten und ihren
nächsten Verwandten, den Schaben, analysiert.
Neue Isolate aus Schabendärmen zeigten, dass es sich bei diesen neuen Arten ähnlich
ihrem nächsten Verwandten Elusimicrobium minutum um kleine, gramnegative
pleomorphe Ultramikrobakterien mit einem ausgeprägten Wachstumszyklus handelt.
Anhand der physiologischen Charakterisierung konnte ich nachweisen, dass es sich bei
den drei Arten um obligate anaerobe Bakterien handelt, die auf wenige Hexosen
beschränkt sind, welche hauptsächlich zu Acetat, Ethanol, Laktat und Wasserstoff vergärt
werden. Anhand von mehr als 100 Metagenom-assemblierten Genomen (MAGs) von
nicht kultivierten Elusimicrobiaceae konnte ich die zugrundeliegenden
Stoffwechselwege aufdecken und einen neuen phylogenomischen Rahmen für die
Familie festlegen. Auf der Grundlage phylogenomischer, physiologischer und
morphologischer Nachweise konnte ich diese Isolate als drei weitere Arten des Phylums
beschreiben (Parelusimicrobium proximum gen. nov., sp. nov., Elusimicrobium posterum
sp. nov. und Elusimicrobium simillimum sp. nov.) und eine umfassende Taxonomie für
alle Linien der Familie nach den Regeln von SeqCode vorschlagen.
Die zweite wirtsassoziierte Familie, Endomicrobiaceae, dient als ein erstklassiges
Modell für die Untersuchung der Evolution intrazellulärer Endosymbionten, da die
Familie sowohl freilebende Vertreter, als auch Endosymbionten von
Termitendarmflagellaten umfasst. Die metagenomische Analyse der Darmmikrobiota
einer Vielzahl von Termiten ermöglichte es uns, mehr als 1700 MAGs zu rekonstruieren.
Mithilfe phylogenomischer Analysen konnte ich die Verwandtschaft der TermitenEndomicrobiaceae mit Vertretern der Wiederkäuer bestätigen und acht neue Gattungen
vorschlagen. Ich dokumentierte eine fortschreitende Genomerosion in der neuen Gattung
Endomicrobiellum, die alle bisher charakterisierten Flagellaten-Endosymbionten enthält.
Der Verlust fast aller Biosynthesekapazitäten in einigen Endomicrobiellum-Linien deutet
auf einen Verfall ihrer ursprünglich mutualistischen Beziehung zu ihrem Flagellaten-Wirt
hin und wirft ein neues Licht auf die symbiotische Bandbreite der Beziehungen zwischen
Endosymbionten und Flagellaten. Starke Genverluste in ihren katabolischen und
anabolischen Funktionen wurden durch den Erwerb neuer Funktionen durch horizontalen
Gentransfer von anderen Darmbakterien kompensiert. Die mutmaßlichen Spender der
neuen Funktionen, einschließlich neuer Aufnahmesysteme für Zuckerphosphate und
ATP, sind in erster Linie andere Flagellaten-Endosymbionten, einschließlich bisher
unbekannter Linien. Meine Ergebnisse belegen die allgemeine Bedeutung des
horizontalen Gentransfers bei der konvergenten Evolution von intrazellulären
Symbiosen.XII
Insgesamt liefern die Ergebnisse meiner Forschung neue Erkenntnisse über die beiden
Familien Elusimicrobiaceae und Endomicrobiaceae. Ich fand Parallelen in ihren
Anpassungen an nährstoffreiche Umgebungen, wie z. B. die Hinterdärme von Schaben
und Termiten oder das Zytoplasma von Termitenflagellaten. Meine Ergebnisse lieferten
auch Beweise für die konvergente Evolution von nicht verwandten Endosymbionten und
zeigten die genomischen Anpassungen auf, die es ihnen ermöglichen, in der
intrazellulären Umgebung von Termitendarmflagellaten zu gedeihen
Funktionelle und molekulare Einblicke in die Interaktion von Pflanzen mit Symbionten und Pathogenen
No full textThis study addresses several critical factors involved in the establishment of plant-microorganism interactions, with a particular focus on pathogen-host dynamics using Ustilago maydis and Zea mays as model organisms. By examining factors that come into play even before the direct interaction between the pathogen and host, the research done for this work demonstrated how the specific genetic makeup and identities of different plant cultivars and fungal strains significantly influence the infection process. The use of deletion strains allowed for a detailed exploration of the functions and roles of selected U. maydis protein effectors during infection, confirming the essential role of UMAG_10156 in full virulence and excluding an infection phenotype for others, such as UMAG_12021.
Furthermore, UMAG_12021 was ruled out as an isochorismatase but was structurally characterized, and key aspects of its structure were compared with those of representative members of the isochorismatase-like family. This structural analysis provides valuable insights for future research aimed at determining the precise function of UMAG_12021, alongside the solved structures of three proteins from this protein family, which will aid in advancing functional studies.
Additionally, this study underscores the importance of kiwellins (Kwls) and kiwellin-like proteins (KLPs) in symbiotic interactions, revealing the recognition of Sinorhizobium meliloti by Medicago truncatula KLPs, as well as the binding of Kwls and KLPs to Agrobacterium spp. pathogens. These findings open new avenues for exploring the roles of kiwellins in mediating plant-microorganism interactions within diverse environmental contexts. Furthermore, the investigation into kiwellins introduced a simple and efficient screening method for identifying their protein interactors, offering a scalable approach that can be applied to broader protein interaction studies across different protein families.Diese Studie befasst sich mit mehreren kritischen Faktoren, die an der Etablierung von Interaktionen zwischen Pflanzen und Mikroorganismen beteiligt sind, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf der Dynamik von Krankheitserregern und Wirt liegt, wobei Ustilago maydis und Zea mays als Modellorganismen verwendet werden. Durch die Untersuchung von Faktoren, die bereits vor der direkten Interaktion zwischen Krankheitserreger und Wirt ins Spiel kommen, zeigte die Forschung, wie die spezifische genetische Zusammensetzung und Identität verschiedener Pflanzensorten und Pilzstämme den Infektionsprozess erheblich beeinflussen. Die Verwendung von Deletionsstämmen ermöglichte eine detaillierte Untersuchung der Funktionen und Rollen ausgewählter U. maydis-Proteineffektoren während der Infektion, wodurch die wesentliche Rolle von UMAG_10156 bei voller Virulenz bestätigt und ein Infektionsphänotyp für andere, wie UMAG_12021, ausgeschlossen wurde.
Darüber hinaus wurde UMAG_12021 als Isochorismatase ausgeschlossen, aber strukturell charakterisiert und wichtige Aspekte seiner Struktur mit denen repräsentativer Mitglieder der Isochorismatase-ähnlichen Familie verglichen. Diese Strukturanalyse liefert wertvolle Erkenntnisse für zukünftige Forschungen zur Bestimmung der genauen Funktion von UMAG_12021 sowie die gelösten Strukturen von drei Proteinen aus dieser Proteinfamilie, die zur Weiterentwicklung funktioneller Studien beitragen werden.
Darüber hinaus unterstreicht diese Studie die Bedeutung von Kiwellin (Kwls) und Kiwellin-ähnlichen Proteinen (KLPs) bei symbiotischen Interaktionen und enthüllt die Erkennung von Sinorhizobium meliloti durch Medicago truncatula-KLPs sowie die Bindung von Kwls und KLPs an Agrobacterium spp.-Pathogene. Diese Erkenntnisse eröffnen neue Möglichkeiten zur Erforschung der Rolle von Kiwellinen bei der Vermittlung von Pflanzen-Mikroorganismus-Interaktionen in unterschiedlichen Umweltkontexten. Darüber hinaus führte die Untersuchung von Kiwellinen eine einfache und effiziente Screening-Methode zur Identifizierung ihrer Proteininteraktionspartner ein und bietet einen skalierbaren Ansatz, der auf umfassendere Proteininteraktionsstudien über verschiedene Proteinfamilien hinweg angewendet werden kann
On the preparation and reactivity of bis(trimethylsilyl)pnictogenides and dihydrogenpnictogenides
No full textZiel der vorliegenden Dissertation war die Darstellung von Bis(trimethysilyl)pnictogeniden
sowie Dihydrogenpnictogeniden und darauf aufbauende Untersuchungen zur Reaktivität dieser
im Rahmen verschiedener Themengebiete.
Die Ergebnisse der Arbeit werden zur besseren Übersicht im Folgenden in vier Kapitel
unterteilt. Zunächst wird über die Synthese der Dihydrogenpnictogenide berichtet und die
Reaktivität dieser näher beleuchtet. Darauf aufbauend werden die durchgeführten
Festkörperuntersuchungen an Phosphan, Arsan und Stiban zusammengefasst präsentiert.
Nachfolgend werden die Ergebnisse von Salzeliminierungsreaktionen mit
[(Dipp2NacNac)MCl]-Systemen beschrieben und abschließend auf die Darstellung von LEWIS-
Säure-Base-Addukten ausgehend von Verbindungen des Typs [KPn(SiMe3)2] bzw.
[K(18c6)PnH2] sowie verwandten Verbindungen und Trialkyltrielen näher eingegangen.
Insgesamt umfasst die vorliegende Arbeit 75 neuartige Verbindungen, die u.a. mittels
Röntgenstrukturanalyse, NMR-Spektroskopie, Elementaranalyse und Infrarotspektroskopie
näher charakterisiert wurden. Bei dieser Aufzählung sind Verbindungen, welche im Rahmen
von Kooperationsprojekten mit anderen Arbeitsgruppen dargestellt wurden, nicht inkludiert.The main purpose of this dissertation was to synthesise bis(trimethylsilyl)pnictogenides and
dihydrogenpnictogenides and, based on this, to study their reactivity in a variety of areas.
The results of the work are divided into four chapters for a better overview. First, the synthesis
of the dihydrogenpnictogenides is reported and their reactivity is investigated in more detail.
Then, the solid state studies of phosphane, arsane and stibane are summarized. Subsequently,
the results of salt elimination reactions with [(Dipp2NacNac)MCl] systems are reported and
finally, the preparation of LEWIS acid-base adducts starting from compounds of the type
[KPn(SiMe3)2] or [K(18c6)PnH2], as well as related compounds and trialkyl triels is explained
in more detail.
The present work comprises a total of 75 novel compounds, which were characterized in more
detail using X-ray structural analysis, NMR spectroscopy, elemental analysis and infrared
spectroscopy. This list does not include compounds that were synthesized as part of
collaborative projects with other working groups
Influence of plasmon excitations on atomic‑resolution quantitative 4D scanning transmission electron microscopy
No full textScanning transmission electron microscopy (STEM) allows to gain quantitative information on the
atomic‑scale structure and composition of materials, satisfying one of todays major needs in the
development of novel nanoscale devices. The aim of this study is to quantify the impact of inelastic,
i.e. plasmon excitations (PE), on the angular dependence of STEM intensities and answer the
question whether these excitations are responsible for a drastic mismatch between experiments
and contemporary image simulations observed at scattering angles below∼40 mrad. For the two
materials silicon and platinum, the angular dependencies of elastic and inelastic scattering are
investigated. We utilize energy filtering in two complementary microscopes, which are representative
for the systems used for quantitative STEM, to form position‑averaged diffraction patterns as well
as atomically resolved 4D STEM data sets for different energy ranges. The resulting five‑dimensional
data are used to elucidate the distinct features in real and momentum space for different energy
losses. We find different angular distributions for the elastic and inelastic scattering, resulting in an
increased low‑angle intensity (∼10–40 mrad). The ratio of inelastic/elastic scattering increases with
rising sample thickness, while the general shape of the angular dependency is maintained. Moreover,
the ratio increases with the distance to an atomic column in the low‑angle regime. Since PE are usually
neglected in image simulations, consequently the experimental intensity is underestimated at these
angles, which especially affects bright field or low‑angle annular dark field imaging. The high‑angle
regime, however, is unaffected. In addition, we find negligible impact of inelastic scattering on first‑
moment imaging in momentum‑resolved STEM, which is important for STEM techniques to measure
internal electric fields in functional nanostructures. To resolve the discrepancies between experiment
and simulation, we present an adopted simulation scheme including PE. This study highlights
the necessity to take into account PE to achieve quantitative agreement between simulation and
experiment. Besides solving the fundamental question of missing physics in established simulations,
this finally allows for the quantitative evaluation of low‑angle scattering, which contains valuable
information about the material investigated
Collection Digitization at Philipps-University Marburg 3 - Metadata for Collections
No full textDie Philipps-Universität Marburg entwickelt derzeit ein Konzept zur digitalen Präsentation ihrer wissenschaftlichen Sammlungen. Hierbei verfolgt ein im Rahmen der Landesinitiative HeFDI vom Hessischen Ministerium für Wissenschaft und Forschung, Kunst und Kultur (HMWK) gefördertes Projekt den Auftrag, Daten-bankmanagementsysteme zur Integration wissenschaftlicher Sammlungen anzu-passen. Neben der Konzeptionierung und Implementierung einer langfristig trag-fähigen Datenbank hat das Projekt die Pilotierung der Sammlungsdigitalisierung an der Philipps-Universität zur Aufgabe. Der Projektfortschritt wird über die Projektseite (https://uni-marburg.de/DFpFGf) dokumentiert.
Die nachfolgenden Ausführungen sind Bestandteil von Projektpublikationen, die sukzessive über die Fortschritte und Ergebnisse informieren und über den Publikationsserver der Universitätsbibliothek Marburg bereitgestellt werden.
Die vorliegende Publikation behandelt das Thema Metadaten für Sammlungs-repositorien. Sie besteht einerseits aus einer Markanalyse über zu verwendende Austauschformate, Datenmodelle, die Verwendung kontrollierter Vokabulare und Normdaten. Andererseits wird den Sammlungen der Philipps-Universität Marburg die Verwendung eines gemeinsamen Metadatenschemas vorgeschlagen, welches bei der Umsetzung eines sammlungsübergreifenden Objektportals verwendet werden sollte.The Philipps University of Marburg is currently developing a concept for the digital presentation of its scientific collections. A project funded by the Hessian Ministry of Science and Research, Art and Culture (HMWK) as part of the HeFDI state initiative aims to adapt database management systems to integrate scientific collections. In addition to the conception and implementation of a long-term sustainable database, the project's task is to pilot the digitization of collections at the Philipps University. The project's progress is documented on the project website (https://uni-marburg.de/DFpFGf).
The following statements are part of project publications that gradually provide information on the progress and results and are made available via the publication server of the Marburg University Library.
This publication deals with the topic of metadata for collection repositories. On the one hand, it consists of a market analysis of exchange formats to be used, data models, the use of controlled vocabularies and standard data. On the other hand, the collections of the Philipps University of Marburg are proposed to use a common metadata schema, which should be used in the implementation of a cross-collection object portal