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Max Kirmsse, ein Historiker des Sonderschulwesens. Leben und Werk
No full textAm 1. Juni 1962 wäre Max Bruno Kirmsse 85 Jahre alt geworden. Er hat durch unermüdliche Arbeit
viel zur Erforschung der Geschichte des Sonderschulwesens beigetragen. Seine Bibliothek und
seine Sammlungen aus dem Gebiet des Sonderschulwesens sind ebenfalls sehr bekannt geworden.
Ich möchte hier versuchen, Leben und Werk als Ganzes darzustellen
Electrocortical signatures of prediction error processing during threat avoidance and monetary reward learning
No full textApproaching reward and avoiding punishment or threat are fundamental ways in which
organisms adapt to changing environments. Achieving these motivational goals demands
cognitive and affective control, broadly defined as the ability of neurocognitive systems to
flexibly organize cognition and behaviour in non-affective and affective situations. In affective
and non-affective reinforcement learning, expectations and their violations, i.e., prediction
errors (PEs) are central for successful reward and threat avoidance learning. PEs can either be
defined as unsigned, reflecting any surprising outcome, or signed, indicating better-thanexpected (positive, PE+) or worse-than-expected (negative, PE−) outcomes. In the
electroencephalogram (EEG), PE processing and other control mechanisms often have often
been linked to frontal midline theta (FMθ, 4–8 Hz). According to the adaptive control
hypothesis (TACH), FMθ plays a key role in indexing control processes during reward
maximization and the regulation of negative affective states. Thus, feedback signalling
monetary non-reward or threat, and high levels of reward and threat PEs are hypothesized to
increase FMθ. Moreover, TACH also makes assumptions about FMθ functioning in individuals
high vs. low in negative affective personality traits, especially trait neuroticism/anxiety.
Specifically, FMθ is expected to be amplified in highly neurotic/anxious individuals. Other
relevant EEG markers in feedback and PE processing include slow wave delta-band (1–4 Hz)
oscillations and the phase-locked Reward Positivity (RewP), both linked to PE+ processing,
and the salience-sensitive P300. However, most EEG research on reinforcement learning
focused involved monetary reward rather than primary threat reinforcer. Thus, the processes
involved in threat avoidance learning and its links to individual differences in trait
neuroticism/anxiety are poorly understood. The present thesis addresses this gap by examining
electrocortical responses to expected and unexpected feedback in reward gain vs. threat
avoidance learning, and their associations with individual differences in trait
neuroticism/anxiety.
In both studies of the present thesis, we measured EEG activity in two reinforcement
learning tasks with different reinforcers following positive vs. negative feedback. In the reward
learning task, feedback signalled monetary reward vs. monetary non-reward, whereas in the
threat avoidance learning task, feedback signalled the successful avoidance of a loud noise burst
vs. its presentation. To my knowledge, these are the first studies in which the intensity of the monetary reward and primary threat reinforcer were titrated to ensure meaningful taskcomparisons. PEs were comprehensively measured via computational modelling (estimated
PEs, ePEs) as well as self-reported trial-by-trial expectations (self-reported PEs, sPEs).
In Study I, we replicated the often-reported feedback valence effect in the reward task,
with amplified FMθ responses to monetary non-reward vs. monetary reward. There was also a
feedback valence effect in the threat avoidance learning task, indicating increased FMθ
responses to feedback signalling threat vs. successful avoidance/safety, although this effect was
substantially smaller than in the reward task. Moreover, we found no evidence for a link
between FMθ and reward and threat prediction errors (ePE & sPE), and explorative analyses
revealed no significant influence of PEs on the feedback valence effects.
In Study II, we strongly focused on reward and threat PE+ since comparisons of positive
feedback trials between reward and threat avoidance learning were less confounded by potential
defensive preparation responses before threat onset. We found that FMθ positively scaled with
the computationally derived ePE+ in both, the reward learning and threat avoidance learning
task. There were no significant correlations between trait neuroticism/anxiety and
cognitive/affective control except of a marginal and selective positive moderation of the link
between FMθ and reward ePE+. Moreover, reward ePE+ were stronger positively correlated to
the RewP and exclusively to delta-band activity, while threat ePE+ were stronger linked to the
P300. The importance of the P300 in reinforcement learning was further supported by its role
in predicting subsequent behavioural adaptation and by exploratory analyses of ePE−.
The present thesis provides first evidence on affective and cognitive control in a direct
comparison of reward and threat avoidance learning. Our studies suggest that while FMθ can
be considered an index for cognitive and affective control, it may not represent a simple on-off
signal but instead shows activity patterns that may depend on the learning context and specific
task demands. The mixed findings on the relationship between trait neuroticism/anxiety and
FMθ, including null results for the conceptually closer threat avoidance learning, were
discussed in relation to present challenges in personality neuroscience. The dissociable
sensitivity of the RewP in reward-related, and the P300 in threat-related reinforcement learning
may point to different representations of the neural reward and threat system. Overall, the
results of the present thesis particularly contribute to a better understanding of the
electrocortical mechanisms underlying threat avoidance learning and provide a helpful starting
point for future research on threat-related reinforcement learning.Die Annäherung an Belohnungen und die Vermeidung von Bestrafung beziehungsweise
Bedrohungen stellen fundamentale Anpassungsstrategien an sich verändernde Umwelten dar.
Die Zielerreichung dieser motivationalen Tendenzen beanspruchen kognitive und affektive
Kontrolle, welche übergreifend als die Fähigkeit neurokognitiver Systeme verstanden werden
kann, flexibel Kognitionen und Verhalten in affektiven und nicht-affektiven Situationen zu
organisieren. Im affektiven und nicht-affektiven Verstärkungslernen nehmen Erwartungen und
ihre Verletzungen, also Vorhersagefehler (prediction errors, PEs), eine zentrale Rolle für
erfolgreiches Belohnungslernen und Bestrafungsvermeidungslernen ein. PEs können einerseits
als ungerichtete (unsigned) definiert werden, die jede Form von überraschenden Ereignissen
beschreiben, oder als gerichtete (signed). Gerichtete PEs beschreiben Ereignisse, die besser
(positive PE, PE+) oder schlechter als erwartet (negative PE, PE−) sind. Die Verarbeitung von
PEs sowie anderer Kontrollmechanismen wurden häufig mit dem anterioren cingulären Cortex
(ACC) in Verbindung gebracht, von dem angenommen wird, dass dessen Aktivität durch
frontales „Mittellinien“ Theta (FMθ, 4–8 Hz) gemessen werden kann. Nach der adaptiven
Kontrollhypothese (the adaptive control hypothesis, TACH) hat FMθ eine Schlüsselrolle beim
Belohnungs- und Bestrafungsvermeidungslernen inne, indem es Kontrollprozesse während der
Belohnungsmaximierung aber auch regulatorische Vorgänge negativ affektiver Zustände
indiziert. Dementsprechend wird angenommen, dass Rückmeldungen (feedback), die monetäre
Nichtbelohnung oder Bedrohung, sowie starke Ausprägungen von Belohnungs- und
Bestrafungs PEs anzeigen, zu einer Erhöhung in der FMθ Aktivität führen. Darüber hinaus
macht TACH Annahmen darüber, wie stark sich die FMθ Aktivität bei Personen zeigen soll,
die besonders starke Merkmalsausprägungen in negativ affektiven
Persönlichkeitseigenschaften haben, vor allem der Eigenschaft Neurotizismus/Ängstlichkeit
(neuroticism/anxiety). Im Detail wird angenommen, dass FMθ in hoch verglichen mit niedrig
neurotisch/ängstlichen Personen stärker ausgeprägt ist. Weitere relevante EEG-Maße bei der
Verarbeitung von Rückmeldungen und PEs umfassen die langsame Delta-Band Oszillation (1–
4 Hz) und die phasengekoppelte Reward Positivity (RewP), die mit der Verarbeitung von PE+
in Verbindung gebracht wurde, sowie die für Salienz sensitive P300. Die meisten EEG-Studien
zum Verstärkungslernen konzentrierten sich auf die Verarbeitung monetärer Belohnungen und
nicht auf primäre Bedrohungsverstärker. Dementsprechend sind die zugrundeliegenden
neuronalen Prozesse des Bedrohungsvermeidungslernens und deren Verbindungen zu
individuellen Unterschieden in Neurotizismus/Ängstlichkeit bislang weitgehend unbekannt. Die vorliegende Dissertation nimmt sich dieser Forschungslücke an, indem elektrokortikale
Reaktionen auf erwartete und unerwartete Rückmeldungen im Belohnungs- vs.
Bestrafungsvermeidungslernen, sowie deren Zusammenhänge mit individuellen Unterschieden
in Neurotizismus/Ängstlichkeit untersucht wurden.
In beiden Studien der vorliegenden Dissertation wurde die EEG-Aktivität in zwei
Verstärkungslernaufgaben mit unterschiedlichen Verstärkern als Folge positiver bzw. negativer
Rückmeldungen gemessen. In der Belohnungslernaufgabe zeigten die Rückmeldungen
monetäre Belohnung vs. nicht-Belohnung an, während sie der Bedrohungsvermeidungsaufgabe
das erfolgreiche Vermeiden eines unangenehmen lauten Geräuschs vs. dessen Präsentation
signalisierten. Nach meinem Kenntnisstand sind dies die ersten Studien in diesem
Forschungsbereich, welche die Intensität monetärer Belohnung und primärer
Bedrohungsverstärker titriert haben, um sinnvolle Vergleiche der Lernumgebungen zu
ermöglichen. PEs wurden umfassend mittels komputationaler Modellierung (estimated PEs,
ePEs) sowie selbstberichteten Erwartungen (self-reported PEs, sPEs) erfasst.
In Studie I wurde der oft berichtete Valenzeffekt der Rückmeldungen (feedback
valence) in der Belohnungsaufgabe repliziert, das bedeutet, dass FMθ-Reaktionen auf monetäre
Nicht-Belohnung stärker ausfielen als auf monetäre Belohnung. Zudem zeigte sich ein
Valenzeffekt in der Bestrafungsvermeidungsaufgabe, mit erhöhter FMθ-Aktivität nach
Rückmeldungen, die Bedrohungen verglichen mit erfolgreicher Vermeidung/Sicherheit
signalisierten, wobei dieser Effekt substantiell schwächer ausgeprägt war als im
Belohnungskontext. Darüber hinaus konnten wir keine Evidenz für einen Zusammenhang
zwischen FMθ und belohnungsbezogene und bedrohungsbezogene PEs (ePE & sPE) finden
und zudem zeigte sich in explorativen Analysen, dass es nicht angenommen werden kann, dass
die Valenzeffekte von PEs beeinflusst wurden.
In Studie II fokussierten wir uns stärker auf belohnungs- und betrafungsbezogene PE+,
da Vergleiche von positiven Rückmeldungen zwischen Belohnungs- und
Bestrafungsvermeidungslernen weniger durch potentielle defensive Vorbereitungsreaktionen
auf Bedrohungen konfundiert sind. Wir beobachteten, dass FMθ positiv mit den komputational
hergeleiteten ePE+ in beiden Aufgaben skalierte. Es gab keine signifikanten Korrelationen
zwischen der Persönlichkeitseigenschaft Neurotizismus/Ängstlichkeit und Indikatoren
kognitiver/affektiver Kontrolle, mit der Ausnahme einer marginalen und selektiven Moderation des Zusammenhangs zwischen FMθ und belohnungsbezogenen ePE+. Weiterhin waren
belohnungsbezogene ePE+ stärker mit der RewP und exklusiv mit delta-Band Aktivität
korreliert, während bedrohungsbezogene ePE+ stärker mit der P300 in Zusammenhang standen.
Die Bedeutung der P300 im Verstärkungslernen wurde zusätzlich durch ihre Rolle in der
Vorhersage von nachfolgenden Verhaltensanpassungen und explorativen Analysen von ePE−
unterstützt.
Die vorliegende Dissertation liefert erste Ergebnisse zu affektiver und kognitiver
Kontrolle in einem direkten Vergleich von Belohnungs- und Bestrafungsvermeidungslernen.
Die Ergebnisse unterstützen, dass FMθ als ein Index für kognitive und affektive Kontrolle
angesehen werden kann, es aber kein einfaches Ein/Aus-Signal darstellt und dessen Aktivität
stark vom Lernkontext und spezifischen Aufgabenanforderungen abhängt. Die uneinheitliche
Befundlage zwischen Neurotizismus/Ängstlichkeit und FMθ und insbesondere die
unerwarteten Nullbefunde innerhalb des konzeptuell näherliegenden
Bedrohungsvermeidungslernens werden im Kontext aktueller Entwicklungen und
Herausforderungen der Persönlichkeitsneurowissenschaften diskutiert. Die unterscheidbare
Sensitivität der RewP im Belohungslernen und der P300 im Bestrafungsvermeidungslernen
könnte auf unterscheidbare Repräsentationen von EEG-Marker im neuronalen Belohnungsbeziehungsweise Bestrafungssystem hindeuten. Insgesamt trägt die vorliegende Dissertation zu
einem besseren Verständnis der elektrokortikalen Mechanismen im
Bedrohungsvermeidungslernen bei und bietet einen hilfreichen Ausgangspunkt für zukünftige
Forschung zu bedrohungsbezogenem Verstärkungslernen
Retrospective Analysis (2004–2020) of Clinical and Histological Data of Patients with Initial Diagnosis and/or Initial Treatment of Triple-Negative Breast Cancer at the Department of Gynecology, Gynecological Endocrinology and Oncology
No full textDie vorliegende Arbeit befasst sich mit der tumorbiologischen Charakteristik, Therapie sowie Prognose des triple-negativen Mammakarzinoms, ein Subtyp des Brustkrebses. Aufgrund seines klinisch aggressiven Verlaufs und der vergleichsweise schlechten Prognose besteht ein großes Forschungsinteresse an dieser Tumorentität. Das Ziel dieser monozentrischen Studie ist es, Veränderungen der histopathologischen Daten von betroffenen Patientinnen im zeitlichen Verlauf sowie Unterschiede der Tumorbiologie und des Outcomes innerhalb des Kollektivs zu analysieren. Dazu wurden die Daten aller Patientinnen, die in der Klinik für Gynäkologie, gynäkologische Endokrinologie und Onkologie am Universitätsklinikum Marburg von Januar 2004 bis Dezember 2020 die Erstdiagnose „invasives Mammakarzinom“ erhielten, eingesehen. Es wurden 247 (8,7%) Patientinnen mit triple-negativem Mammakarzinom identifiziert und im Anschluss auf die Variablen Diagnosealter, TNM-Stadium, UICC-Stadium, Differenzierungsgrad, Ki67-Score, Chemotherapieform und dem Gesamtüberleben analysiert.
Triple-negative Mammakarzinome zeichnen sich durch hohe TNM-/UICC-Stadien, einem niedrigen Differenzierungsgrad und erhöhten Werten des Proliferationsmarkers Ki67 aus, was insgesamt für eine aggressive Tumorbiologie dieses Tumortyps spricht. Daraus resultiert die oft ernste Prognose für Patientinnen mit triple-negativem Mammakarzinom. Über den Betrachtungszeitraum hat sich das Gesamtüberleben der Patientinnen nicht verändert und liegt insgesamt bei 70,3% nach 5 Jahren. Allerdings muss die Unvollständigkeit der Follow-up-Daten sowie die Länge des Betrachtungszeitraums kritisch bewertet werden. Mit der Zeit konnten vermehrt schlecht differenzierte und hoch proliferative Tumoren beobachtet werden, was auf eine zunehmende Aggressivität des TNBC hindeutet. Es ist allerdings zu beachten, dass die Bestimmung dieser pathologischen Daten subjektiven Verfahren unterliegt und daher über die Zeit Schwankungen auftreten können. Die beobachtete Zunahme der neoadjuvanten Therapie am Standort Marburg entspricht dem allgemein positiven Trend zur verstärkten Anwendung dieser Therapieform.
Junge Patientinnen mit ungünstiger Tumorbiologie erhalten am Standort Marburg in der Regel eine leitliniengerechte neoadjuvante Chemotherapie. Der Lymphknotenstatus und die Therapieform konnten in der multivariaten Analyse als prognostische Faktoren identifiziert werden. Neoadjuvant behandelte Patientinnen zeigen eine schlechtere Prognose im Vergleich zu adjuvant chemotherapierten Patientinnen, wobei das initiale Vorhandensein ungünstigerer Prognosefaktoren bei Erstgenannten berücksichtigt werden muss. Besonders ungünstig ist die Prognose für neoadjuvant therapierte Patientinnen ohne erreichter pathologischer Komplettremission, was die Ergebnisse anderer Studien bestätigen. Die Anwendung einer Chemotherapie im Allgemeinen spiegelt sich in einer verbesserten Prognose im Gesamtüberleben der Patientinnen wider. In Marburg erhalten insbesondere junge Patientinnen mit niedrigem Differenzierungsgrad und hohen Ki67-Werten eine Chemotherapie. Die bessere Prognose der chemotherapierten Patientinnen könnte jedoch auch auf den Altersunterschied zwischen den Gruppen zurückzuführen sein, da ältere Patientinnen eher keine Chemotherapie erhalten aber ein höheres Mortalitätsrisiko aufweisen. Dies bestätigt auch die verbesserte Prognose bei prämenopausalen Patientinnen trotz der aggressiveren Tumorbiologie im Vergleich zu postmenopausalen Patientinnen. Die bessere Prognose junger Patientinnen widerspricht der allgemeinen Studienlage, die eine schlechtere Prognose dieser Patientengruppe feststellt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass am Standort Marburg junge Patientinnen mit aggressiver Tumorbiologie im Vergleich zu publizierten Daten erfolgreicher behandelt werden.
Die vorliegende retrospektive Studie hat Unterschiede in der Tumorbiologie und Prognose von TNBC-Patientinnen mit verschiedenen Merkmalsausprägungen identifiziert. Die Ergebnisse bieten eine Grundlage für die Weiterentwicklung von Therapieansätzen und deren Anpassung in der klinischen Praxis. Sie können dazu beitragen, die Behandlung von TNBC-Patientinnen evidenzbasiert zu optimieren und langfristig zu verbesserten Therapieergebnissen führen.This study deals with the tumour biology, therapy and prognosis of triple-negative breast carcinoma, a subtype of breast cancer. Due to its clinically aggressive course and comparatively poor prognosis, there is great research interest in this tumour entity. The aim of this single-centre study is to analyse changes in the histopathological data of affected patients over time as well as differences in tumour biology and outcome within the collective. For this purpose, the data of all patients who received the initial diagnosis of ‘invasive breast cancer’ at the Department of Gynaecology, Gynaecological Endocrinology and Oncology at Marburg University Hospital from January 2004 to December 2020 were reviewed. 247 (8.7%) patients with triple-negative breast cancer were identified and subsequently analysed for the variables age at diagnosis, TNM stage, UICC stage, degree of differentiation, Ki67 score, type of chemotherapy and overall survival.
Triple-negative breast carcinomas are characterised by high TNM/UICC-stages, a low degree of differentiation and increased values of the proliferations marker Ki67, which overall indicates an aggressive tumour biology of this tumour type. This results in the often serious prognosis for patients with triple-negative breast cancer. Over the observation period, the overall survival of patients has not changed and is 70.3% after 5 years. However, the incompleteness of the follow-up data and the length of the observation period must be critically assessed. Over time, more poorly differentiated and highly proliferative tumours were observed, which indicates an increasing aggressiveness of TNBC. However, it should be noted that the determination of these pathological data is subject to subjective procedures and therefore fluctuations can occur over time. The observed increase in neo-adjuvant therapy at the Marburg site corresponds to the generally positive trend towards increased use of this form of therapy.
Young patients with unfavourable tumour biology generally receive neoadjuvant chemotherapy in line with the guidelines at the Marburg site. The lymph node status and the form of therapy were identified as prognostic factors in the multivariate analysis. Patients treated with neoadjuvant chemotherapy have a poorer prognosis compared to patients treated with adjuvant chemotherapy, although the initial presence of less favourable prognostic factors in the former must be taken into account. The prognosis is particularly unfavourable for neoadjuvant-treated patients who have not achieved complete pathological remission, which is confirmed by the results of other studies. The use of chemotherapy in general is reflected in an improved prognosis in the overall survival of patients. In Marburg, young patients with a low degree of differentiation and high Ki67 values in particular receive chemotherapy. However, the better prognosis of chemotherapy-treated patients could also be due to the age difference between the groups, as older patients tend not to receive chemotherapy but have a higher mortality risk. This also confirms the improved prognosis in premenopausal patients despite the more aggressive tumour biology compared to postmenopausal patients. The better prognosis of young patients contradicts the general study situation, which shows a poorer prognosis for this patient group. The results indicate that young patients with aggressive tumour biology are treated more successfully at the Marburg site compared to published data.
This retrospective study has identified differences in the tumour biology and prognosis of TNBC patients with different characteristics. The results provide a basis for the further development of therapeutic approaches and their adaptation in clinical practice. They can contribute to the evidence-based optimisation of the treatment of TNBC patients and lead to improved therapy results in the long term
Establishing the Chlamydomonas reinhardtii chloroplast as a platform for photosynthesis engineering
No full textThe detrimental effects of human activities on the environment have been clearly documented, leading
to a global effort to curb industrial pollution and decrease energy consumption. Human-generated
pollutants, especially carbon dioxide (CO2), play a significant role in atmospheric degradation. The
dramatic increase in industrial CO2 emissions over the centuries has resulted in a concerning accumulation
in the atmosphere, adversely affecting human health and ecosystem stability. Despite this, CO2
is vital for phototrophic organisms like plants, algae, and cyanobacteria, which utilize CO2 and use
the carbon to create organic molecules through photosynthesis. With its unique capacity to convert
light energy into inorganic carbon assimilation, it has been a central subject of scientific research, offering
substantial potential for fields such as agronomy and energy production, alongside fundamental
studies. Enhancing photosynthesis is a complex challenge that demands a deep understanding of its
mechanisms and the creation of advanced tools for practical use. This thesis seeks to dive into into
the complexities of improving photosynthetic efficiency, employing innovative methodologies from synthetic biology to enhance our comprehension and application of this essential biological process. The
aim is to establish Chlamydomonas reinhardtii as a chassis for carbon fixation engineering, through
the development of new tools to engineer the plastome. This should be implemented using a proof of
concept photorespiratory bypass in the chloroplast of C. reinhardtii and its characterization, and by
relocating the small subunit of Rubisco rbcS from the nuclear genome to the chloroplast genome. This
should contribute to fortifying the chloroplast genome of C. reinhardtii as a suitable testing ground for
complex endeavors, while remaining translatable to higher plants through the conservation of chloroplasts
throughout the tree of life. In the first part of the thesis we show the construction of a MoClo
toolkit for the chloroplast genome of C. reinhardtii, through the establishment of high-throughput part
characterization pipeline. This allowed us to screen for more than 300 parts, including untranslated
regions (UTRs) and promoters. By testing unique combination of regulatory elements, we identified
two transcritpion units suited for the implementation of the South pathway as a photorespiratory bypass.
The pathway is constituted of two genes, a glycolate dehydrogenase and a malate synthase, that
were assembled in the characterized transcription units. These transgenes were transformed in the
chloroplast of a characterized mutant strain displaying increased photorespiration. Through genomic,
proteomic, metabolomic and phenotypic characterization in photorespiratory conditions, we show the
successful implementation of the pathway. Transplastomic strains displayed reduced doubling time and
final cell density compared to the mutant strains, explained by lower intermediates of natural photorespiration
suggesting an increased flux in the bypass. Finally, we set out to re-localize the small subunit
of Rubisco from the nuclear genome to the chloroplast genome, by transforming the endogenous Crrbcs1 gene in the chloroplast of mutant strain for rbcS and the pyrenoid. Though the knock-out strain
does not behave as expected and maintains growth in minimal phototrophic conditions, the presence
of the transgene was confirmed and a drastic impact on growth and cell density was exhibited in the
transplastomic strain, reducing its doubling time by three compared to the mutant and reaching cell
densities comparable to wild-type levels. Overall in this thesis, I have establish the basic tools and
proofs of concept to use the chloroplast of C. reinhardtii as a testbed for photosynthesis engineering.
By showing that we can engineer a photorespiratory bypass and re-localize the small subunit of Rubisco
in the chloroplast genome, we now open the possibility of testing multiple pathways, cycles and
variants in a high-throughput manner, using the established pipeline and characterized mutants.Die schädlichen Auswirkungen menschlicher Aktivitäten auf die Umwelt sind eindeutig belegt und
haben zu weltweiten Bemühungen geführt, die industrielle Verschmutzung einzudämmen und den Energieverbrauch zu senken. Vom Menschen erzeugte Schadstoffe, insbesondere Kohlendioxid (CO2),
spielen eine bedeutende Rolle bei der Verschlechterung der Atmosphäre. Der dramatische Anstieg der
industriellen CO2-Emissionen im Laufe der Jahrhunderte hat zu einer besorgniserregenden Akkumulation
in der Atmosphäre geführt, die sich negativ auf die menschliche Gesundheit und die Stabilität
des Ökosystems auswirkt. Trotzdem ist CO2 für phototrophe Organismen wie Pflanzen, Algen und
Cyanobakterien lebenswichtig, die CO2 abbauen und den Kohlenstoff durch Photosynthese zur Herstellung organischer Moleküle verwenden. Aufgrund seiner einzigartigen Fähigkeit, Lichtenergie in anorganische Kohlenstoffassimilation umzuwandeln, ist es ein zentrales Thema wissenschaftlicher Forschung und bietet neben Grundlagenstudien auch erhebliches Potenzial für Bereiche wie Agronomie und Energieerzeugung. Die Verbesserung der Photosynthese ist eine komplexe Herausforderung, die ein tiefes Verständnis ihrer Mechanismen und die Entwicklung fortschrittlicher Werkzeuge für den praktischen
Einsatz erfordert. Diese Arbeit befasst sich mit den Komplexitäten der Verbesserung der photosynthetischen Effizienz und verwendet innovative Methoden aus der synthetischen Biologie, um unser Verständnis und unsere Anwendung dieses wesentlichen biologischen Prozesses zu verbessern. Ziel
ist es, Chlamydomonas reinhardtii als Grundlage für die Kohlenstofffixierungstechnik zu etablieren,
und zwar durch die Entwicklung neuer Werkzeuge zur Konstruktion des Plastoms. Dies soll durch
die Implementierung eines Proof-of-Concept-Photorespiratory-Bypasses im Chloroplasten von C. reinhardtii und dessen Charakterisierung sowie durch die Verlagerung der kleinen Untereinheit von Rubisco rbcS vom Kerngenom in das Chloroplastengenom gezeigt werden. Somit soll das Chloroplastengenom von C. reinhardtii als geeignetes Testgelände für komplexe Vorhaben gestärkt werden und gleichzeitig durch die Konservierung der Chloroplasten im gesamten Baum des Lebens auf höhere Pflanzen übertragbar bleiben. Im ersten Teil der Arbeit zeigen wir die Konstruktion eines MoClo-Toolkits für
das Chloroplastengenom von C. reinhardtii durch die Einrichtung einer Hochdurchsatz-Pipeline zur
Teilecharakterisierung. Dies ermöglichte uns ein Screening von mehr als 300 Teilen, darunter 5’UTRs,
3’UTRs und Promotoren. Durch Testen einer einzigartigen Kombination von regulatorischen Elementen
identifizierten wir zwei Transkriptionseinheiten, die für die Implementierung des South-Pfades
als photorespiratorischer Bypass geeignet sind. Der Pfad besteht aus zwei Genen, einer Glykolatdehydrogenase und einer Malatsynthase, die in den charakterisierten Transkriptionseinheiten zusammengesetzt wurden. Diese Transgene wurden in den Chloroplasten eines charakterisierten Mutantenstamms transformiert, der eine erhöhte Photorespiration aufweist. Durch genomische, proteomische, metabolomische und phänotypische Charakterisierung unter photorespiratorischen Bedingungen zeigen wir die erfolgreiche Implementierung des Pfades. Transplastomische Stämme zeigten eine kürzere Verdopplungszeit und höhere finale Zelldichte als die Mutantenstämme, was durch geringere Zwischenprodukte der natürlichen Photorespiration erklärt wurde, die auf einen erhöhten Fluss im Bypass
hindeuten. Schließlich machten wir uns daran, die kleine Untereinheit von Rubisco vom Kerngenom in
das Chloroplastengenom zu relokalisieren, indem wir das endogene Crrbcs1-Gen im Chloroplasten des
Mutantenstamms für rbcS und das Pyrenoid transformierten. Obwohl sich der KO-Stamm nicht wie
erwartet verhält und das Wachstum unter minimalen phototrophen Bedingungen aufrechterhält, wurde
das Vorhandensein des Transgens bestätigt und ein drastischer Einfluss auf Wachstum und Zelldichte
im transplastomischen Stamm festgestellt, der seine Verdopplungszeit im Vergleich zum Mutanten
um das Vierfache reduzierte und Zelldichten erreichte, die mit den Niveaus des Wildtyps vergleichbar
waren. Insgesamt haben wir in dieser Arbeit die grundlegenden Werkzeuge und Proofs of Concept
entwickelt, um den Chloroplasten von C. reinhardtii als Testumgebung für die Photosynthesetechnik
zu verwenden. Indem wir zeigen, dass wir einen photorespiratorischen Bypass konstruieren und die
kleine Untereinheit von Rubisco im Chloroplastengenom neu lokalisieren können, eröffnen wir nun
die Möglichkeit, mehrere Pfade, Zyklen und Varianten im Hochdurchsatzverfahren zu testen, unter
Verwendung der etablierten Pipeline und charakterisierter Mutanten
Molecular Mechanisms of Immune Regulation: A Review
No full textThe immune system must carefully balance fighting pathogens with
minimization of inflammation and avoidance of autoimmune responses. Over the past
ten years, researchers have extensively studied the mechanisms regulating this delicate
balance. Comprehending these mechanisms is essential for developing treatments for
inflammatory conditions. Aim: This review aims to synthesize knowledge of immunoregu-
latory processes published from 2014–2024 and to highlight discoveries that provide fresh
perspectives on this complex balance. Methods: The keywords “molecular mechanisms”,
“immune regulation”, “immune signaling pathways”, and “immune homeostasis” were
used to search PubMed for articles published between 2014 and 2024, with a preference
for articles published in the past three years. Results: Recent research has pinpointed the
impact of factors such as cytokine signaling, T-cell regulation, epigenetic regulation, and
immunometabolism on immune function. Discussion: New research highlights the intricate
interactions between the immune system and other molecular elements. A key area of
interest is the impact of non-coding RNAs and metabolic pathways on the regulation of
immune responses. Conclusions: Exploring the mechanisms by which the immune system
is regulated will provide new avenues for developing treatments to address autoimmune
and inflammatory conditions.Gefördert durch den Open-Access-Publikationsfonds der UB Marburg
Polar confinement of a macromolecular machine by an SRP-type GTPase
No full textThe basal structure of the bacterial flagellum includes a membrane embedded MS-ring (formed by multiple copies of FliF) and a cytoplasmic C-ring (composed of proteins FliG, FliM and FliN). The SRP-type GTPase FlhF is required for directing the initial flagellar protein FliF to the cell pole, but the mechanisms are unclear. Here, we show that FlhF anchors developing flagellar structures to the polar landmark protein HubP/FimV, thereby restricting their formation to the cell pole. Specifically, the GTPase domain of FlhF interacts with HubP, while a structured domain at the N-terminus of FlhF binds to FliG. FlhF-bound FliG subsequently engages with the MS-ring protein FliF. Thus, the interaction of FlhF with HubP and FliG recruits a FliF-FliG complex to the cell pole. In addition, the modulation of FlhF activity by the MinD-type ATPase FlhG controls the interaction of FliG with FliM-FliN, thereby regulating the progression of flagellar assembly at the pole.Gefördert durch den Open-Access-Publikationsfonds der UB Marburg
Biosynthese von Alkaloiden aus Penicillium palitans und Malfilanol D aus Aspergillus ustus
No full textNatural products (NPs), strict limitation to secondary metabolites (SMs), have been noted to exhibit high structural diversity and complexity including examples such as alkaloids, phenylpropanoids, polyketides, and terpenoids with their unique pharmacological or biological activities. Many potent antibiotics were successively discovered from ascomycetous fungi Penicillium, Cephalosporium, Aspergillus, etc. Driven by that, more and more discoveries of natural products were conducted, leading to the dereplication. The drawback is obvious. Traditional isolation from natural resources is unable to meet the demands of medicinal treatment because of technical barriers, low yield, and damage to natural organisms. The lead compounds with complex structures, e.g., functional groups with chiral centers and unstable molecules with rearrangement, are difficult to be synthesized due to lengthy and jumbled steps and low yield. With the help of genetic tools, cell factories become one of the approaches to address such challenges by de novo design of biosynthetic pathways. To elucidate the biosynthetic mechanism, advanced bioinformatics, biological technologies, and biochemical tools have been utilized to investigate the coding genes, which are usually located together as a biosynthetic gene cluster (BGC). BGC normally contains backbone enzyme(s) responsible for NPs’ scaffold, and tailoring enzymes responsible for skeleton’s post-modification. Enzyme-mediated reactions extremely increase the diversity of NP’s structures. Besides, nonenzymatic reactions also occur occasionally in the formation of NPs.
In this thesis, the biosynthesis of alkaloids from Penicillium palitans was elucidated in cooperation with Zhanghai Li, and the formation mechanism of a sesquiterpenoid from Aspergillus ustus by isotopic labelling was carried out in cooperation with Marlies Peter. To investigate the alkaloid biosynthesis in P. palitans (projects 3.1 and 3.2), the SMs were uncovered first. Cultivation of P. palitans in mCDH medium at 25 °C for 15 days and LC-MS analysis revealed the presence of at least eight metabolites. Among them, alkaloids cyclopenol (1), viridicatol (6), and cyclopiazonic acid (7, CPA) as dominant products, and speradine F (8) as a minor product were identified from the wild type. Then, related genome mining was performed via bioinformatics analysis. NRPS- or PKS-NRPS-derived three alkaloids containing amino acids were further investigated due to the enzymatic potentials in their corresponding BGCs for the formation of the meta-hydroxylation at a monosubstituted benzene ring and highly oxygenated tetrahydrofuran. Genome mining, gene deletion, and heterologous expression led to the identification of two separate clusters, the four-gene vdo cluster responsible for cyclopenin (2) skeleton formation and the five-gene spe cluster for the CPA skeleton formation. Feeding experiments proved that the cytochrome P450 enzyme VdoD catalyzes the key step in the conversion of cyclopenin (2) to cyclopenol (1), demonstrating a less studied enzymatic meta-hydroxylation at a monoalkylated benzene ring. Heterologous expression (HE) established that spe cluster is responsible for the formation of CPA and its derivatives (7 – 12), and the highly oxygenated speradine F (8) was synthesized by multiple nonenzymatic hydroxylations. The study completes the biosynthesis of viridicatol and speradine F and illustrates two hydroxylation reactions in biosynthesis. For the identification of catalytic mechanism of the sesquiterpenoid malfilanol D (project 3.3), we carried out genome analysis at the very beginning, then proved the function by HE, characterization biochemically with recombinant protein, and isotopic labelling experiments. Sequence analysis of the genome of A. ustus led to the identification of an uncharacterized putative terpene cyclase, termed mfdS hereafter. HE in the model organism Aspergillus nidulans LO8030 was used to prove the gene function. An additional metabolite was detected by LC-MS and then isolated from the culture of the transformant. Interpretation of the NMR data, including 1H NMR, 13C NMR, 1H-1H COSY, HSQC, HMBC, and 1H-1H NOESY revealed that the conspicuous peak is a new compound malfilanol D (13). To prove that MfdS is solely responsible for the formation of malfilanol D, enzyme assay of farnesyl diphosphate (FPP, C15) with the recombinant protein was conducted. Additionally, based on sodium 13C-acetate labelling experiments, a novel sesquiterpene cyclase from A. ustus was demonstrated in the biosynthesis of the less investigated bicyclo[5.4.0]undecane sesquiterpenes. 1,2-alkyl shift of allylic cation leads to ring expansion and successive 1,2-hydride transfer, C-1 to C-6 ring closure, and capture of water, provides the final product malfilanol D.
The three cases, investigating products derived from NRPS, PKS-NRPS, and TC from ascomycetous fungus Penicillium palitans and Aspergillus ustus, illustrated that fungi are a promising pool to exploit bioactive SMs and interesting enzymes by elucidation of their complete biosynthesis.Naturstoffe (NPs), strikt beschränkt auf sekundäre Metaboliten (SMs), weisen eine hohe strukturelle Vielfalt und Komplexität auf, darunter Alkaloide, Phenylpropanoide, Polyketide und Terpenoide mit ihren einzigartigen pharmakologischen oder biologischen Aktivitäten. Viele wirksame Antibiotika wurden nacheinander aus den Schlauchpilzen Penicillium, Cephalosporium, Aspergillus usw. entdeckt. Davon ausgehend wurden immer mehr Naturprodukte entdeckt, die zur Dereplikation führten. Der Nachteil liegt auf der Hand. Die herkömmliche Isolierung aus natürlichen Ressourcen kann den Anforderungen der medizinischen Behandlung aufgrund technischer Barrieren, geringer Ausbeuten und Schäden an natürlichen Organismen nicht gerecht werden. Die Leitssubstanzen mit komplexen Strukturen, z. B. funktionelle Gruppen mit chiralen Zentren und instabile Moleküle mit Umlagerung sind aufgrund langwieriger und unübersichtlicher Schritte und geringer Ausbeute schwer zu synthetisieren. Mithilfe genetischer Werkzeuge werden Zellfabriken zu einer Methode, um derartige Herausforderungen durch die De-novo-Entwicklung von Biosynthesewegen zu bewältigen. Zur Aufklärung des Biosynthesemechanismus wurden fortschrittliche Bioinformatik, biologische Technologien und biochemische Werkzeuge eingesetzt, um die kodierenden Gene zu untersuchen, die normalerweise zusammen als biosynthetische Gencluster (BGC) angeordnet sind. BGCs enthalten normalerweise Rückgratenzyme, die für das Gerüst der NPs zuständig sind, und Modifikationsenzyme, die für die Veränderungen des Skeletts zuständig sind. Enzymvermittelte Reaktionen erhöhen die Diversität der NP-Strukturen enorm. Außerdem treten bei der Bildung von NPs gelegentlich auch nicht-enzymatische Reaktionen auf.
In dieser Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit Zhanghai Li die Biosynthese von Alkaloiden aus Penicillium palitans aufgeklärt, und in Zusammenarbeit mit Marlies Peter wurde der Bildungsmechanismus eines Sesquiterpenoids aus Aspergillus ustus durch Isotopenmarkierung durchgeführt. Zur Untersuchung der Alkaloid-Biosynthese in P. palitans (Projekte 3.1 und 3.2) wurden zunächst die SMs identifiziert. Die Kultivierung von P. palitans in mCDH-Medium bei 25 °C für 15 Tage und die LC-MS-Analyse ergaben das Vorhandensein von mindestens acht Metaboliten. Darunter wurden die Alkaloide Cyclopenol (1), Viridicatol (6) und Cyclopiazonsäure (7, CPA) als dominante Produkte und Speradin F (8) als Nebenprodukt des Wildtyps identifiziert. Anschließend wurde mittels bioinformatischer Analyse ein entsprechende Genom Analyse durchgeführt. Drei NRPS- oder PKS-NRPS-abgeleitete Alkaloide, die Aminosäuren enthalten, wurden aufgrund des enzymatischen Potenzials in ihren entsprechenden BGCs für die Bildung der Meta-Hydroxylierung an einem monosubstituierten Benzolring und hoch multihydroxilierten Tetrahydrofuran weiter untersucht. Genom Analyse, Gendeletion und heterologe Expression führten zur Identifizierung von zwei separaten Clustern, dem verantwortlichen vdo Cluster mit vier Genen für die Bildung des Cyclopeninskeletts und dem spe Cluster mit fünf Genen für die Bildung des CPA-Skeletts. Fütterungsexperimente bewiesen, dass das Cytochrom-P450-Enzym VdoD den Schlüsselschritt bei der Umwandlung von Cyclopenin (2) in Cyclopenol (1) katalysiert, was eine weniger untersuchte enzymatische Meta-Hydroxylierung an einem monoalkylierten Benzolring demonstriert. Durch heterologe Expression (HE) konnte nachgewiesen werden, dass der spe-Cluster für die Bildung von CPA und seinen Derivaten (7 – 12) verantwortlich ist, und es zeigte sich, dass das stark hydroxilierte Speradine F (8) durch mehrere nicht-enzymatische Oxidation synthetisiert wurde. Diese Arbeit klärt die Biosynthese von Viridicatol und Speradine F und veranschaulicht zwei Hydroxylierungsreaktionen in der Biosynthese. Für die Identifizierung des katalytischen Mechanismus von Sesquiterpenen (Projekt 3.3) zogen wir es vor, zunächst eine Genomanalyse durchzuführen und dann die Funktion durch HE, biochemische Charakterisierung mit rekombinantem Protein und Isotopenmarkierungsexperimente nachzuweisen. Die Sequenzanalyse des Genoms von A. ustus führte zur Identifizierung einer uncharakterisierten putativen Terpenzyklase, die im Folgenden als MfdS bezeichnet wird. HE im Modellorganismus Aspergillus nidulans LO8030 wurde zum Nachweis der Genfunktion verwendet. Ein zusätzlicher Metabolit wurde mittels LC-MS nachgewiesen und anschließend aus der Kultur eines Transformanten isoliert. Die Auswertung der NMR-Daten, einschließlich 1H-NMR, 13C-NMR, 1H-1H-COSY, HSQC, HMBC und 1H-1H-NOESY, ergab, dass es sich bei dem auffälligen Peak um die neue Verbindung Malfilanol D (13) handelt. Um zu beweisen, dass MfdS allein für die Bildung von Malfilanol D verantwortlich ist, wurde ein Enzymtest von Farnesyl-Diphosphat (FPP, C15) mit dem rekombinanten Protein durchgeführt. Darüber hinaus wurde anhand von 13C-Acetat-Markierungsexperimenten eine neuartige Sesquiterpenyzklase aus Aspergillus ustus für die Biosynthese der weniger untersuchten Bicyclo[5.4.0]undecan-Sesquiterpene nachgewiesen. Die 1,2-Alkylverschiebung innerhalb des Allylkations führt zu einer Ringerweiterung, und der sukzessive 1,2-Hydridtransfer, der C-1- bis C-6-Ringschluss und die Abscheidung von Wasser liefern das Endprodukt Malfilanol D.
Die drei Fälle, in denen Produkte aus NRPS, PKS-NRPS und TC aus den Ascomyceten Penicillium palitans und Aspergillus ustus untersucht wurden, zeigen, dass Pilze ein vielversprechender Pool für die Nutzung bioaktiver SMs und interessanter Enzyme sind, indem ihre komplette Biosynthese aufgeklärt wird
Gut–Brain Axis and Brain Microbiome Interactions from a Medical Perspective
No full textBackground: The gut microbiome directly impacts brain health and activity,
meaning the two are closely associated. This relationship suggests a link between microbial
imbalances and diseases such as Alzheimer’s, although multiple other contributing factors,
such as genetics, also play a part. Additionally, recent studies discovered that cerebrospinal
fluid has some microbial deoxyribonucleic acid (DNA), which can be interpreted to mean a
microbiome exists in the brain too. The vagus nerve and the central nervous and immune
systems are responsible for the connection between the brain and gut microbiome. Aims
and Objectives: The main aim of this systematic review is to analyze existing research on
the gut–brain axis and the brain microbiome to fill the current knowledge gap. Materials
and Methods: A search was conducted on the PubMed database based on a set of prede-
fined MeSH terms. Results: After the search, 2716 articles meeting the MeSH parameters
were found in PubMed. This list was then downloaded and analyzed according to the
inclusion/exclusion criteria, and 63 relevant papers were selected. Discussion: Bacteria
in the gut microbiome produce some substances that are considered neuroactive. These
compounds can directly or indirectly affect brain function through the gut–brain axis.
However, various knowledge gaps on the mechanisms involved in this connection need to
be addressed first.Gefördert durch den Open-Access-Publikationsfonds der UB Marburg
Clostridium sporogenes-derived metabolites protect mice against colonic inflammation
No full textGut microbiota-derived metabolites play a pivotal role in the maintenance of intestinal immune
homeostasis. Here, we demonstrate that the human commensal Clostridium sporogenes possesses
a specific metabolic fingerprint, consisting predominantly of the tryptophan catabolite indole-3-propionic
acid (IPA), the branched-chain acids (BCFAs) isobutyrate and isovalerate and the short-chain fatty
acids (SCFAs) acetate and propionate. Mono-colonization of germ-free mice with C. sporogenes (CS
mice) affected colonic mucosal immune cell phenotypes, including up-regulation of Il22 gene expression,
and increased abundance of transcriptionally active colonic tuft cells and Foxp3+ regulatory T cells
(Tregs). In DSS-induced colitis, conventional mice suffered severe inflammation accompanied by loss of
colonic crypts. These symptoms were absent in CS mice. In conventional, but not CS mice, bulk RNAseq
analysis of the colon revealed an increase in inflammatory and Th17-related gene signatures.
C. sporogenes-derived IPA reduced IL-17A protein expression by suppressing mTOR activity and by
altering ribosome-related pathways in Th17 cells. Additionally, BCFAs and SCFAs generated by
C. sporogenes enhanced the activity of Tregs and increased the production of IL-22, which led to
protection from colitis. Collectively, we identified C. sporogenes as a therapeutically relevant probiotic
bacterium that might be employed in patients with inflammatory bowel disease (IBD).Gefördert durch den Open-Access-Publikationsfonds der UB Marburg
Single Photon Photoelectron Elliptical Dichroism of Amino Acid Anions
No full textSingle photon photoelectron elliptical dichroism (PEELD) has been investigated in the
photodetachment of electrosprayed amino acid anions, i.) tryptophan (Trp) and ii.)
phenylalanine (Phe). PEELD refers to the variation of the asymmetry parameter with the
ellipticity parameter |3/0|. For Trp is found to scale linearly with |3/0|. For Phe a small
but significant deviation from linear scaling is observed in the region of 0.8 ≤ |3/0| ≤ 1, i.e.
approaching perfect circular polarization. Commonalities and differences to existing PEELD
literature are being discussed