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MAGED2 as a Master Regulator of NCC Trafficking and Stress-Induced Autophagy: Insights into Hypoxic Adaptation and the Pathophysiology of Transient Bartter Syndrome
No full textMAGED2, a member of the melanoma-associated antigen family, plays a crucial role in neonatal renal physiology, particularly under stress conditions, as observed in transient Bartter syndrome type 5 (tBS). This rare X-linked disorder is characterized by severe prenatal salt wasting, massive polyhydramnios, and preterm delivery, with symptoms resolving spontaneously postnatally. Unlike other Bartter syndromes (types I, II & III), MAGED2 does not function as a transporter; rather, it regulates key signaling pathways critical for electrolyte balance. Specifically, MAGED2 stabilizes the G-protein alpha-s (Gαs) subunit by preventing its MDM2-mediated ubiquitination and endocytosis under hypoxic conditions, thereby promoting cAMP production. cAMP is essential for activating renal salt transporters, including NCC and NKCC2. In this study, the dual role of MAGED2 under hypoxic conditions, its effect on stress-induced autophagy, and its regulation of NCC trafficking dynamics were investigated. MAGED2 was identified as a negative regulator of autophagy under various stress conditions, including hypoxia. The activation of autophagy upon Gαs depletion and its subsequent inhibition by forskolin, a cAMP/PKA activator acting downstream of Gαs, highlights the critical role of the cAMP/PKA pathway, regulated by MAGED2, in modulating autophagic processes. In contrast to MAGEA3/A6, whose mere absence promote autophagy, MAGED2 specifically inhibits autophagy during stress responses. Furthermore, MAGED2 was shown to maintain NCC membrane abundance and activity by enhancing its exocytosis, reducing its ubiquitin-dependent endocytosis, and preventing its lysosomal degradation via the cAMP/PKA pathway. Notably, forskolin rescued total and membrane expression of NCC upon MAGED2 depletion. These findings establish MAGED2 as a crucial regulator of renal adaptation to hypoxic stress by preserving NCC functionality and mitigating autophagic responses. They provide mechanistic insights into the pathophysiology of tBS and its severe salt-wasting phenotype. Future research should explore therapeutic strategies targeting cAMP signaling to restore transporter function and investigate the broader role of MAGED2 in renal stress adaptation, including its implications in postnatal kidney injury and hypoxia-related conditions.MAGED2, ein Mitglied der Melanom-assoziierten Antigenfamilie, spielt eine entscheidende Rolle in der neonatalen Nierenphysiologie, insbesondere unter Stressbedingungen, wie sie beim transienten Bartter-Syndrom Typ 5 (tBS) beobachtet werden. Diese seltene X-chromosomale Störung ist durch schwere pränatale Salzverluste, massiven Polyhydramnion und Frühgeburtlichkeit gekennzeichnet, wobei sich die Symptome postnatal spontan zurückbilden. Im Gegensatz zu anderen Bartter-Syndromen (Typ I, II und III) fungiert MAGED2 nicht als Transporter, sondern reguliert wichtige Signalwege, die für den Elektrolythaushalt entscheidend sind. Insbesondere stabilisiert MAGED2 die Untereinheit des G-Proteins alpha-s (Gαs), indem es dessen MDM2-vermittelte Ubiquitinierung und Endozytose unter hypoxischen Bedingungen verhindert und dadurch die cAMP-Produktion fördert. cAMP ist für die Aktivierung der renalen Salztransporter, einschließlich NCC und NKCC2, unerlässlich. In dieser Studie wurden die Doppelrolle von MAGED2 unter hypoxischen Bedingungen, seine Auswirkungen auf die stressinduzierte Autophagie und seine Regulierung der NCC-Transportdynamik untersucht. MAGED2 wurde als negativer Regulator der Autophagie unter verschiedenen Stressbedingungen, einschließlich Hypoxie, identifiziert. Die Aktivierung der Autophagie bei Gαs-Abnahme und ihre anschließende Hemmung durch Forskolin, einen cAMP/PKA-Aktivator, der stromabwärts von Gαs wirkt, unterstreicht die entscheidende Rolle des cAMP/PKA-Signalwegs, der von MAGED2 reguliert wird, bei der Modulation autophager Prozesse. Im Gegensatz zu MAGEA3/A6, deren bloßes Fehlen die Autophagie fördert, hemmt MAGED2 spezifisch die Autophagie bei Stressreaktionen. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass MAGED2 die Häufigkeit und Aktivität der NCC-Membranen aufrechterhält, indem es ihre Exozytose fördert, ihre Ubiquitin-abhängige Endozytose reduziert und ihren lysosomalen Abbau über den cAMP/PKA-Weg verhindert. Es ist bemerkenswert, dass Forskolin die Gesamt- und Membranexpression von NCC nach Deletion von MAGED2 wiederherstellte. Diese Ergebnisse belegen, dass MAGED2 eine entscheidende Rolle bei der Anpassung der Niere an hypoxischen Stress spielt, indem es die NCC-Funktionalität aufrechterhält und autophagische Reaktionen abmildert. Sie bieten mechanistische Einblicke in die Pathophysiologie des tBS und dessen schweren Salzverlust-Phänotyp. Zukünftige Forschungsarbeiten sollten therapeutische Strategien erforschen, die auf die cAMP-Signalübertragung abzielen, um die Transporterfunktion wiederherzustellen, und die umfassendere Rolle von MAGED2 bei der renalen Stressanpassung untersuchen, einschließlich ihrer Auswirkungen auf postnatale Nierenschäden und hypoxiebedingte Bedingungen
Global prevalence of respiratory virus infections in adults and adolescents during the COVID-19 pandemic: A systematic review and meta-analysis
No full textSince the beginning of the COVID-19 pandemic, efforts have been made to contain the spread of the virus. However, the epidemiological burden of other respiratory viruses during the pandemic is unclear. We aim to address the epidemiology of respiratory viruses on adults/adolescents since the beginning of the pandemic.
We systematically searched five databases and performed a meta-analysis to explore the pooled prevalence of respiratory viruses in different geographical regions, age groups, and periods and compared the prevalence between COVID-19 cases and non-COVID-19 patients.
Enteroviruses/rhinoviruses were highly prevalent compared to other viruses. Different viruses were dominant in different regions. No significant differences in prevalence were found between different age groups, except for human metapneumovirus. There was an increase in prevalence of non-SARS-CoV-2 viruses in the second half of the pandemic (July 2021-December 2022). Comparison of COVID-19 and non-COVID patients showed a higher prevalence in the non-COVID group, significant for influenza, seasonal coronaviruses, and human parainfluenza viruses.
Our findings indicate that enteroviruses/rhinoviruses were less impacted by healthcare measures compared with other respiratory viruses. The relaxation of measures in the second half led to an increased pooled prevalence of infections. Several factors may explain the lower prevalence among individuals infected with COVID-19.Gefördert durch den Open-Access-Publikationsfonds der UB Marburg
Daten zur Studie "Lehramtsstudierende in Arbeit und Beruf: Organisation, Ressourcen, Aufgaben in Hessen" (LABORA-HE) der lehrkräftebildenden Hochschulen in Hessen im Wintersemester 2024/2025
No full textLehramtsstudierende arbeiten nicht nur wie andere Studierende regelmäßig neben dem Studium, sondern sie tun dies in hohem Maße bereits in dem Berufsfeld, für das sie sich noch in der Qualifizierung befinden. Dies geschieht jenseits der im Lehramtsstudium vorgesehenen Praktika und wirft Fragen etwa nach der Begleitung dieser Studierenden, nach Chancen und Risiken für die Professionalisierung der angehenden Lehrkräfte oder auch nach der Rolle und Funktion des Lehramtsstudiums auf. Obwohl diese Fragen drängend sind und die Arbeit von Lehramtsstudierenden als Unterstützungs- und Vertretungslehrkräfte auch die Qualität des Unterrichts direkt oder mittelbar betrifft, gibt es noch relativ wenige Studien zu diesem Thema. Mit der im Wintersemester 2024/2025 durchgeführten Erhebung "Lehramtsstudierende in Arbeit und Beruf: Organisation, Ressourcen, Aufgaben in Hessen" (LABORA-HE) liegt nun die derzeit größte Studie in Deutschland zur Erwerbstätigkeit von Lehramtsstudierenden insbesondere an Schulen vor.
LABORA-HE ist das Resultat der erfolgreichen Kooperation von sechs lehrkräftebildenden Hochschulen in Hessen. Den Anstoß für diese Studie gab das Projekt "PraxisFlex" (2023–2025) am Zentrum für Lehrkräftebildung der Philipps-Universität Marburg, das gefördert aus QuiS-Mitteln des Hessischen Ministeriums für Wissenschaft und Forschung, Kunst und Kultur (HMWK) als "MarFlex"-Teilprojekt die Flexibilisierung des Lehramtsstudiums in den Blick nimmt. Im Austausch mit den weiteren lehrkräftebildenden Standorten in Hessen (Darmstadt, Frankfurt, Fulda, Gießen und Kassel) wurde deutlich, dass eine landesweite Erhebung großes Potenzial hat und im Sinne des Programms "QuiS_Flex" des HMWK die Kooperation und gemeinsame Entwicklung von Flexibilisierungsmaßnahmen in der Lehre an Hochschulen stärkt. Die Erhebung wurde daher koordiniert über "PraxisFlex" in enger Kooperation aller Standorte entwickelt und im Wintersemester 2024/2025 mit den Lehramtsstudierenden der beteiligten Standorte umgesetzt.
In dem hier vorliegenden Skalenhandbuch werden Fragen und Ergebnisse von LABORA-HE der Struktur des Fragebogens folgend in Gänze dargestellt. Lediglich die bei einzelnen Fragen möglichen Freitextantworten wurden dabei nicht berücksichtigt. Der Rohdatensatz und das zugehörige Codebook sind ab dem 30.06.2030 ebenfalls hier abrufbar. Zum Schutz der Anonymität der Teilnehmenden wurden Freitextantworten und die Angabe der besuchten Hochschule aus dem Rohdatensatz entfernt. Dazu wurden die ursprünglich nach Standort spezifizierten Fragen zum Studiengang in einer allgemeinen Variable zusammengefasst.
In der zugehörigen Broschüre findet sich eine Zusammenfassung, Diskussion und Einordnung der zentralen Ergebnisse: https://doi.org/10.17192/openumr/342
Bei Fragen o. ä. wenden Sie sich gerne an: [email protected]
Dissecting the metabolic signaling pathways by which microbial molecules drive the differentiation of regulatory B cells
No full textThe host-microbiome axis has been implicated in promoting anti-inflammatory immune responses. Yet, the underlying molecular mechanisms of commensal-mediated IL-10 production by regulatory B cells (Bregs) are not fully elucidated. Here, we demonstrate that bacterial CpG motifs trigger the signaling downstream of TLR9 promoting IκBNS-mediated expression of Blimp-1, a transcription regulator of IL-10. Surprisingly, this effect was counteracted by the NF-κB transcription factor c-Rel. A functional screen for intestinal bacterial species identified the commensal Clostridium sporogenes, secreting high amounts of short-chain fatty acids (SCFAs) and branched-chain fatty acids (BCFAs), as an amplifier of IL-10 production by promoting sustained mTOR signaling in B cells. Consequently, enhanced Breg functionality was achieved by combining CpG with the SCFA butyrate or the BCFA isovalerate thereby synergizing TLR- and mTOR-mediated pathways. Collectively, Bregs required two bacterial signals (butyrate and CpG) to elicit their full suppressive capacity and ameliorate T cell-mediated intestinal inflammation. Our study has dissected the molecular pathways induced by bacterial factors, which might contribute not only to better understanding of host-microbiome interactions, but also to exploration of new strategies for improvement of anti-inflammatory cellular therapy.Gefördert durch den Open-Access-Publikationsfonds der UB Marburg
What Triggers Mental Disorders? Examining the Role of Increasing Relationships between Self-Regulatory Efficacy Expectations and Behavioral Intensity
No full textBackground: Extreme promotion and prevention focus (foci) of the value need can lead to mental disorders due to a reinforcement mechanism between efficacy expectations (EEs) and behavioral intensity (BI) that then sets in. A reliable measurement instrument capturing the onset of this reinforcement could facilitate disorder prevention. Additionally, the needs for truth and control may also trigger mental disorders in extremes of their foci, though these foci lack conceptualization. Thus, designing foci for each need, we developed both an item pool to assess EEs and BI of all foci across all needs and a procedure for compiling group-specific scales from it to capture EE–BI correlations for preventive purposes. We examined both the overall suitability of the pool and of the procedure to compile those scales from it that are reliable, valid, and most probably capable of capturing the EE–BI reinforcement onset in a specific group (here, our calibration sample, N = 198, 77% female). Methods: All eligible scales from the item pool were tested for cubic EE–BI correlations (high majorities of the expected cubic shape indicated item pool suitability), and those yielding the most cubic relationships were assessed in nonlinear PLS structural equation modeling with regard to their significance, reliability, and validity. Results: The item pool and procedure were largely suitable, producing reliable, valid scales where EEs significantly predicted BI cubically. Conclusions: The item pool and the method for identifying group-specific scales mark an important step toward better risk group identification. Further studies are needed to determine their actual predictive relevance for mental disorders.Gefördert durch den Open-Access-Publikationsfonds der UB Marburg
Making digital learning modules usable for blended learning
No full textDigitale Lernmodule überzeugen durch ihre Skalierbarkeit und flexible Einsetzbarkeit. Um jedoch ihr volles Potenzial nachhaltig zu entfalten, bedarf es gezielter Supportstrukturen sowie einer durchdachten Erweiterung zu Blended-Learning-Settings, die mögliche Schwächen asynchroner Lernformate ausgleichen.
Im Projekt EnableD wurden digitale Lernmodule im Blended-Learning nicht als bloße Ergänzung und Anreicherung von Präsenzformaten begriffen, sondern selbst als Ausgangspunkt innovativer Lernsettings konzipiert. Der dabei vollzogene Perspektivwechsel hin zum modularen „Digitalen Lernmodul Plus“ hebt die gezielte Kombination asynchron-digitaler Inhalte mit synchronen Elementen sowie eine rahmende Gesamtstruktur hervor. Diese Verzahnung ermöglicht einen passgenauen Einsatz eines digitalen Lernmoduls in unterschiedlichen Kontexten und für verschiedene Zielgruppen. Zudem wird die didaktische Tiefe ebenso wie die soziale Interaktion, Feedback und emotionale Einbindung ermöglicht – alles zentrale Faktoren für ein wirksames und motivierendes Lernerlebnis.Digital learning modules are characterised by their scalability and flexible usability. However, to realise their full potential in the long term, targeted support structures and careful integration into blended learning settings are needed to compensate for the weaknesses of asynchronous learning formats.
In the EnableD project, digital learning modules were conceived as the starting point for innovative learning settings, rather than merely supplementing and enriching face-to-face formats. The shift in focus towards the modular 'Digital Learning Module Plus' highlights the intentional combination of asynchronous digital content with synchronous elements and an umbrella framing structure. This enables the customised use of a digital learning module in different contexts and for different target groups. It also facilitates didactic depth, social interaction, feedback, and emotional engagement — all of which are key factors in an effective and motivating learning experience
Digitale Unternehmenskommunikation
No full textDigitalisierung verändert die Unternehmenskommunikation radikal. Nicht nur Aktionäre und Unternehmensorgane, sondern auch Finanzintermediäre nutzen zunehmend schnelle, adaptive und breit verfügbare Kommunikationsmedien. Der vorliegende Band analysiert diese Veränderungen empirisch sowie aus interdisziplinärer Perspektive.
Unternehmen und Aktionäre sind seit Dekaden Gegenstand intensiver Corporate-Governance-Forschung. Selbstverständliche Prämisse war lange Zeit, dass Kleinaktionäre hohe Transaktionskosten und Kollektivhandlungsprobleme überwinden müssen, um in Kommunikation mit Unternehmen eintreten zu können. Fortschreitende Digitalisierung hat jedoch einen radikalen Paradigmenwechsel zur Folge, hin zu schnellen, adaptiven und breit verfügbaren Kommunikationsmedien. Ein verändertes Kommunikationsverhalten lässt sich nicht nur für Aktionäre und Organe des Unternehmens, sondern auch für Intermediäre besonders in der Anlageberatung beobachten. Der vorliegende Band greift diese Änderungen auf und analysiert sie empirisch sowie aus interdisziplinärer Perspektive, namentlich aus dem Blickwinkel von Rechtswissenschaften, Philosophie und Wirtschaftswissenschaften.Gefördert durch den Open-Access-Publikationsfonds der UB Marburg
Einfluss des Alters auf die Performance am da Vinci Skills Simulator
No full textDie roboterassistierte Chirurgie ist eine komplexe Operationsmethode, die besondere Anforderungen an die Chirurgen stellt. Ihre zunehmende Ausbreitung in den verschiedensten Fachgebieten der Medizin erfordert effektive Trainingsmethoden, um roboterchirurgische Fähigkeiten außerhalb des Operationssaals erlernen zu können. Eine solche stellt der da Vinci Skills Simulator dar, welchen die Firma Intuitive Surgical in Kooperation mit Mimic Technologies entwickelte. Diverse Studien untersuchten potenzielle Einflussfaktoren auf das Training am Simulator, um die Erarbeitung eines standardisierten Trainings zu ermöglichen. Zum Einfluss des Alters gibt es bisher jedoch nur wenige Daten. Die vorliegende Studie soll diese Wissenslücke füllen und herausfinden, ob eine Altersgruppe womöglich einer anderen im Erlernen technischer Fertigkeiten für die Roboterchirurgie überlegen ist. In dieser prospektiven Studie wurden im Zeitraum von Dezember 2014 bis September 2016 insgesamt 60 roboterchirurgisch unerfahrene Probanden am da Vinci Skills Simulator getestet. Anhand ihres Alters wurden die Probanden in drei Gruppen zu je 20 Personen eingeteilt. Gruppe 1 bestand aus Personen im Alter von 20-29 Jahren, Gruppe 2 von 30-39 Jahren und Gruppe 3 von ≥40 Jahren. Das männliche und weibliche Geschlecht waren in den Gruppen zu gleichen Teilen vertreten. Jede Gruppe führte am da Vinci Skills Simulator dieselben vier Übungen (Match Board 1, Peg Board 2, Ring & Rail 2, Energy & Dissection 3) mit unterschiedlichen Schwerpunkten und Schwierigkeitsgraden durch. Jede der Übungen wurde an zwei verschiedenen Terminen insgesamt sechsmal wiederholt (Tag 1: Wdh. 1-3, Tag 2: Wdh. 4-6). Zwischen den beiden Terminen lag eine Woche. Am Ende des zweiten Termins füllten die Probanden zudem einen Fragebogen aus. Nach erfolgreichem Abschluss jeder Übung wurden die Leistungen in Form verschiedener Parameter (Time To Complete Exercise, Economy of Motion, Master Workspace Range, Instrument Collisions, Excessive Instrument Force, Instruments Out Of View, Drops, Misapplied Energy Time, Blood Loss Volume und Broken Vessels) aufgezeigt und zu einem Overall Score zusammengefasst. Das Training führte in den drei Hauptparametern (Overall Score, Time To Complete Exercise, Economy of Motion) in jeder Gruppe und Übung zu einem signifikanten Fähigkeitsgewinn. Im Gruppenvergleich zeigten sich die auffälligsten Unterschiede zwischen den Gruppen 1 und 3. So zeigte die erste Gruppe sowohl zu Beginn als auch zum Abschluss der Übungen häufig signifikant bessere Ergebnisse im Overall Score sowie in Economy of Motion. In den schwierigeren Übungen war sie zudem signifikant schneller. Auch in den Versuchen, in denen sie nicht signifikant besser abschnitt als die dritte Gruppe, erzielte Gruppe 1 zumeist bessere Ergebnisse und konnte die Übungen schneller beenden. Die zweite Gruppe erzielte im Vergleich zur dritten ebenfalls häufig das bessere Ergebnis, jedoch bestanden dabei seltener signifikante Differenzen. Auch hier zeigten sich die größten Unterschiede in den schwierigeren Übungen. Obwohl sich zwischen den Gruppen 1 und 2 nur wenige signifikante Unterschiede ausmachen ließen, hatte Gruppe 1 auch hier meist das bessere Ergebnis, vor allem in den schwierigeren Übungen. Die Gruppen 1 und 2 erreichten in allen vier Übungen einen Overall Score ≥80%, welcher gemäß der Empfehlung des Entwicklers als anzustrebendes Leistungsniveau gilt. Gruppe 3 erreichte dieses lediglich in den beiden leichten Übungen (Match Board 1, Peg Board 2). Jedoch wies die dritte Gruppe in drei Übungen (Match Board 1, Peg Board 2, Energy & Dissection 3) die größte Lernkurve von Versuch 1 zu 6 auf. Die dargelegten Ergebnisse lassen erkennen, dass alle untersuchten Altersklassen von einem Training am da Vinci Skills Simulator profitierten. Zudem konnte nachgewiesen werden, dass die älteren Probanden im Vergleich zu den jüngeren häufig schlechtere Werte erzielten und mehr Zeit benötigten, um ähnliche Leistungen zu erbringen. Dies ist vor allem bei den schwierigeren Aufgaben erkennbar. In Anbetracht der Ergebnisse empfiehlt es sich, ein standardisiertes Training nicht auf eine feste Anzahl an Wiederholungen oder eine bestimmte Trainingszeit festzulegen. Das Erreichen und Halten eines vordefinierten Leistungsniveaus scheint in Bezug auf verschiedene Altersklassen die bessere Wahl zu sein. Auch profitieren ältere Auszubildende möglicherweise von kürzeren Trainingspausen sowie einer höheren Wiederholungszahl der einzelnen Übungen.Robot-assisted surgery is a complex surgical method, with special requirements on surgeons performing it. Since its introduction into medicine, it spread to a wide variety of specialties. Effective training methods are required to learn robotic surgical skills outside the operating room. Such a method is the da Vinci Skills Simulator, which was developed by ‘Intuitive Surgical’ in cooperation with ‘Mimic Technologies’. In order to enable the development of a standardized training, various studies investigated different factors influencing the training on the simulator. However, there is little data available on the influence of age. The present study aims to fill this lack of knowledge and to find out whether one age group is possibly better than another in learning technical skills for robotic surgery. A total of 60 robotic novices were tested in this prospective study on the da Vinci Skills Simulator between December 2014 and September 2016. Based on their age, the subjects were divided into three groups of 20 subjects each. Group 1 was made up of subjects aged 20-29 years, Group 2 of 30-39 years, and Group 3 of ≥40 years. Males and females were equally represented in the groups. Each group performed the same four exercises (Match Board 1, Peg Board 2, Ring & Rail 2, Energy & Dissection 3) on the da Vinci Skills Simulator with different focuses and levels of difficulty. Each of these exercises was repeated a total of six times on two different dates (day 1: exercises 1-3, day 2: exercises 4-6), with a one-week interval between sessions. At the end of the second session, the subjects also completed a questionnaire. After successful completion of each exercise, the performance was shown in form of various parameters (Time To Complete Exercise, Economy of Motion, Master Workspace Range, Instrument Collisions, Excessive Instrument Force, Instruments Out Of View, Drops, Misapplied Energy Time, Blood Loss Volume and Broken Vessels) and combined into an Overall Score.
The training resulted in significant skill gains in the main parameters (Overall Score, Time To Complete Exercise, Economy of Motion) in all exercises for all three groups. In the group comparison, the most prominent differences were found between groups 1 and 3, with the first group frequently showing significantly better results in Overall Score and Economy of Motion, both at the beginning and at the end of the exercises. Group 1 was also significantly faster in the more difficult exercises. Even in the trials in which it did not perform significantly better than the third group, group 1 usually achieved better results and was able to complete the exercises faster. The second group also frequently achieved a better result compared to the third, but there were fewer significant differences. Again, the greatest differences were seen in the more difficult exercises. Although there were only a few significant differences between groups 1 and 2, group 1 also usually had the better result, especially in the more difficult exercises. Groups 1 and 2 reached Overall Scores of ≥80%, which is the target performance level according to the developer's recommendation, in all four exercises after the sixth repetition. Group 3 only reached this in the two easy exercises (Match Board 1, Peg Board 2). However, in three exercises (Match Board 1, Peg Board 2, Energy & Dissection 3) the third group showed the largest learning curve from the first to the sixth attempt. The results show that all age groups investigated benefit from training on the da Vinci Skills Simulator. In addition, it could be shown that the older subjects often achieved poorer scores compared to the younger subjects and needed more time to perform similarly. This is especially noticeable in the more difficult tasks. In view of the results, it is recommended that standardized training should not be limited to a fixed number of repetitions or a specific training time. Reaching and keeping a predefined performance level seems to be the better choice in respect of different age groups. Also, older trainees may benefit from shorter training breaks and a higher number of repetitions of the individual exercises
Erforschung der Sekundärmetaboliten in Aspergillus ustus und ihrer Biosynthese
No full textNatural products, also known as secondary metabolites, are highly abundant, especially those derived from bacteria and fungi. These secondary metabolites play pivotal roles in processes like signaling, habitat defense, and inhibiting competitors. These ecological functions give microbial natural products immense importance in drug discovery, uncovering new enzymatic mechanisms, and studying interspecies interactions. Between 1981 and 2020, 32% of approved small-molecule drugs by FDA were either natural products or their derivatives, with most sourced from microorganisms. Among the vast array of microbial secondary metabolites that have been isolated and identified, key categories include polyketides (PKs), nonribosomal peptides (NRPs), alkaloids, and terpenes. Advances in sequencing technology and bioinformatics have provided significant advantages for studying the biosynthesis of these compounds. Polyketide synthases (PKSs) and nonribosomal peptide synthetases (NRPSs), which function in highly organized assembly lines, have been some of the most extensively researched enzymes in recent years. Alongside versatile tailoring enzymes such as prenyltransferases (PTs), flavin-dependent oxidoreductases, nonheme FeII/2-oxoglutarate-dependent monooxygenases, and cytochrome P450 enzymes, these systems drive the production of a diverse range of secondary metabolites. To unravel these biosynthetic mechanisms, researchers use advanced bioinformatics, cutting-edge biotechnologies, and sophisticated biochemical tools to study the genes coding for these enzymes, which are generally clustered together in the same biosynthetic gene cluster (BGC).
In collaboration with Dr. Liujuan Zheng, Dr. Daniel Jonathan Janzen, and Dr. Yiling Yang, this thesis elucidates the biosynthetic pathways of four metabolites derived from Aspergillus ustus 3.3904. This PhD candidate was mainly responsible for chemical experiments. The metabolites oxepinamides D, E, and F were isolated and characterized from A. ustus 3.3904. Bioinformatics analysis identified two similar NRPS-containing gene clusters, named opa and opa2. The opa cluster is responsible for synthesizing oxepinamides E and F, while the opa2 cluster is involved in producing oxepinamide D.
In the biosynthesis of oxepinamide D, the NRPS OpaA2 from the opa2 cluster assembles a fused quinazolinone core structure using Ant, L-Phe, and L-Ala. The P450 enzyme OpaB2, analogous to OpaB, catalyzes the formation of the oxepin ring in a specific and stereoselective manner to produce the 1H-oxepin oxepinamide. Subsequently, OpaC2 adds a hydroxyl group at the C-3 position to complete the formation of oxepinamide D. Both OpaC2 and OpaC demonstrate high substrate specificity. Furthermore, feeding experiments with opaB and opaB2 transformants confirmed the absence of cross-talk between the two biosynthetic gene clusters. Additionally, our study shows that the E domains in OpaA and OpaA2 are crucial for the epimerization of phenylalanine and alanine, respectively. This epimerization is a critical step preceding the ring expansion catalyzed by the oxepinases OpaB and OpaB2.
In addition to oxepinamides D, E, and F, (−)-protubonine B was also isolated and characterized from Aspergillus ustus. Detailed analysis of another NRPS gene cluster indicated its role in the biosynthesis of the diketopiperazine derivative (−)-protubonine B. This hypothesis was confirmed through heterologous expression of the entire gene cluster in Aspergillus nidulans. Subsequent gene deletion experiments, combined with structural elucidation of the intermediates, enabled the comprehensive mapping of the (−)-protubonine B biosynthetic pathway. Notably, the flavin-dependent monooxygenase PboD was identified as a crucial enzyme, responsible for hydroxylating the C-3 position of the indole moiety and facilitating the formation of the pyrrolidine ring. This stereospecific reaction was further validated through in vitro experiments using the recombinant enzyme. The intermediate, protubonine D, undergoes diacetylation by the acetyltransferases PboB and PboC, yielding the final product, (−)-protubonine B.
Besides the NRPS-derived compounds, ustethylin A, a novel polyketide, was also isolated and characterized from this fungus. This highly oxygenated aryl aldehyde contains a phenethyl group. Isotopic labeling experiments revealed that its backbone originates from malonyl-CoA, with the methyl group of the phenethyl residue, the phenyl methyl group, and the O-methyl group all derived from L-methionine. Transcriptomic analysis, coupled with gene deletion, expression studies, and further isotopic labeling, confirmed that ustethylin A is biosynthesized via a polyketide synthase (PKS)-related pathway. The key enzyme, polyketide synthase UttA, catalyzes the formation of the phenethyl backbone, with methylation being an essential modification step. This is followed by sequential and coordinated modifications by three oxidoreductases and an O-methyltransferase, culminating in the final production of ustethylin A. In this study, we employed chemical modification techniques to acetylate crude extracts of secondary metabolites, which enabled the determination of the chemical structure of the main product. This approach highlights an important role that chemical modification of natural products plays in advancing our understanding of secondary metabolite biosynthesis.Naturstoffe, auch bekannt als sekundäre Metabolite, sind äußerst zahlreich, insbesondere jene, die von Bakterien und Pilzen produktiert sind. Diese sekundären Metaboliten spielen eine entscheidende Rolle in Prozessen wie der Signalübertragung, dem Schutz des Lebensraums und der Hemmung von Konkurrenten. Diese ökologischen Funktionen verleihen mikrobiellen Naturstoffen enorme Bedeutung in der Arzneimittelentdeckung, der Aufdeckung neuer enzymatischer Mechanismen und den Studien von Wechselwirkungen zwischen Arten. Zwischen 1981 und 2020 waren 32 % der von der FDA zugelassenen niedermolekularen Arzneimittel entweder Naturstoffe oder deren Derivate, wobei die meisten von Mikroorganismen stammen. Unter den zahlreichen mikrobiellen sekundären Metaboliten, die isoliert und identifiziert wurden, gehören wichtige Kategorien zu Polyketiden (PKs), nicht-ribosomalen Peptiden (NRPs), Alkaloiden und Terpenen. Fortschritte in der Sequenzierungstechnologie und der Bioinformatik haben bedeutende Vorteile für das Verständnis der Biosynthese dieser Verbindungen gebracht. Polyketid-Synthasen (PKSs) und nicht-ribosomale Peptid-Synthetasen (NRPSs), die in hoch organisierten Produktionslinien funktionieren, gehören zu den in den letzten Jahren am intensivsten erforschten Enzymen. Zusammen mit vielseitigen Modifikationsenzymen wie Prenyltransferasen (PTs), flavinabhängigen Oxidoreduktasen, nicht-hämgebundenen FeII/2-Oxoglutarat-abhängigen Monooxygenasen und Cytochrom-P450-Enzymen treiben diese Systeme die Produktion einer vielfältigen Palette von sekundären Metaboliten voran. Um diese biosynthetischen Mechanismen zu entschlüsseln, verwenden Forscher fortschrittliche Bioinformatik, hochmoderne Biotechnologien und ausgeklügelte biochemische Werkzeuge, um die Gene zu untersuchen, die diese Enzyme kodieren, welche in der Regel zusammen im selben biosynthetischen Gencluster (BGC) angeordnet sind.
In Zusammenarbeit mit Dr. Liujuan Zheng, Dr. Daniel Jonathan Janzen und Dr. Yiling Yang werden in dieser Dissertation die biosynthetischen Wege von vier Metaboliten, die aus Aspergillus ustus 3.3904 stammen, aufgeklärt. Dabei war die Verfasserin dieser Dissertation hauptsächlich für die chemischen Arbeiten verantwortlich. Die Metaboliten Oxepinamine D, E und F wurden aus A. ustus 3.3904 isoliert und charakterisiert. Die Bioinformatikanalyse identifizierte zwei ähnliche, NRPS-enthaltende Gencluster, genannt opa und opa2. Der opa-Cluster ist für die Synthese von Oxepinaminen E und F verantwortlich, während der opa2-Cluster an der Produktion von Oxepinamin D beteiligt ist.
Bei der Biosynthese von Oxepinamid D baut das NRPS OpaA2 aus dem opa2-Cluster eine Chinazolinon-Kernstruktur unter Verwendung von Ant, L-Phe und L-Ala zusammen. Das P450-Enzym OpaB2, analog zu OpaB, katalysiert die Bildung des Oxepin-Rings auf spezifische und stereoselektive Weise, um das 1H-Oxepin-Oxepinamid zu erzeugen. Anschließend fügt OpaC2 eine Hydroxylgruppe an der C-3-Position hinzu, um die Bildung von Oxepinamid D abzuschließen. Sowohl OpaC2 als auch OpaC zeigen eine hohe Substratspezifität; darüber hinaus bestätigten Fütterungsexperimente mit opaB- und opaB2-Transformanten das Fehlen von Kreuzreaktionen zwischen den beiden biosynthetischen Genclustern. Darüber hinaus zeigt unsere Studie, dass die E-Domänen in OpaA und OpaA2 entscheidend für die Epimerisierung von Phenylalanin bzw. Alanin sind. Diese Epimerisierung ist ein entscheidender Schritt für die Ringerweiterung durch die Oxepinasen OpaB und OpaB2.
Zusätzlich zu den Oxepinamiden D, E und F wurde auch (−)-Protubonin B aus Aspergillus ustus isoliert und charakterisiert. Eine detaillierte Analyse eines weiteren NRPS-Genclusters deutete auf dessen Rolle bei der Biosynthese des Diketopiperazin-Derivats (−)-Protubonin B hin. Diese Hypothese wurde durch heterologe Expression des gesamten Genclusters in Aspergillus nidulans bestätigt. Nachfolgende Gen-Deletions-Experimente, kombiniert mit der strukturellen Aufklärung der Zwischenprodukte, ermöglichten die umfassende Kartierung des Biosynthesewegs von (−)-Protubonin B. Dabei wurde insbesondere die flavinabhängige Monooxygenase PboD als Schlüsselenzym identifiziert, das für die Hydroxylierung der C-3-Position des Indol-Rings und die Bildung des Pyrrolidin-Rings verantwortlich ist. Diese stereospezifische Reaktion wurde durch in vitro-Experimente mit dem rekombinanten Enzym weiter validiert. Das Zwischenprodukt, Protubonin D, wird durch die Acetyltransferasen PboB und PboC diacetyliert, wodurch das Endprodukt, (−)-Protubonin B, entsteht.
Neben den aus NRPS stammenden Verbindungen wurde aus diesem Pilz auch Ustethylin A, ein neuartiges Polyketid, isoliert und charakterisiert. Dieses hoch oxygenierte Arylaldehyd enthält eine Phenethylgruppe. Isotopenmarkierungsexperimente zeigten, dass sein Rückgrat von Malonyl-CoA stammt, wobei die Methylgruppe des Phenethylrests, die Phenylmethylgruppe und die O-Methylgruppe alle von L-Methionin abgeleitet sind. Transkriptomanalysen, kombiniert mit Gen-Deletions- und Expressionsstudien sowie weiteren Isotopenmarkierungen, bestätigten, dass Ustethylin A über einen polyketidsynthetasebezogenen (PKS) Biosyntheseweg gebildet wird. Das Schlüsselenzym, die Polyketidsynthetase UttA, katalysiert die Bildung des Phenethyl-Rückgrats, wobei die Methylierung einen wesentlichen Modifikationsschritt darstellt. Darauf folgen aufeinanderfolgende und koordinierte Modifikationen durch drei Oxidoreduktasen und eine O-Methyltransferase, die schließlich zur Produktion von Ustethylin A führen. In dieser Studie verwendeten wir chemische Modifikationstechniken, um rohe Extrakte von Sekundärmetaboliten zu acylieren, wodurch die chemische Struktur des Hauptprodukts bestimmt werden konnte. Dieser Ansatz unterstreicht die wichtige Rolle, die chemische Modifikationen von Naturstoffen bei der Erforschung der Biosynthese von Sekundärmetaboliten spielen
A novel KCNC3 gene variant in the voltage-dependent Kv3.3 channel in an atypical form of SCA13 with dominant central vertigo
No full textPotassium channel mutations play an important role in neurological diseases, such
as spinocerebellar ataxia (SCA). SCA is a heterogeneous autosomal-dominant
neurodegenerative disorder with multiple sub-entities, such as SCA13, which is
characterized by mutations in the voltage-gated potassium channel Kv3.3 (KCNC3). In
this study, we present a rare and atypical case of SCA13 with a predominant episodic
central rotational vertigo, while the patient suffered only from mild progressive
cerebellar symptoms, such as dysarthria, ataxia of gait and stand, and recently a
cognitive impairment. In this patient, we identified a heterozygous variant in KCNC3
(c.2023G> A, p.Glu675Lys) by next-generation sequencing. This Kv3.3E675K variant
was studied using voltage-clamp recordings in Xenopus oocytes. While typical
SCA13 variants are dominant-negative, show shifts in the voltage-dependence of
activation or an altered TBK1 regulation, the Kv3.3E675K variant caused only a reduction
in current amplitude and a more pronounced cumulative inactivation. Thus, the
differences to phenotypes observed in patients with classical SCA13 mutations may
be related to the mechanism of the observed Kv3.3 loss-of-function. Treatment of
our patient with riluzole, a drug that is known to also activate potassium channels,
turned out to be partly beneficial. Strikingly, we found that the Kv3.3 and Kv3.3E675K
inactivation and the frequency-dependent cumulative inactivation was antagonized
by increased extracellular potassium levels. Thus, and most importantly, carefully
elevated plasma potassium levels in the physiological range, or novel drugs attenuating
Kv3.3 inactivation might provide novel therapeutic approaches to rescue potassium
currents of SCA13 variants per se. In addition, our findings broaden the phenotypic
spectrum of Kv3.3 variants, expanding it to atypical phenotypes of Kv3.3-associated
neurological disorders.Gefördert durch den Open-Access-Publikationsfonds der UB Marburg