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Evaluating the PISA sampling design by stratification schemes and weighting procedures in hierarchical modelling
Get PDFThe Programme for International Student Assessment (PISA) is an important assessment tool. As a worldwide monitoring study of basic educational competencies of fifteen-year-old students, it allows to conclude education systems, long-term educational investments and identify educational development and referred changes in time. In PISA, a state-of-the-art sampling design acknowledged by the scientific community is applied (Rutkowski et al., 2013). As this complex sampling design must be accounted for in the study's analyses, statistical techniques, and procedures were developed. To evaluate improving alternatives in the complexity of these methods, it is essential to constantly conduct theoretical considerations and associated simulation studies (Boulesteix et al., 2020). In this dissertation, two PISA-sampling-related topics were examined in detail. New derived suggestions for substantial improvements to the PISA sampling design were built based on these findings. Both studies presented in this dissertation look at sampling-related concepts (both model groups of sampling units), i.e., weighting in hierarchical linear models and stratification in the PISA sampling process. Those concepts must be correctly represented in analyses to avoid biased standard error estimators.
In the first study, we determine under theoretical consideration and simulation which stratification scheme is best for PISA in Germany. Thus, we examine seven different stratification designs – selected according to scenarios used in past large-scale assessment studies in Germany – and theoretical, new devised approaches for future implementations. As a result of this examination, we recommend a stratification of grouped German federal states and designs using school types as explicit and federal states as implicit stratifiers.
In the second study, we identify the best utilisation of sampling weights in hierarchical linear modelling based on theoretical considerations and simulative results. We examine nine different weighting designs. The selected sampling scenarios are based on framing approaches to explain required weighting in hierarchical modelling, settings promoted in the literature and theoretical, new devised considerations for future implementations. We consider different estimation, optimization, acceleration methods, and approaches to using sampling weights. The results reveal three weighting approaches performing best in retrieving the true population parameters. One implies using only level two weights (here: final school weights). Due to its simple implementation, it is the most favorable one.Das Programme for International Student Assessment (PISA) ist als weltweite Beobachtungs-Studie der Grundkompetenzen 15-jähriger Schüler:innen ein sehr wichtiges Bewertungsinstrument, um Schlüsse über Bildungssysteme und langfristige Bildungsinvestitionen zu ziehen sowie um Bildungsentwicklungen im Zeitverlauf zu ermitteln. Bei PISA wird ein wissenschaftlich fundiertes und anerkanntes Stichprobendesign angewandt (Rutkowski et al., 2013). Da dieses komplexe Stichprobendesign auch in den Auswertungsmethoden der Studie berücksichtigt werden muss, wurden vielfach zitierte Analysetechniken und -verfahren entwickelt. Um diese komplexen Methoden regelmäßig zu überprüfen und gegebenenfalls zu verbessern, ist es wichtig, wiederholt theoretische Weiterentwicklungen und entsprechende Überprüfung durch Simulationsstudien durchzuführen (Boulesteix et al., 2020). In dieser Dissertation werden zwei PISA-Stichprobenverfahren näher untersucht. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse werden neue Vorschläge für wesentliche Verbesserungen des PISA-Stichprobendesigns abgeleitet. Beide Studien befassen sich
mit stichprobenbezogenen Konzepten. Im Speziellen sind dies Gewichtungen in hierarchischen linearen Modellen und Stratifizierungsverfahren der PISA-Stichprobe. Es ist von großer Bedeutung, dass sie in den Analysen korrekt dargestellt werden, um verzerrte Standardfehlerschätzer zu vermeiden.
In der ersten Studie untersuchen wir Theorie geleitet und mit einem simulativen Ansatz, welches Stratifikationsschema für PISA in Deutschland am besten ist. Dazu untersuchen wir sieben verschiedene Stratifikationsdesigns – ausgewählt auf der Grundlage von Szenarien, welche in vergangenen large-scale assessment Studien in Deutschland verwendet wurden – sowie theoretische und neu entwickelte Überlegungen für zukünftige Implementierungen. Als Ergebnis dieser Studie empfehlen wir eine Stratifizierung von gruppierten Bundesländern sowie Szenarien, die lediglich Schulformen als explizite und zusätzlich Bundesländer als implizite Stratifizierung verwenden.
In der zweiten Studie ermitteln wir auf Grundlage theoretischer Überlegungen und simulativer Ergebnisse die beste Anwendung von Stichprobengewichte in hierarchischen linearen Modellen. Wir betrachten neun verschiedene Ansätze zur Verwendung dieser Gewichte. Die ausgewählten Stichprobenszenarien basieren auf Rahmenansätzen zur Erklärung der erforderlichen Gewichtung in der hierarchischen Modellierung, auf in der Literatur zitierten Verfahren und auf theoretischen, neu entwickelten Überlegungen für zukünftige Implementierungen. Wir betrachten verschiedene Schätzmethoden, inklusive dreier Simulationsszenarien und zweier Softwarepakete zur hierarchischen Modellierung. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass drei Gewichtungsansätze am besten geeignet sind, um die wahren Populationsparameter zu schätzen. Einer von ihnen beinhaltet nur die Verwendung von Gewichten der Ebene zwei (hier: Gewichte der Schulebene) und ist aufgrund seiner einfachen Umsetzung die Variante, die zu präferieren ist
Transcription-coupled repair of DNA-protein crosslinks
Get PDFDNA is a naturally fragile molecule that is intrinsically susceptible to damage. A huge variety of endogenous and exogenous insults can challenge DNA integrity; therefore, specialized DNA repair pathways operate in cells to ensure genome stability. DNA-protein crosslinks (DPCs) are particularly toxic DNA lesions that, due to their bulky nature, can interfere with every chromatin process such as replication and transcription. In the last decade, a multitude of general and dedicated mechanisms have been identified to be involved in DPC resolution. It has been shown that when a DPC blocks replication, proteolytic degradation of the crosslinked protein is required to allow fork resumption. DPCs can also hamper RNAPII progression, however how cells respond to DPCs-dependent transcription blockage is unknown.
In this study we uncovered that DPCs induced by formaldehyde (FA) shut down transcription and induce degradation of RNA polymerase II (RNAPII). DPC induction by FA treatment triggers the recruitment of the upstream transcription-coupled NER (TC-NER) factors CSB and CSA to stalled RNAPII. Accordingly, CSB and CSA provide resistance towards DPCs-inducing agents and their loss impairs efficient transcription recovery after FA treatment. Conversely, TC-NER factors acting downstream of CSB and CSA are not required for transcription resumption upon FA treatment. In addition, genetic data suggest that CSB promotes DPC tolerance in parallel to and independently of already known DPC repair factors.
Lastly, using our newly established DPC-sequencing (DPC-seq) assay for the genome-wide mapping of DPCs, we discovered that CSB specifically promotes DPC repair in actively transcribed genes. Therefore, this study provides the first evidence for the existence of a CSB-dependent specialized transcription-coupled DPC repair pathway
Intrinsic determinants of axon pruning
Get PDFDevelopmental neuronal remodeling includes loss of axon branches or dendritic spines and is essential to shape neural circuits. The cytoskeleton plays a central role in this process, as branch-specific microtubule loss is an early indicator of axon dismantling. The underlying regulatory mechanisms driving these cytoskeletal re-arrangements are partially mediated by the microtubule severase Spastin's recruitment to polyglutamylated microtubules. However, whether polyglutamylation plays an instructive role during synapse elimination remains elusive. Here, we show that the enzymes responsible for the removal and addition of polyglutamylation, deglutamylases (CCP), and glutamylases (TTLL), rheostatically regulate pruning through Spastin-mediated severing of microtubules.
Motor neurons lacking CCP1/6 accelerate axon dismantling, while the deletion of TTLL1, a chain-elongating glutamylase on alpha-tubulin, delayed the remodeling of both PNS and CNS. Surprisingly, deleting TTLL7, which ‘seeds’ the first glutamate residue to beta-tubulin tails, did not affect polyglutamylation or pruning, which suggests a functional divergence of glutamylses to selectively modify either of the tubulin dimers. Further measurements of polyglutamylation, microtubule mass, and dynamics corroborate the predicted branch-specific regulation of microtubule stability. However, axon pruning outcome might be achieved through different modalities downstream of the two enzyme families: CCP1/6 deletion mainly affected MT dynamics of young motor axons, while our preliminary ultrastructural analysis hints that TTLL1 might affect organelle redistribution along the axon. My data further show that synaptic activity coordinates glutamylases and deglutamylases since blocking neurotransmission to simulate punishment signals reduces microtubule mass and modulates polyglutamylation, similary to CCP1/6 deletion. Indeed, polyglutamylation levels are reestablished to wild-type levels when the effector, Spastin, is also absent in motor axons.
Thus, the ‘tubulin code,’ by endowing the microtubule scaffold with specific and local functionality, could control morphogenic events during the nervous system development through mechanisms conserved across the central and peripheral nervous systems. Future work will focus on finding parallels between physiological axonal pruning and neurodegeneration, as CCP1 mutations are linked to human infantile-onset neurodegeneration and affect the cerebellum, spinal motor neurons, and peripheral nerves. Our data show that adult mice lacking functional CCP1/6 in motor neurons present axonal swellings and display axonal transport defects. Consequently, these degenerating neurons have impaired organelle trafficking and accumulate mito-lysosomes in distal axons.
In conclusion, our findings highlight the importance of elucidating the molecular underpinnings of polyglutamylation and its effects on axon stability during physiological and disease-related remodeling
Role of TGF-β/SMAD4/c-MYC-regulated NLE1 in tumor growth and liver metastasis of colorectal cancer
Get PDFTGF-β signaling plays an essential role in colorectal cancer (CRC) progression. Patients frequently suffer from mutations in the TGFBR2 gene or deletions of SMAD4. These mutations correlate with a poorer survival rate in CRC patients. How these genetic changes contribute to tumor growth and metastatic spread is not fully understood. Thus, an in-depth analysis of the gene expression profiles of CRC patients acquiring a SMAD4 deletion could help to identify new therapeutic options.
Here, we used the CRISPR/Cas9 approach to introduce a deletion of SMAD4 in patient-derived tumor organoids (PDTOs) and investigate their effect on the gene expression profile when exposed to a TGF-β-rich environment. Thereby, we could observe that SMAD4-deficient PDTOs acquire an enrichment in the expression of c-MYC target genes and human colonic stem cell gene sets. Only 11 of the 284 deregulated genes (FBL, GINS2, IFITM3, LSM6, MYC, NAT10, NLE1, POLR3K, PRMT1, PSMG4, RRP1) confer an advantage for tumor cell fitness according to DepMap. Four of these genes (FBL, NAT10, NLE1, RRP1) are part of ribosome biogenesis. They might contribute to the increased protein biosynthesis levels observed in advanced CRC. Since the role of NLE1 in the progression of CRC is not fully understood, we decided to focus our studies on the regulation and function of NLE1 in CRC.
We found that NLE1 expression was upregulated upon SMAD4 loss in TGF-β-exposed PDTOs and that c-MYC can bind to the promoter of NLE1. Thereby, c-MYC prevents TGF-β-mediated downregulation of NLE1. Furthermore, NLE1 levels were higher in different CRC cohorts than in normal tissues and significantly enriched in Wnt/MYC CRC molecular subtypes. After the deletion of NLE1 in different CRC cell lines and PDTOs, we could observe an apparent reduction in de novo protein biosynthesis rates. In accordance, the deletion of NLE1 also resulted in slower proliferation kinetics, reduced colony formation, and less anchorage-independent growth in CRC cell lines. Moreover, NLE1 knockout cells showed higher levels of apoptosis, a reduced migratory/invasive capacity, and underwent cell cycle arrest and apoptosis. In the case of PDTOs, smaller organoid sizes and reduced clonogenicity during the loss of NLE1 were observed. This phenotype was also reflected in an endoscopy-guided orthotopic mouse transplantation model. Primary tumors lacking NLE1 expression were smaller than NLE1 wild-type derived tumors, and the affected animals showed less metastatic burden in the liver. As a downstream effect, NLE1-deficient cells showed activation of p38/MAPK, accumulation of p62- and LC3-positive structures, which defines impaired autophagy, and higher ROS levels. Furthermore, deletion of NLE1 in TP53 proficient cancer and normal human colonic epithelial cells led to cell cycle arrest rather than apoptosis, and NLE1 mRNA levels predicted relapse-free survival in CRC patients.
In summary, we could show that a TGF-β/SMAD4/c-MYC axis regulates NLE1 and represents a limiting factor for de novo protein biosynthesis and the tumorigenic potential of advanced CRC. To which extent therapeutic targeting of NLE1 can be used as a treatment of CRC in a clinical setting warrants further investigation.
TGF-β signaling plays an essential role in colorectal cancer (CRC) progression. Patients frequently suffer from mutations in the TGFBR2 gene or deletions of SMAD4. These mutations correlate with a poorer survival rate in CRC patients. How these genetic changes contribute to tumor growth and metastatic spread is not fully understood. Thus, an in-depth analysis of the gene expression profiles of CRC patients acquiring a SMAD4 deletion could help to identify new therapeutic options.
Here, we used the CRISPR/Cas9 approach to introduce a deletion of SMAD4 in patient-derived tumor organoids (PDTOs) and investigate their effect on the gene expression profile when exposed to a TGF-β-rich environment. Thereby, we could observe that SMAD4-deficient PDTOs acquire an enrichment in the expression of c-MYC target genes and human colonic stem cell gene sets. Only 11 of the 284 deregulated genes (FBL, GINS2, IFITM3, LSM6, MYC, NAT10, NLE1, POLR3K, PRMT1, PSMG4, RRP1) confer an advantage for tumor cell fitness according to DepMap. Four of these genes (FBL, NAT10, NLE1, RRP1) are part of ribosome biogenesis. They might contribute to the increased protein biosynthesis levels observed in advanced CRC. Since the role of NLE1 in the progression of CRC is not fully understood, we decided to focus our studies on the regulation and function of NLE1 in CRC.
We found that NLE1 expression was upregulated upon SMAD4 loss in TGF-β-exposed PDTOs and that c-MYC can bind to the promoter of NLE1. Thereby, c-MYC prevents TGF-β-mediated downregulation of NLE1. Furthermore, NLE1 levels were higher in different CRC cohorts than in normal tissues and significantly enriched in Wnt/MYC CRC molecular subtypes. After the deletion of NLE1 in different CRC cell lines and PDTOs, we could observe an apparent reduction in de novo protein biosynthesis rates. In accordance, the deletion of NLE1 also resulted in slower proliferation kinetics, reduced colony formation, and less anchorage-independent growth in CRC cell lines. Moreover, NLE1 knockout cells showed higher levels of apoptosis, a reduced migratory/invasive capacity, and underwent cell cycle arrest and apoptosis. In the case of PDTOs, smaller organoid sizes and reduced clonogenicity during the loss of NLE1 were observed. This phenotype was also reflected in an endoscopy-guided orthotopic mouse transplantation model. Primary tumors lacking NLE1 expression were smaller than NLE1 wild-type derived tumors, and the affected animals showed less metastatic burden in the liver. As a downstream effect, NLE1-deficient cells showed activation of p38/MAPK, accumulation of p62- and LC3-positive structures, which defines impaired autophagy, and higher ROS levels. Furthermore, deletion of NLE1 in TP53 proficient cancer and normal human colonic epithelial cells led to cell cycle arrest rather than apoptosis, and NLE1 mRNA levels predicted relapse-free survival in CRC patients.
In summary, we could show that a TGF-β/SMAD4/c-MYC axis regulates NLE1 and represents a limiting factor for de novo protein biosynthesis and the tumorigenic potential of advanced CRC. To which extent therapeutic targeting of NLE1 can be used as a treatment of CRC in a clinical setting warrants further investigation.Der TGF-β Signalweg spielt eine zentrale Rolle bei der Entstehung von Darmkrebs. Häufig zeigen Patienten Mutationen im TGFBR2 Gen oder Deletionen von SMAD4. Diese Mutationen korrelieren mit einer schlechten Überlebensrate von Darmkrebspatienten. Wie diese genetischen Veränderungen zum Tumorwachstum und zur Ausbreitung von Metastasen beitragen, ist bisher nicht vollständig verstanden. Daher könnte eine umfassende Analyse der Genexpressionsprofile von Darmkrebspatienten, die eine SMAD4-Deletion erwerben, helfen, neue therapeutische Ansätze zu identifizieren.
Zunächst wurde mittels CRISPR/Cas9 eine Deletion von SMAD4 in Patienten-abgeleiteten Tumororganoiden (PDTOs) eingeführt, um dann ihre Wirkung auf das Genexpressionsprofil zu untersuchen, wenn sie einer TGF-β reichen Umgebung ausgesetzt sind. Dabei konnten wir beobachten, dass SMAD4-defiziente PDTOs eine Anreicherung für c-MYC-Zielgene und humane Kolonstammzellgene erwerben. Interessanterweise zeigten nur 11 der 284 deregulierten Gene (FBL, GINS2, IFITM3, LSM6, MYC, NAT10, NLE1, POLR3K, PRMT1, PSMG4, RRP1) einen Vorteil für die Fitness von Tumorzellen. 4 dieser Gene (FBL, NAT10, NLE1, RRP1) sind Teil der Ribosomenbiogenese und könnten zu einer erhöhten Proteinbiosynthese beitragen, die bei fortgeschrittenem Darmkrebs beobachtet wird. Da die Rolle von NLE1 beim Fortschreiten von Darmkrebs noch nicht vollständig geklärt ist, hatten wir uns entschlossen, unseren Fokus daraufzulegen.
Dabei fanden wir heraus, dass die Expression von NLE1 nach SMAD4 Verlust in TGF-β-exponierten PDTOs hochreguliert wurde und dass c-MYC in der Lage ist, an den Promotor von NLE1 zu binden. Dadurch verhindert c-MYC das TGF-β-vermittelte Herunterregeln von NLE1. Darüber hinaus war die Expression von NLE1 in verschiedenen Kohorten von Darmkrebspatienten höher im Vergleich zu Normalgewebe und insbesondere in Wnt/MYC Subgruppen von Darmkrebspatienten angereichert. Nach Deletion von NLE1 in verschiedenen kolorektalen Krebszelllinien und PDTOs konnten wir eine deutliche Reduktion der de-novo-Proteinbiosyntheseraten beobachten. Dementsprechend führte die Deletion von NLE1 auch zu einer langsameren Proliferationskinetik, weniger Koloniebildung und weniger verankerungsunabhängigem Wachstum in kolorektalen Krebszelllinien. Darüber hinaus zeigten NLE1-defiziente Zellen verstärkt Apoptose, eine geringere Migrations-/Invasionskapazität und einen Stillstand des Zellzyklus. Bei den PDTOs wurde eine kleinere Organoidgröße und eine verringerte Klonogenität nach Verlusts von NLE1 beobachtet. Dieser Phänotyp spiegelte sich auch in einem Endoskopie-gestützten orthotopen Maustransplantationsmodell wieder. Primärtumore von NLE1-defizienten Zellen waren im Vergleich zu Tumoren, die vom NLE1 Wildtyp Zellen stammten, kleiner und zeigten auch eine geringere Fähigkeit zur Ausbildung von Metastasen in der Leber. Des Weiteren zeigten NLE1-defiziente Zellen eine Aktivierung von p38/MAPK, eine Akkumulation von p62- und LC3-positiven Strukturen, was eine beeinträchtigte Autophagie definiert, und vermehrt oxidativen Stress. Darüber hinaus führte die Deletion von NLE1 in TP53 Wildtyp Krebs- und normalen menschlichen Dickdarmepithelzellen eher zu einem Zellzyklusstillstand als zu Apoptose, und die NLE1 mRNA Expression prognostizierte ein Rezidiv-freies Überleben bei Darmkrebspatienten.
Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass NLE1 durch eine TGF-β/SMAD4/c-MYC-Achse reguliert wird und ein limitierender Faktor für die de-novo-Proteinbiosynthese und das tumorogene Potenzial von fortgeschrittenem Darmkrebs darstellt. Inwieweit eine Blockierung von NLE1 als therapeutischer Ansatzpunkt im Darmkrebs dienen kann, müssen weitere Studien erst noch zeigen
Epstein-Barr-Virus Status bei Neudiagnose einer chronisch entzündlichen Darmerkrankung im Kindes- und Jugendalter und Serokonversion im Verlauf
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Disstress und Asthmasymptome bei Lehrkräften aus dem ländlichen und städtischen Bolivien
Get PDFHintergrund: In Anbetracht der vielen Lebenszeit, die der Mensch an seinem Arbeitsplatz verbringt, interessiert der arbeitsbedingte Disstress (negativer Stress) als Risikofaktor für die multifaktorielle Genese des Asthmas besonders. Ziel der hiesigen Arbeit war es, die Assoziation von Disstress am Arbeitsplatz Schule mit dem Asthmavorkommen zu untersuchen sowie die Beschreibung der Unterschiede zwischen Land und Stadt.
Methodik: Im Herbst 2015 wurden 379 Lehrkräfte (Response 58%) aus 57 mittels Zufallsprinzip ausgewählten Schulen aus Sucre und aus der ländlichen Region Chuquisacas, Bolivien befragt. In dem 17-seitigen Fragebogen wurden soziodemographische Merkmale, Beschäftigungsmerkmale, Arbeitsbedingungen, psychische und physische Gesundheit anonymisiert abgefragt. Untersucht wurde der Zusammenhang zwischen psychosozialen Faktoren und Asthma mittels logistischer Regressionsmodelle.
Ergebnisse: 17% (42 Frauen, 20 Männer) der Lehrkräfte berichteten über Asthma bronchiale. Der Land-Stadt-Vergleich zeigte, dass Lehrkräfte auf dem Land häufiger einem Ungleichgewicht zwischen geforderter Verausgabung und Belohnungen (ERI höchstes Quartil Land 33 % vs. Stadt 15 %; pchi2<0,001) ausgesetzt waren und vermehrt Mobbing (Land 28% vs. Stadt 13%; pchi2=0,001) erfuhren als ihre Kolleg*innen an städtischen Schulen. Vermehrte Mobbingerfahrung (OR: 1,72; 95 %-CI: 0,89-3,35) und eine geringe Arbeitsplatzsicherheit (OR: 1,96; 95 %-CI: 1,09-3,55) waren mit der Asthmaprävalenz assoziiert.
Schlussfolgerung: Mobbing und geringe Arbeitsplatzsicherheit als arbeitsplatzbedingter Disstress hat einen negativen Einfluss auf die Asthmaprävalenz, wobei in Ländern des globalen Südens die ländlichen Regionen noch benachteiligter sind. Der Einfluss von Disstress auf chronische Erkrankungen wie Asthma sollte weiter untersucht werden, mit Rücksicht auf regionale Unterschiede, und künftig in präventiven oder therapeutischen Ansätzen berücksichtigt werden