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Elastische Konstanten von Architekturgeweben zu Bemessungszwecken
Get PDFArchitectural tensile surface structures – often made from coated woven fabrics – carry external loads only by activating tensile stress in the membrane plane, typically in the form of biaxial stress states. One important and challenging aspect of structural fabric analysis is the determination of stiffness parameters that sufficiently model the stress-strain behaviour for these stress states. The particular difficulty is that coated woven fabrics exhibit very complex stiffness behaviour. In general, it is nonlinear, nonelastic and considerably anisotropic. Nevertheless, current membrane structure design practice is based on a simplified orthotropic linear-elastic plane stress relationship, where the elastic constants are “tensile modulus” and “Poisson’s ratio”. The elastic constants must be determined for each material using biaxial tensile tests.
The intention of the present work is to develop principles for determining elastic constants that closely approximate the actual fabric stress-strain response for any fabric structure and all common types of coated woven fabrics. The focus lies on the most commonly utilised materials: PVC coated polyester fabrics and PTFE coated glass fibre fabrics.
The foundation of the present work is a comprehensive survey of the structural behaviour of all types of membrane structures – anticlastic, synclastic and plane – as well as of the stiffness properties of coated woven fabrics for architectural applications. Discussion of the mechanical background to the constitutive law for orthotropic linear-elastic plane stress provides the frame of application for elastic constants, particularly in relation to the boundaries of the Poisson’s ratios. An analysis of internationally established biaxial test and evaluation procedures identifies the strengths and weaknesses of current practice. Gaps in knowledge are closed with experimental investigation into the full range of commonly used architectural fabrics.
Combining all insights, principles for refined biaxial test and evaluation procedures are stated with the objective of determining elastic constants for design purposes. As a basic principle, procedures for anticlastic structures and for synclastic or plane structures are developed separately. Their commonality lies in the fact that they are based on what is defined as the stable state of the fabric. Using stable state elastic constants makes it possible to calculate with the nominal prestress in the fabric structure analysis.
Example application of the refined procedures illustrates that deviations between the measured and calculated strain on a specific evaluation stress level are low throughout. This is striking evidence that linear elastic constitutive law can actually be very useful in approximating the stress-strain behaviour of all common PVC coated polyester fabrics and PTFE coated glass fibre fabrics.Membrantragwerke – häufig hergestellt aus beschichteten Geweben – tragen ex-terne Lasten nur durch Zugspannungen in der Membranebene ab, typischerweise in Form von biaxialen Spannungszuständen. Ein wichtiger und herausfordernder Aspekt der Tragwerksberechnung ist die Bestimmung von Steifigkeitsparametern, die das Spannungs-Dehnungs-Verhalten der Gewebe in diesen Spannungszuständen in geeigneter Weise modellieren. Dies gestaltet sich für beschichtete Gewebe wegen ihres sehr komplexen Steifigkeitsverhaltens äußerst schwierig. Im Allgemeinen verhalten sich Gewebe nichtlinear, nichtelastisch und deutlich anisotrop. Gleichwohl basiert die aktuelle Membranbaupraxis auf einem vereinfachten orthotropen, linear-elastischen, ebenen Materialgesetz, das auf den elastischen Konstanten “Ver-formungsmodul” und Querkontraktionszahl beruht. Die elastischen Konstanten müssen für jedes Material in biaxialen Zugversuchen bestimmt werden.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung von Prinzipien zur be-messungsorientierten Bestimmung elastischer Konstanten derart, dass sie das tatsächliche Spannungs-Dehnungs-Verhalten von allen üblichen Architekturgeweben für alle Tragwerksformen gut approximieren. Der Fokus liegt dabei auf den gebräuchlichsten Produkten: PVC-beschichtete Polyestergewebe und PTFE-be¬schichtete Glasfasergewebe.
Das Fundament der vorliegenden Arbeit ist sowohl eine umfassende Studie des Tragverhaltens aller typischen Membranbauformen – antiklastisch, synklastisch und eben – als auch der Steifigkeitseigenschaften der Architekturgewebe. Eine Erörter-ung des mechanischen Hintergrunds zum orthotropen, linear-elastischen Material-gesetz bei Anwendung auf den ebenen Spannungszustand liefert die Randbe-dingungen für die Anwendung der elastischen Konstanten, besonders im Bezug auf Grenzwerte für die Querkontraktionszahlen. Eine Analyse internationaler Biax-Versuchs- und Auswerteprozeduren identifiziert die Stärken und Schwächen der aktuellen Praxis. Vorhandene Wissenslücken werden durch experimentelle Unter-suchungen an der ganzen Bandbreite der gebräuchlichen Gewebetypen für die tex-tile Architektur geschlossen.
Aus der Kombination aller Erkenntnisse werden Prinzipien für fundierte Biax-Versuchs- und Auswerteprozeduren abgeleitet. Das Ziel ist die Bestimmung von elastischen Konstanten, die als Eingangsparameter in der Bemessung dienen. Grundsätzlich wird zwischen Prozeduren für antiklastische und synklastische bzw. ebene Strukturen unterschieden. Beiden ist allerdings gemein, dass sie den “einge-spielten Zustand eines Gewebes” nutzen. Erst die Nutzung von elastischen Konstanten im eingespielten Zustand ermöglicht es, die Strukturberechnungen auf den nominellen Vorspannungszustand zu gründen.
Beispielhafte Anwendungen der weiterentwickelten Prozeduren verdeutlichen, dass die Abweichungen zwischen gemessenen und berechneten Dehnungen auf einem zuvor für die Auswertung definierten Spannungshorizont durchweg klein sind. Dies zeigt eindrucksvoll, dass das linear-elastische Materialgesetz durchaus sehr geeignet ist, auch das Spannungs-Dehnungs-Verhalten aller typischen PVC-beschichteten Polyester- und PTFE-beschichteten Glasfasergewebe zu beschreiben
Knowledge of writing literacy of children with a Turkish language background at the end of primary school. An empirical study on how school and parents cope with problems in learning to read and write .
No full textDer Stand der schriftsprachlichen Kompetenzen von Kindern nichtdeutscher Herkunftssprache ist gut erforscht. Sie werden in Schulleistungsuntersuchungen überprüft und mit bestimmten individuellen oder familiären Merkmalen in Verbindung gebracht. Die Bildungsbenachteiligung dieser Schülergruppe lässt sich an den Schuldaten ablesen. Die sprachlichen Kompetenzen, die die Kinder benötigen, um den ersten schulischen Übergang erfolgreich meistern zu können, sind in den Bildungsstandards für die Grundschule genau definiert. Nicht zuletzt hat die Inklusion ein größeres Verständnis für die Heterogenität der Schülerschaft hervorgebracht. Trotz der Erfassung der sprachlichen Defizite bei einem großen Teil der Kinder nichtdeutscher Sprache blieb unerforscht, wie Schule und Familie mit Schwierigkeiten im Erlernen des Lesens und Schreibens bei zweisprachig aufwachsenden Kindern umgehen.
Für diese Studie wurden Kinder ausgewählt, die Probleme im schriftsprachlichen Bereich in der deutschen Sprache haben und untersucht, welche Maßnahmen Familie und Schule unternommen haben, um den Bildungserfolg des Kindes zu gewährleisten oder sprachliche Mängel auszugleichen. Eltern mit Migrationshintergrund weisen eine hohe - jedoch realistische -Bildungsaspiration auf und bereiten ihr Kind größtenteils sprachlich auf die Schule vor. Sie können die sprachlichen Fertigkeiten ihres Kindes im Einklang mit den schulischen Anforderungen einschätzen und sind sich bewusst, welche Unterstützung ein Kind benötigt. Sie leiten oft außerschulische Maßnahmen ein, um den schulischen Erfolg ihres Kindes zu sichern. Die Bemühungen der Eltern münden nicht im Bildungserfolg des Kindes.
Die Schule bleibt trotz weiterhin wachsenden Zahlen von zweisprachig aufwachsenden Kindern ihrem monolingualen Prinzip treu. Der spezielle Unterrichtsbedarf dieser Schülergruppe findet weder im Schulkonzept noch im Schulalltag angemessen Berücksichtigung. Kinder nichtdeutscher Herkunftssprache mit schwachen Lese- oder Rechtschreibkompetenzen werden nicht immer als „förderbedürftig“ angesehen, erhalten nicht alle Förderunterricht und werden teilweise „milde“ benotet. Die Benotung hängt vom Unterrichtsverhalten der Kinder ab. Im Förderunterricht ergriffene Maßnahmen sind uneffektiv, da sie nicht dem Stärke-Schwäche-Profil der Kinder entsprechen, obwohl die Lehrerinnen und Lehrer durchaus imstande sind, die sprachlichen Kompetenzen der Kinder einzuschätzen.The prior written language skills of children with a non-German language background are well researched. They are reviewed in programs for international student assessment and linked to certain individual or family characteristics. The educational disadvantage of this group of students is evident in the school data. The linguistic skills, which children need to master the first school transition successfully, are precisely defined in the educational standards for primary schools. Finally, the inclusion has produced a greater understanding of the heterogeneity of the student body. Despite the acquisition of linguistic deficits in a large proportion of children with a non-German language background, it remained unexplored, how schools and families deal with difficulties bilingual children have in learning to read and write.
This study examines the actions family and school have taken to ensure the educational success of the child or compensate linguistic shortcomings, therefore children having problems with German written language skills were selected. Parents with an immigrant background have high - but realistic - educational ambitions and mostly provide pre school linguistic preparation for their child.They are able to estimate the linguistic skills of their child in accordance with school requirements and are aware of the support, a child needs. They often initiate extracurricular measures to ensure the academic success of their child. The efforts the parents make, do not result in the formation of the child's educational success.
The school remains faithful to their monolingual principle despite increasing figures of children growing up bilingually. The special education needs of this student group is not adequately addressed - neither in school’s everyday life nor in school concepts. Educational assistance is not always considered necessary for children of non-German language origin with weak reading or spelling skills. Furthermore they do not all get remedial education, instead partially getting "mildly" graded. The rating depends on the classroom behaviour of the children. Measures taken in remedial education are ineffective since they do not correspond to the strength - weakness profile of the children, although the teachers are quite capable of assessing the language skills
Auswirkung einer postovulatorischen Alterung auf molekulare Parameter und die Entwicklungskompetenz muriner Oozyten
No full textDie postovulatorische Alterung wird durch eine verzögerte Fertilisation nach der Ovulation hervorgerufen und führt zu einem zeitabhängigen Qualitätsverlust der Oozyte. Dieser macht sich durch eine verringerte Fertilisations- und Implantationsrate, ausgelöst durch verschiedene veränderte zelluläre Prozesse, bemerkbar (Miao et al. 2009). Ziel dieser Arbeit war es, molekulare Parameter der postovulatorisch gealterten Oozyte sowie daraus resultierender 2-Zell-Embryonen weitergehend zu analysieren.
Zunächst wurde durch qRT-PCR der Poly(A)-Anteil von 11 Maternaleffektgenen nach postovulatorischer Alterung untersucht. Dabei konnte festgestellt werden, dass nach 24 h Alterung der Poly(A)-Schwanz von 6 maternalen Effektgenen im Vergleich zu Kontroll-Oozyten signifikant verkürzt war. Um diese Reduktion zu validieren und quantifizieren, wurde ein extension Poly(A) Test etabliert welcher die exakte Länge des Poly(A)-Schwanzes eines Transkripts misst. Dieser Test wurde repräsentativ für die Gene Dnmt1 und Zar1 durchgeführt. Dabei konnte für Dnmt1 eine Deadenylierung und für Zar1 keine Änderung der Länge des Poly(A)-Schwanzes nach 24 h postovulatorischer Alterung nachgewiesen werden. Diese Versuchsergebnisse bestätigten die Resultate der qRT-PCR und zeigten zudem, dass eine postovulatorische Alterung Einfluss auf die Poly(A)-Schwanzlänge von Maternaleffektgenen hat. Außerdem wurde durch immunhistologische Methoden eine signifikante Abnahme der Trimethylierung am H3K9 nach postovulatorischer Alterung ermittelt.
Um zu untersuchen, ob die postovulatorische Alterung auch einen Effekt auf die frühe embryonale Entwicklung hat, wurden IVF Studien mit gealterten Oozyten durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass nach 4, 6 und 8 h postovulatorischer Alterung keine Veränderungen in der relativen Anzahl an 2-Zell-Embryonen im Vergleich zu den Kontrollen detektiert werden konnten. Allerdings wurde durch mikroskopische Analysen festgestellt, dass die Anzahl an 2-Zell-Embryonen mit sichtbaren Spermien im perivitellinen Raum nach 8 h postovulatorischer Alterung im Vergleich zu den Kontrollen signifikant erhöht war. Dies deutet auf eine veränderte Struktur der Zona pellucida nach postovulatorischer Alterung hin.
Die Analyse der zygotische Genomaktivierung (ZGA) in 2-Zell-Embryonen zeigte, dass eine postovulatorische Alterung von 4 h zu einer vorzeitigen ZGA führte, während nach 6 und 8 h Alterung eine signifikant verzögerte ZGA auftrat.
Zusammenfassend zeigen die Befunde der vorliegenden Arbeit, dass eine postovulatorische Alterung von Oozyten zu deutlichen molekularen Veränderungen in der Oozyte sowie auch in den daraus resultierenden Embryonen führt. Dies könnte schwerwiegende Folgen für die weitere Entwicklung des Embryos haben.Postovulatory aging occurs if fertilization of the ovulated oocyte is delayed. During this delay, unfertilized oocytes undergo a time-dependent deterioration in quality, which results in lower fertilization- and implantation rates. The molecular mechanisms causing this decrease in oocyte competence comprises cell degradation including oxidative stress, chromosome anomalies and epigenetic changes (Miao et al. 2009). The aim of this study was to analyze molecular parameters of postovulatory aged oocytes and effects on their development to 2-cell embryos.
For this, the poly(A)-content of 11 maternal-effect genes was investigated after postovulatory aging by qRT-PCR. Shortening of the poly(A)-tail was observed for 6 maternal-effect genes after 24 h postovulatory aging compared to controls. In order to validate this reduction, an extension poly(A) test was established to measure the exact lengths of the poly(A)-tails of the two representative maternal-effect genes Dnmt1 and Zar1. A reduction of poly(A)-tail length was observed for Dnmt1 whereas no changes in poly(A)-tail length for Zar1 were seen after 24 h postovulatory aging. This confirmed the qRT-PCR results and proved that postovulatory oocyte aging may affect the poly(A)-tail length of maternal-effect genes. Additionally, a significant reduction of trimethylation of histon H3(Lysin 9) was observed in postovulatory aged oocytes.
To investigate possible effects of postovulatory oocyte aging on their development to the 2-cell embryos after fertilization, IVF studies were conducted. No differences in the relative amount of 2-cell embryos were shown after 4, 6 or 8 hours postovulatory oocyte aging compared to control oocytes. However, a significant increase of sperms in the perivitelline space of 2-cell embryos after 8 hours postovulatory aging was observed, which indicated an altered structure of the zona pellucida after postovulatory aging.
Analysis of zygotic genome activation (ZGA) was examined in 2-cell embryos after fertilization of postovulatory aged oocytes. After 4 hours postovulatory aging an increase in ZGA was observed in the resulting 2-cell embryo, whereas after 6 and 8 hours postovulatory aging ZGA significantly decreased in the 2-cell embryos.
In summary, it was shown that postovulatory aging strongly affects molecular parameters in the oocyte and the resulting 2-cell embryo and could have major implications of further development of the embryo
Biology and ecology of trematodes parasitizing aquatic snails in the Ruhr reservoir system in Germany
No full textParasites are integral and important elements of ecosystems that occur in virtually every habitat on this planet (Poulin 1999, Hudson et al. 2006). However, except for the obviously important role of some species as disease agents, parasites have long been neglected and considered unimportant in the context of most ecological studies. Only in recent years, studies have begun to investigate the ecological importance of parasites, e.g. their structuring forces in trophic transmissions and food webs (Lafferty et al. 2008) or their contribution to an ecosystem’s biomass (Kuris et al. 2008, Thieltges et al. 2008). It has been argued, that it is even impossible to fully understand ecosystems without considering the parasites therein (Lafferty et al. 2006a). Furthermore, based on their often complex life cycles and strong interaction in ecosystems, parasites may serve as useful bioindicators to assess environmental conditions and changes (Lafferty 1997, Vidal-Martínez et al. 2010, Nachev & Sures, 2015).
Environmental changes, such as climate change and global warming are expected to have major impacts on parasites and on entire ecosystems, often with yet unpredictable consequences (Marcogliese 2001, 2008). It is, therefore, essential that we understand host-parasite systems at the ecosystem level. Although there are some exceptionally well-studied aquatic ecosystems that focus on the roles of parasites in these habitats and allow predictions of the impact and possible effects of environmental changes (e.g. Kuris et al. 2008, Preston et al. 2013, Thieltges et al. 2013, Lagrue et al. 2015), our knowledge of host-parasite interaction in man-made waterbodies, such as impounded lakes and reservoirs, is still very limited and large-scale studies focussing on the ecological role of parasites in such systems are lacking. This is especially critical, since such waterbodies fulfil vital roles in densely populated areas, where they serve as drinking water storages, recreational areas and constitute important biodiversity hot spots. The Ruhr area in Germany is one of the largest and most densely populated urban areas in Europe and the eponymous extensive reservoir system of the Ruhr and its tributaries plays a vital role for the whole region. Our knowledge of the ecological role of parasites in these aquatic habitats is still fairly limited, however.
In order to bridge this gap, this thesis aims at assessing the biology and ecology of trematodes parasitizing aquatic snails in the Ruhr reservoir system in Germany. Trematodes in snails have been identified as a particularly promising group of parasites that lend themselves to investigating and assessing environmental conditions and ecosystem changes in aquatic systems (Huspeni & Lafferty 2004), due to their complex multiple-host life cycles that enable us to study the complex roles of parasites in ecosystems at many levels and in great detail. This thesis, therefore, aims at addressing the importance of trematodes in the Ruhr reservoir systems by identifying larval trematode infections in snails in the reservoirs of the Ruhr river system. The individual studies of this work provide (i) detailed integrative approaches to taxonomically questionable trematode groups to assess the full diversity in the ecosystem, (ii) an analysis of the productivity and emergence of trematode cercariae to assess the parasites’ functional role in the ecosystem, (iii) an evaluation of the risk factors of swimmer’s itch via a detailed case study of one of the Ruhr lakes, and finally (iv) an assessment of the overall diversity, distribution and community structure of larval trematodes and the identification of potential trematode transmission pathways between their host groups. Altogether, this holistic approach, encompassing trematode taxonomy, their functional part in ecosystems, the role of medically relevant species and their contribution to an ecosystem’s diversity will provide a detailed and comprehensive insight into the complex role of trematodes in an important reservoir system in Europe.
In order to assess the diversity and distribution patterns of trematodes in the Ruhr area, snails were collected at several sampling sites in five reservoirs of the Ruhr river catchment area in Germany, Baldeneysee, Hengsteysee, Hennetalsperre, Sorpetalsperre and Versetalsperre, during the summer months of the years 2012 and 2013. Sampling and analyses were mostly focused on gastropod snails belonging to two families, Lymaeidae and Planorbidae, since they proved to harbour the most diverse trematode fauna in Europe (Faltýnková & Haas 2006, Soldánová et al. 2011, Brown et al. 2011). A total of 3,171 lymnaeid snails belonging to four species, Radix auricularia, Stagnicola palustris, Radix peregra and Lymnaea stagnalis, and 2,176 planorbid snails belonging to two species, Gyraulus albus and Segmentina nitida, were collected and screened for trematode infections. Trematode stages were identified according to morphological features and, where necessary, with the aid of molecular methods.
Of the 5,347 sampled snails, 1,049 showed patent or prepatent infections with trematodes, resulting in a total prevalence of 19.6%. Detailed integrative approaches of molecular and morphological methods revealed the presence of cryptic species within the trematode genera Echinostoma, Petasiger and Diplostomum. The analysis of Echinostoma spp. cercariae allowed the delineation of two cryptic species of the ‘revolutum’ group from larval stages found in R. auricularia, R. peregra and S. palustris. Likewise, analyses of infections from G. albus revealed the distinctive status of three species of Petasiger from this host that occurred in sympatry at one locality, highlighting the high diversity within this trematode genus, even at small spatial scales. Most distinctively, seven different species of Diplostomum were found in the lymnaeid snail populations from the Ruhr reservoirs, three named species, D. spathaceum, D. pseudospathaceum and D. parviventosum, and four species-level lineages, ‘Diplostomum sp. Clade Q’ and ‘D. mergi’ Lineages 2-4. Furthermore, the detailed approach provided evidence that the cercariae of ‘D. mergi’ Lineage 1 of Georgieva et al. (2013a) are actually D. parviventosum. Remarkably, the snail species L. stagnalis and S. palustris harboured only one species, D. pseudospathaceum, while R. auricularia populations revealed a highly diverse picture with six different lineages of Diplostomum, and it remains to be investigated why the diversity of Diplostomum in these hosts presents such contrary situation. Altogether, these integrative approaches of molecular and morphological data advance our knowledge of the taxonomic situation of these trematode taxa and reveal the remarkably high cryptic diversity of these parasites in the Ruhr reservoir system.
However, the knowledge of the sheer diversity of trematodes in snails does not provide information on their functional role within an ecosystem. In order to assess the contribution of trematode cercariae to the biomass in European freshwaters, cercarial emergence of the bird schistosome Trichobilharzia szidati from naturally infected L. stagnalis was studied. The study revealed an average daily emergence rate of 2,621 cercariae per snail, with emissions peaks of up to 29,560 cercariae. Calculated for an individual snail’s lifetime this summed up to a cumulative cercarial biomass of 4.8 g, a mass equivalent of or even exceeding the snail‘s own body weight, illustrating the ecological importance a single trematode species that contributes a considerable amount of cercarial mass to an aquatic ecosystem. Since T. szidati is only one out of 37 species that produce large amounts of cercariae, the overall cercarial biomass emitted into the Ruhr reservoirs is comparable to the impressive numbers recently calculated for marine (Thieltges et al. 2008), estuary (Kuris et al. 2008) and North American freshwater ecosystems (Preston et al. 2013). The results of this study demonstrate how trematodes, despite their small individual size, significantly contribute to the biotic productivity in the Ruhr freshwater system.
Since bird schistosomes are the causative agents of swimmer’s itch, a re-emerging disease in Europe (Soldánová et al. 2013), the disease risk factors in the Ruhr area based on the occurrence, distribution and biology of these parasites was assessed for one reservoir (Baldeneysee). Two bird schistosome species, Trichobilharzia franki and T. szidati, could be detected at several sampling sites in Baldeneysee, where abundant lymnaeid snail populations were present. Although these species showed only low prevalence, human infections are well possible, due to the high numbers of cercariae that can be released from individual infected snail hosts in short periods of time, as shown in the laboratory emission studies.
With a total of 37 species, the trematode species richness in the Ruhr reservoir system was considerably higher than the trematode species richness in snail intermediate hosts described from most other well-studied ecosystems (e.g. Faltýnková 2005, Faltynkova & Haas 2006, Thieltges et al. 2006, Żbikowska 2007, Kuris et al. 2008, Lagrue & Poulin 2015). Altogether, Radix auricularia harboured by far the most prevalent, species rich and diverse trematode fauna of all studied hosts, supporting the assumption that R. auricularia plays the most important role in the life cycle of trematodes in large reservoirs and lakes, comparable to the dominant role of L. stagnalis described for small pond systems. Similarly, G. albus harboured more diverse and prevalent trematode communities compared to S. nitida, which contrasts with the situation observed for these two species in small ponds (Faltýnková et al. 2008a). The analysis of the data from the Ruhr, therefore, suggests a characteristic host-parasite dynamics in large reservoir systems.
The majority of trematode species in the Ruhr requires fish-eating or anatid birds as final hosts and almost all trematode species have life cycles involving trophic transmission of the parasites to their respective final host, which provides information on trophic interactions and energy flow in the ecosystem. Since trematodes with trophic transmission strategies often directly or indirectly alter their host’s behaviour in order to facilitate transmission success to the next host (see e.g. Lafferty & Morris 1996), they actively shape the structure of food webs through which they are transmitted. Therefore, the rich and abundant trematode fauna in the Ruhr freshwaters plays a highly complex role in the food web connectivity in the Ruhr reservoirs.
Overall, the selected aspects of trematodes in the Ruhr river system studied in the context of this thesis provide a broad and comprehensive overview of these parasites in a freshwater ecosystem that is typical for freshwater reservoirs in Europe for the first time. Trematodes are deeply embedded in and active elements of the ecological processes that shape and structure ecological communities, energy flow and the biodiversity of complex ecosystems and the rich trematode fauna in the Ruhr contributes to key aspects that make this ecosystem more diverse, productive and stable, and thus healthy
Reactions and surface-kinetics of porphyrin-molecules on microscopic scale
No full textDie vorliegende Arbeit befasst sich zunächst mit der Untersuchung von Submonolagenbedeckungen des Porphyrin-Derivats FeOEP-Cl auf Cu( 111 ) mit Hilfe der Rastertunnelmikroskopie. Basierend auf temperaturabhängigen Experimenten und DFT Simulationen konnte eine oberflächeninduzierte Dechlorierung von FeOEP-Cl bei der Adsorption auf Cu( 111 ) festgestellt werden. Anhand einer umfassenden statistischen Analyse für verschiedene Präparationsparameter, wie z.B. der Temperatur, konnte ein weiterer oberflächeninduzierten Dechlorierungsprozess nachgewiesen werden. Moleküle, die an der oberen Seite einer monoatomaren
Cu( 111 ) Stufenkante adsorbieren, erfahren an dieser Position eine erhöhte Wahrscheinlichkeit für eine Dechlorierung. Dies kann möglicherweise auf eine neue Adsorptionsgeometrie und veränderte elektronischen Struktur der Moleküle an der Stufenkante zurückgeführt werden.
Durch eine Erhitzung der molekülbedeckten Cu( 111 ) Oberfläche erfährt FeOEP-Cl eine
Transformation zu FeTBP. Hierbei passiert eine oberflächenunterstützte Dehydrogenisierung
der ursprünglichen acht Ethylgruppen (EG). Ethylgruppen werden durch den Verlust von zwei H-Atomen zu Vinylgruppen transformiert. Anschließend wird durch einen elektrocyclischen Ringschluss zweier Vinylgruppen unter dem Verlust zweier weiterer H-Atome ein Benzolring gebildet. Mit einer statistischen Analyse der Oberflächenprodukte nach thermischer Behandlung konnte die Aktivierungsenergie für die Reaktion einer Ethylgruppe zu E = 1.4 eV bestimmt werden.
Obwohl es nicht möglich ist, die Reaktion von einem individuellen Molekül zu verfolgen, kann der komplette Reaktionspfad mit 16 unterschiedlichen Zwischenzuständen, die in bis zu vier verschiedene Adsorptionskonfigurationen vorliegen können, und den Raten der involvierten Prozesse enthüllt werden. Dies wurde durch einen Vergleich der statistischen Analyse eines großen STM Datensatzes mit mehreren tausend Molekülen in verschiedenen
Phasen der Transformation und einer numerischen Simulation erreicht. Es hat sich herausgestellt, dass ein Ratenmodell mit lediglich vier Raten die experimentellen Daten gut beschreiben kann. Vorherige Reaktionen an anderen Teilen des Moleküls spielen keine Rolle, so dass Dechlorierung und Dehydrogenisierung als lokale Prozesse beschrieben werden können. Sowohl der Chlorligand als auch die Ethylgruppen konnten durch eine lokale Manipulation unter Verwendung des STMs entfernt werden. Während eine Dechlorierung nur unter Verwendung einer W-Spitze erreicht werden konnte, war die Manipulation einer Ethylgruppen sowohl durch eine W- als auch durch eine PtIr-Spitze erfolgreich. Die Herstellung einer geordneten 2 D-Mischschicht aus FeTBP und das Perylen-Derivat PTCDA gelang nicht. Jedoch konnten zwei unterschiedliche eindimensionale Kettenstrukturen
hergestellt werden. Während die erste Kettenstruktur alternierend aus FeTBP und PTCDA
Molekülen besteht, setzt sich die zweite Struktur aus PTCDA Molekülen zusammen, die durch ein rund erscheinendes Element verbunden sind. Dies könnte der vormalige Chlorligand von einem FeOEP sein.
An einer CO bedeckten Cu(111) Oberfläche konnten verschieden geordnete CO Strukturen präpariert werden. Dabei konnte zwischen zwei unterschiedlichen Phasen von CO auf Cu(111) bei T=80 K ein zweidimensionaler, struktureller, reversibler Phasenübergang 1.Ordnung beobachtet werden. Die Strukturen beider Phasen konnten unterstützt durch theoretische Rechnungen bestimmt werden. In dem vorliegenden System ist eine lokale Manipulation der Phasen durch Anlegen eines externen elektrischen Feldes mittels der Tunnelspitze möglich. Aufgrund der experimentellen Einfachheit kann dieses System als ein Modellsystem
für die Untersuchung fundamentaler Eigenschaften von Phasenübergängen dienen.This thesis deals with the analysis of submonolayer coverages of the prophyrin derivate FeOEP-Cl on Cu( 111 ) by performing scanning tunneling microscopy. Based on temperature-dependent experiments and DFT simulations a surface induced dechlorination of FeOEP-Cl upon adsorption on Cu( 111 ) could be revealed. By means of an extensive statistical analysis for different preparation parameters, e.g. the temperature, another surface-induced dechlorination process was found. Molecules which adsorb at the upper side of a Cu( 111 ) monoatomic step possess a higher probability for this second dechlorination process. This can be
tentatively attributed to the different adsorption geometry and electronically structure in the vicinity of the step edge.
By thermal treatment of the molecule covered Cu( 111 ) sample, FeOEP-Cl transforms into FeTBP due to a surfaced-assisted dehydrogenation of the eight ethylgroups (EG). Each EG can be transformed into a vinyl by loosing two H-atoms. Afterwards, a concerted conrotation electrocyclic reaction between neighboring vinyls forms a benzene ring by removing two more H-atoms. Based on a statistical analysis of the surface products by STM imaging after thermal heating, the activation energy for a reaction of an EG can be determined to E=1.4 eV. Although it is not possible to follow the reaction of an individual molecule, the complete
pathway of the reaction with 16 inequivalent intermediate states, consisting of up to four different adsorption configurations, and the rates of the involved processes are revealed. This is achieved by combining the analysis of a large data set showing thousands of molecules in the
different stages of the reaction with numerical simulations. It has been shown that a rate law with four different rates is entirely sufficient to describe the experimental results. Previous reactions on other parts of this small molecule do not play a role. In good approximation dehydrogenation and dechlorination are found to be local processes.
The chlorine ligand as well as the ethylgroups could also be removed by a local manipulation using the STM. While a dechlorination process was only succesful using a W-tip, the
local manipulation of an ethylgroup can be achieved by using a PtIr-tip as well as a W-tip. Preparing a 2 D ordered mixed layer of FeTBP and PTCDA was not succesful. However, two
different one-dimenionsal chain-like structures can be produced. The first structrue consist of alternating FeTBP and PTCDA molecules, the second structure consist of PTCDA molecules which are connected by a roundish like element. This might be the former chlorine ligand of a FeOEP.
On the surface of a CO covered Cu(111) surface we find two different 2 D CO overlayer structures. A reversible structural first order phase transition between two different phases of
CO on Cu( 111 ) at T = 80 K was observed. The structures of both phases could be identified supported by theoretical calculations. In the present system, very localized areas can be reversibly transformed by an external electric field using the tip of the STM. Given the ease of the experiment, it is an ideal model system to study fundamental properties of phase transitions with atomic scale precision
Urban form and travel behaviour in seven neighbourhoods of Mashhad/Iran
No full textEs ist wissenschaftlich erwiesen, dass ein erhöhter Verbrauch fossiler Treibstoffe eine hohe Luftverschmutzung und damit eine Vielzahl von sozialen, gesundheitlichen und wirtschaftlichen Komplikationen insbesondere in Städten und urbanen Regionen zur Folge hatte. Diese Problematik wurde durch die ständig ansteigende Nutzung des MIV noch verstärkt. Aus diesen diversen Komplikationen heraus resultierte eine breite Bewegung mit dem Namen „New Urbanism“, welche verschiedene Lösungen wie die kompakte Stadtform und Mischnutzungen offerierte. Ein deutlicher Fokus lag darauf, Fußgänger in der Stadtgestaltung zu berücksichtigen.
Diese Arbeit zeigt, wie die Stadtquartiersform das Mobilitätsverhalten eines Haushaltes beeinflusst.
Anhand diverser Studien wurde bewiesen, dass die verschiedenen sozialen und wirtschaftlichen Merkmale eines Haushaltes, die Merkmale der Modal Characteristics sowie die Stadtraumtypologie das Mobilitätsverhalten beeinflussen.
Allerdings besteht über die Höhe des Einflusses und die Wichtigkeit dieser Merkmale noch kein einheitlicher Konsens. In einigen Forschungsarbeiten spielen die sozialen und wirtschaftlichen Charakteristika eines Haushaltes eine größere Rolle als bei anderen. Ebenso existieren Studien, in denen die stadtraumtypologischen Eigenschaften als die einflussreichsten Merkmale auf das Mobilitätsverhalten eines Haushaltes postuliert werden. Diese unterschiedlichen Meinungen haben dazu beigetragen, dass in dieser Arbeit die Einflüsse jedes dieser Merkmale in Entwicklungsländern, wie
z. B. dem Iran, näher beleuchtet werden.
Um ein genaueres Verständnis von den Einflüssen dieser Merkmale auf das Mobilitätsverhalten zu erhalten, werden sowohl quantitative als auch qualitative Analysemethoden verwendet.
Mit Hilfe der MLR-Methode werden die Beziehung und der Einfluss zwischen jedem dieser Merkmale auf das Mobilitätsverhalten in den sieben ausgewählten Stadtvierteln der Stadt Maschhad analysiert. Um eine bessere Darstellung des Mobilitätsverhaltens aufzuzeigen, wurden die Reisegründe in drei Kategorien, Arbeits-, Freizeit- und Einkaufswege, klassifiziert.
Laut diesen Forschungsergebnissen hat die Stadtquartiersform einen erheblichen Einfluss auf das Mobilitätsverhalten der Bewohner jedes Viertels.
Die Bevölkerungsdichte, die Vielfalt der Nutzungen sowie das Zentrum des Viertels können als die einflussreichsten Charakteristika der Stadtquartiersform auf das Mobilitätsverhalten herauskristallisiert werden. Auch einige soziale und wirtschaftliche Merkmale des Haushaltes, z. B. der MIV-Besitz sowie das Geschlecht, haben laut den Ergebnissen dieser Arbeit einen großen Einfluss auf die MIV-Nutzung innerhalb der Alltagsmobilität des Haushaltes.Excessive consumption of fossil fuels and consequently air pollution in cities have resulted in social and economic problems. This dire situation is strengthened by an excessive use of private cars which has led to a comprehensive movement which is known as “New Urbanism”. New Urbanism includes some solutions such as compact forms of urban neighborhoods, mixed use and more attention to pedestrians in urban design. The aim of this thesis is to clarify how different forms of urban neighborhoods can affect the travel behavior of families living in a certain neighborhood.
Nowadays, it is well accepted that factors such as social and economic conditions of families, characteristics of travel modes as well as the form of urban neighborhoods can influence the travel behavior of families. However, there is not a broad agreement about the importance and the magnitude of these influencing parameters. Some studies revealed the social and economic conditions as the dominant factor affecting the mobility behavior, whereas other showed the form of urban neighborhoods as the main factor. These disagreements form the main motivation of the current study to analyze and identify the importance and the magnitude of each aforementioned influencing factors in Iran as a developing country.
Qualitative-quantitative analysis was used to enable a better understanding about each of influencing factors. For this purpose, the relation between each influencing factor on travel behavior within seven neighborhoods of Mashhad city was analysed by means of multiple logistic regression -method. The travel purposes were divided into three categories including working, shopping and other travel.
Results show that the form of neighborhoods has a significant influence on the travel behavior of the residents. Population density, variety of land uses and the presence of a center in a neighborhood are the main factors affecting travel behavior of people.
Furthermore, the obtained results of this study confirm that some of the social and economic factors, e.g. car owning and gender of residents have a remarkable influence on the use of private cars in daily travels
Epigenetic regulation of chondrocyte differentiation
No full textWährend der enchondralen Ossifikation ist die geordnete Differenzierung von proliferierenden- zu hypertrophen Chondrozyten der entscheidende Schritt, der für das Auswachsen und die Länge des späteren Knochens verantwortlich ist. Zuerst bilden die Chondrozyten eine Knorpelzwischenstufe, die daraufhin durch Knochen ersetzt wird. Die Chondrozytendifferenzierung wird über ein komplexes Netzwerk von regulatorischen Molekülen, wie Transkriptionsfaktoren und Morphogenen, reguliert (Wuelling et al., 2013; Wuelling und Vortkamp, 2010). Bisherige Daten unserer Arbeitsgruppe zeigten, dass essentielle Transkriptionsfaktoren der Chondrozytendifferenzierung mit Histon-modifizierenden Enzymen interagieren und deren Aktivität regulieren (Wuelling et al., 2013). Weiterhin tritt im Verlauf der Chondrozytendifferenzierung ein globaler Anstieg der Histonacetylierung in vitro auf (Masterarbeit Thiesen A.M., 2012), doch die zugrundeliegenden epigenetischen Mechanismen sind bisher weitgehend unbekannt.
Um die epigenetischen Veränderungen während der Chondrozytendifferenzierung zu untersuchen wurden proliferierende- und hypertrophe Chondrozyten mittels FACS (fluorescent activated cell sorting) aus den Skelettanlagen transgener Mäuse isoliert. Dazu wurden transgene Mäuse verwendet, die Yellow fluorescent protein unter Zelltyp-spezifischen Promotoren exprimierten. Ein ChIP-seq (Chromatin Immunopräzipitation mit anschließender Sequenzierung) Protokoll für geringe Zellzahlen wurde etabliert und das Chromatin sequenziert.
Zur systematischen Analyse der Histonmodifikationen wurden sowohl aktivierende- als auch reprimierende Histonmodifikationen untersucht. Als Marker für transkriptionell-aktive Gene wurde die Kombination aus den vier aktivierenden Histonmodifikationen H3K4me3, H3K9ac, H3K27ac und H3K36me3 verwendet, für bivalente Gene H3K4me3 und H3K27me3, für reprimierte Gene H3K9me3 und H3K27me3 und zur Enhancer Detektion H3K9ac und H3K27ac (Wang et al., 2008).
Die biologischen Replikate von proliferierenden- und hypertrophen Chondrozyten wiesen eine hohe Korrelation sowohl auf Read- als auch auf Gen-Ebene auf. Die Anzahl der Peaks und der damit detektierten Gene war für die aktivierenden Histonmodifikationen H3K4me3, H3K9ac und H3K36me3 in beiden Zelltypen nahezu identisch. In hypertrophen Chondrozyten war die Anzahl für die reprimierenden Histonmodifikationen stark und für H3K27ac leicht erhöht, was auf eine globale Zunahme der Histonacetylierung und –Trimethylierung während der Differenzierung hindeutet.
Um epigenetische Veränderungen im Verlauf der Differenzierung besser beurteilen zu können, wurde eine ChIP-Sequenzierung von undifferenzierten embryonalen Stammzellen (ES) angefertigt und mit den Profilen der zwei Chondrozytenpopulationen verglichen. Die drei Zellpopulationen zeigten zum einen, die erwarteten Histonmodifikations-Profile für Gene, deren Expression bekannt ist und zum anderen, dass die vier aktivierenden Histonmodifikationen zur Identifizierung von exprimierten Genen genutzt werden können. Der Vergleich aller transkriptionell-aktiven Gene von proliferierenden und hypertrophen Chondrozyten, gemessen am simultanen Auftreten aller vier aktivierenden Histonmodifikationen zeigte eine signifikante Steigerung von Chondrozyten-spezifischen Gen Ontologie (GO)-Terms und Signalwegen in proliferierenden Chondrozyten, während in den hypertrophen Zellen Apoptose-Terms und die Zellzyklus Inhibitoren gefunden wurden.
Der Vergleich von Genen, die in proliferierenden, aber nicht in hypertrophen Chondrozyten aktiv sind zeigte, dass die Trimethylierung von H3K27 zur Repression von vorher aktiven Genen dient. Außerdem zeigte eine genaue Analyse der aktivierenden Markierungen, dass die Abschaltung der Expression immer mit der Methylierung von H3K27 beginnt worauf dann die aktivierenden Markierungen sukzessiv abgebaut werden.
Für die Aktivierung von Genen wurden zwei mögliche Mechanismen gefunden. Entweder wurden nur aktivierende Marker oder H3K4me3 in Verbindung mit dem reprimierenden H3K27me3 angereichert, womit die Gensequenz zur Transkription geprimt wird und im Folgenden alle anderen aktivierenden Histonmodifikationen akkumulierten.
Die Analyse der H3K27ac-Markierung detektierte eine größere Anzahl an Enhancern in hypertrophen- als in proliferierenden Chondrozyten und ES-Zellen. Dabei waren in hypertrophen Chondrozyten mehr Enhancer als aktive Gene vorhanden. Dies lässt darauf schließen, dass mehrere Enhancer zur Aktivierung eines Genes benötigt werden. Die Lokalisation der Enhancer offenbarte eine Abnahme der Distanz zwischen Enhancer und Gen im Verlauf der Differenzierung. In proliferierenden- und hypertrophen Chondrozyten wurden nur 202 identische Enhancerregionen detektiert, wobei aber für 899 Gene in beiden Populationen ein Enhancer identifiziert wurde. Dies deutet darauf hin, dass die beiden Chondrozyten-Populationen unterschiedliche Enhancerregionen für die Regulation eines Gens nutzen. Interessanterweise zeigte die Korrelation von Enhancern und exprimierten Genen, dass Enhancer bereits in proliferierenden Chondrozyten markiert werden, obwohl das korrespondierende Gen erst in hypertrophen Chondrozyten aktiviert wird. Zudem trugen die Enhancer auch nach Abschaltung der Gene die H3K27ac-Markierung.
Die gleichzeitige Trimethylierungen von H3K4 und H3K27 (bivalente Markierung) wurden bereits für Gene in ES-Zellen beschrieben, die zur Expression geprimt sind. Hier konnte gezeigt werden, dass die Expression von hypertrophen Chondrozyten-spezifischen Genen ebenfalls durch eine bivalente Markierung in proliferierenden Chondrozyten vorbereitet wird. Interessanterweise wurde ein erhöhtes Auftreten der bivalenten Markierung insbesondere in hypertrophen Chondrozyten detektiert. Neben der bekannten Feinregulation durch die bivalente Markierung wurde ein Langzeit-Mechanismus entdeckt, mit dem Entwicklungs-spezifische Gene dauerhaft reprimiert werden. In ES-Zellen und proliferierenden Chondrozyten diente H3K27me3 hauptsächlich der Regulation von bivalenten Genen, jedoch nahm die Anzahl an reprimierten Genen, unabhängig vom bivalenten Marker H3K4me3, im Verlauf der hypertrophen Differenzierung zu, was auf eine neue Funktion von H3K27me3 hinweist.
Zusammenfassend konnte mit dieser Arbeit nicht nur die generelle Änderung der Histonmodifikationen während der Chondrozytendifferenzierung nachgewiesen werden, sondern es wurden grundlegende Histonmodifikations-Muster der Transkriptionsregulation entdeckt, die eine fundierte Grundlage für die weitere Forschung bilden.Bones of the endochondral skeleton are formed via a cartilage template, which is replaced by bone tissue. To ensure correct bone formation, the differentiation from proliferating into hypertrophic chondrocytes needs to be controlled by a complex network of regulatory molecules. Furthermore, histone deacetylases (Hdacs) have been identified as regulators of chondrocyte differentiation. Data of our lab indicate that chondrocyte specific transcription factors interact with a subset of Hdacs in chondrocytes, thereby regulating their activity (Wuelling et al., 2013). Moreover, we could show that the global histone acetylation status increases during chondrocyte differentiation in vitro (Masterthesis Thiesen A.M., 2012).
To receive deeper insight into the functional consequences of alterations in the histone code, epigenetic changes linked to chondrocyte differentiation were analysed. Towards this aim, proliferating and hypertrophic chondrocytes were isolated by FACS (fluorescence activated cell sorting) from transgenic mice, which express yellow fluorescent protein under cell type-specific promoters. A ChIP-seq (Chromatin immunoprecipitation followed by sequencing) protocol for small cell numbers was established and the chromatin was sequenced. For comprehensive analysis, activating- and repressing histone modifications were investigated. As a marker for transcriptional activation the four activating histone modifications H3K4me3, H3K9ac, H3K27ac, and H3K36me3 were selected, for bivalent genes H3K4me3 together with H3K27me3, for repressed genes H3K9me3 and H3K27me3 and for enhancer detection H3K9ac and H3K27ac (Wang et al., 2008).
The data sets obtained from biological replicates of proliferating and hypertrophic chondrocytes displayed high correlation on read and gene level for each modification. The numbers of peaks for the activating histone marks H3K4me3, H3K9ac, and H3K36me3 were similar in both cell types. In contrast, hypertrophic chondrocytes exhibited a slight increase of the activating mark H3K27ac as well as a dramatic increase of repressive histone trimethylation marks. This indicates a global increase in histone acetylation and trimethylation during chondrocyte development.
To gain insight into the epigenetic changes during cell differentiation, an embryonic stem cell (ES-cell) ChIP was implemented and compared to the two chondrocyte profiles. All three cell populations exhibited the expected histone modification profiles of genes with known expression pattern. Additionally, the comparison showed that all four activating histone modifications can be used to identify expressed genes. The comparison of activating marks identified chondrocyte-specific Gene Ontology (GO)-terms and signalling pathways in proliferating chondrocytes, as well as apoptotic terms and cell cycle inhibitors in hypertrophic chondrocytes.
The analysis of genes, which were active in proliferating but not in hypertrophic chondrocytes revealed that H3K27me3 serves for the repression of genes. Furthermore, the detailed analysis of activating marks indicated that the termination of transcription always begins with the methylation of H3K27me3 followed by a gradual downregulation of the activating marks. For activation, two possible mechanisms were detected: On the one hand only activating histone modifications were increased. On the other hand, a combination of the activating mark H3K4me3 and the repressing mark H3K27me3 primed the gene, before further activating marks were enriched.
For further analysis, active enhancers were detected by comparing H3K27ac and H3K9ac profiles. This revealed a high quantity of enhancers in hypertrophic chondrocytes in contrast to the number of active genes, suggesting that several enhancers are required for the activation of a single gene. In addition, the determination of enhancer locations indicated that the distance between gene and enhancer decreases during differentiation.
Proliferating and hypertrophic chondrocytes shared only 202 identical enhancer regions, although 899 identical genes were activated through enhancers. This indicates that the two chondrocyte populations use different enhancer regions to regulate the same genes. Interestingly, the correlation of enhancers and active genes revealed that enhancers were already marked with H3K27ac in proliferating chondrocytes whereas the corresponding genes were first expressed in hypertrophic chondrocytes. Moreover, enhancers were still marked after transcriptional termination.
The simultaneous appearance of H3K4me3 and H3K27me3 (bivalent mark) is known to prime genes for expression in ES-cells. In this thesis, the bivalent modifications also prime genes in proliferating chondrocytes for the expression in hypertrophic chondrocytes. Unexpectedly, our findings revealed a high abundance of bivalent genes in hypertrophic chondrocytes. In addition, our data indicate that bivalent gene regulation is not only fine-tuning gene activity but also acts as a long-term mechanism for the inactivation of developmental genes during cell differentiation. The analysis of all three cell types revealed an increase of bivalent genes during hypertrophic differentiation. In ES-cells and proliferating chondrocytes, H3K27me3 was required mainly for bivalent gene regulation. Beyond this, the number of repressed genes with H3K27me3 marks increased from proliferating to hypertrophic chondrocytes, independent of the bivalent marker H3K4me3, which indicates a new function of H3K27me3 during chondrocyte development.
In conclusion, this work not only gives new insight into the changes in histone modification during the process of chondrocyte differentiation, but also detects new, general histone modification patterns linked to the regulation of transcription in differentiated cell types. These findings provide a promising basis for further research
Coherence and Decoherence in High-mass Matter-wave Interferometry
No full textThe present thesis deals with two main topics. First, I study in detail the interaction of a delocalized molecular matter-wave with a standing-wave laser grating. Due to absorption of photons in an optical grating, molecules can get excited and numerous internal photophysical processes are induced. For the theoretical description of the molecule-light interaction I take three relevant internal molecular processes into account: intersystem crossing, fluorescence and internal conversion. Furthermore, the fact that molecules can change their optical properties because of the photoexcitation is shown to have a measurable effect on matter-wave interferometry. The second topic of this thesis is about collisions between a polar molecule and non-polar environmental gas atoms, and their effects on the coherence of the center-of-mass state. Because the scattering potential depends on the molecular orientation the molecular rotational state must also be considered. Assuming a slow rotation of the molecule compared to the scattering time and that the molecular mass fairly exceeds the mass of a gas atom, I present a master equation of collisional decoherence, which depends on the molecular orientation. Its predictions for matter-wave interferometry are discussed both in the near and far field
The influence of chromatin structure on DNA double strand break repair pathway choice
No full textHigher eukaryotes have evolved mechanistically distinct repair pathways to remove DSBs from the genome: c-NHEJ, HRR and alt-EJ. The probability to faithfully repair the DSB is strongly dependent on the utilized repair pathway and HRR is the only known error-free repair pathway, whereas c-NHEJ and especially alt-EJ are known to induce sequence alterations or even translocations. How the repair pathway selection is regulated in the cell is currently under investigation and in the present work we specifically focused on HRR activity regulation and on chromatin structure as a parameter influencing repair pathway choice.
DSB repair was systematically evaluated by analyzing the formation of different IRIF in heterochromatic and euchromatic chromatin regions and we concentrated our analysis on late S and G2 phase cells to track HRR activity. The results of γH2AX foci formation demonstrated clear incidence in EC and HC regions. To specifically visualize DNA end resection and HRR activity, we examined formation of RPA and Rad51 foci. We demonstrated that the choice towards HRR is not regulated by chromatin structure. Indeed, we observed proportional distribution of RPA and Rad51 foci in EC and HC regions.
Moreover, the numbers of Rad51 foci saturated with increasing radiation dose independently of chromatin condensation status, supporting recent findings from our laboratory revealing a saturation of HRR with increasing radiation dose. However, RPA foci in HC and EC regions increased almost linearly, demonstrating active resection at high doses, which suggests a repair pathway switch towards error-prone repair mechanisms. The dose response curves of 53BP1 foci show a similar saturation as Rad51 foci and we observed persistence of 53BP1 foci after high radiation doses. These findings suggest a regulating role of 53BP1 in the process of HRR saturation.
In order to study DSB repair under altered chromatin condensation conditions, we applied hypertonic or hypotonic treatments. Hypertonic treatment causes an increase in chromatin condensation and impaired DSB repair. Although we detected enlarged γH2AX foci formation in hypertonically treated cells, the formation of pATM, 53BP1, RPA and Rad51 foci was almost completely suppressed. Treatment in hypotonic medium, on the other hand relaxed chromatin and was better tolerated during DSB repair. This was shown by the almost unaltered formation of 53BP1, pATM and RPA foci. Unexpectedly, γH2AX foci formation was suppressed in hypotonically treated cells, which indicates that 53BP1 and RPA are able to accumulate at the break site without extensive phosphorylation of H2AX. With the help of repair reporter assays we detected the highest repair reduction with the HRR reporter assay under hypertonic and hypotonic conditions, demonstrating that HRR is highly sensitive to changes in chromatin structure. Notably, inhibition of the histone methyltransferase SUV39H1 with chaetocin also strongly suppressed HRR.
Thus, the results obtained in the present thesis strongly support an HRR saturation with increasing radiation dose and demonstrate a regulatory role of 53BP1 in this process. Moreover, chromatin modifications were successfully established as key regulatory parameters of HRR.Höhere Eukaryoten haben mechanistisch unterschiedliche Reparaturwege entwickelt um DNA- Doppelstrangbrüche aus dem Genom zu entfernen: c-NHEJ, HRR und alt-EJ. Die Wahrscheinlichkeit einer fehlerfreien Reparatur ist stark abhängig von dem verwendeten Reparaturweg und HRR ist der einzige bekannte fehlerfreie Reparaturweg, während c-NHEJ und vor allem alt-EJ dafür bekannt sind, Sequenzänderungen oder auch Translokationen zu induzieren. Wie die Reparaturwegswahl in der Zelle reguliert wird, ist bislang noch nicht vollständig geklärt. In der vorliegenden Arbeit wurde insbesondere die Aktivierung von HRR untersucht, mit Hinblick auf die Chromatinstruktur als regulierender Faktor der Reparaturwegswahl.
Hierzu wurde die Bildung von verschiedenen strahlen-induzierten Foci (IRIF) in heterochromatischen und euchromatischen Chromatinregionen systematisch untersucht und durch die fokussierte Analyse von späten S und G2 Phase Zellen konnte die Aktivität von HRR gezielt verfolgt werden. Die Ergebnisse der γH2AX Foci-Bildung zeigten deutlich, dass Doppelstrangbrüche mit gleicher Wahrscheinlichkeit in euchromatischen und heterochromatischen Chromatinstrukturen induziert wurden. Um speziell die DNA End-Resektion und HRR-Aktivität zu analysieren, untersuchten wir die Bildung von RPA und Rad51 Foci. Wir konnten zeigen, dass die Reparaturwegswahl zugunsten HRR nicht von der Chromatinstruktur beeinflusst wird. Tatsächlich beobachteten wir eine gleichmäßige Verteilung von RPA und Rad51 Foci in EC und HC Regionen, gemäß der EC und HC Chromatinanteile.
Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass die Anzahl der Rad51 foci mit zunehmender Strahlendosis nicht weiter zunimmt sondern stagniert, welches eine Saturierung der HRR bei höheren Strahlendosen zeigt und unveröffentlichte Ergebnisse aus unserem Institut bestätigt. Es konnte gezeigt werden, dass die Saturierung der HRR unabhängig von dem Chromatin-Kondensation Status auftritt. Im Gegensatz dazu, zeigte die Analyse von RPA Foci, dass DNA End-Resektion nach höheren Strahlendosen nicht unterdrückt wird, sondern linear mit steigender Strahlendosis zunimmt. Dies impliziert einen Reparaturweg-Switch von fehlerfreier HRR zu fehleranfälligen Reparaturmechanismen nach höheren Strahlendosen.
Die Analyse von 53BP1 Foci nach hohen Strahlendosen wies eine konstant bleibende Foci Anzahl zu späten Zeitpunkten nach Bestrahlung auf. Darüber hinaus, zeigten die Dosis-Wirkungs-Kurven von 53BP1 Foci, ähnlich zu Rad51 Foci, eine Saturierung nach höheren Strahlendosen. Die vergleichbaren Ergebnisse von Rad51 und 53BP1 Foci legen nahe, dass 53BP1 eine regulierende Rolle im Prozess der HRR-Saturierung spielt.
Um die Doppelstrangbruch-Reparatur unter veränderter Chromatin-Kondensation zu untersuchen, wurden die Zellen mit hypertonischem oder hypotonischem Medium behandelt. Hypertone Behandlung bewirkt eine Erhöhung der Chromatin-Kondensation und die Beeinträchtigung der DSB-Reparatur. Obwohl wir in hypertonisch behandelten Zellen vergrößerte γH2AX Foci feststellen konnten, zeigte die nahezu ausbleibende Bildung von pATM, 53BP1, RPA und Rad51 Foci eine fast vollständig unterdrückte Doppelstrangbruch-Reparatur. Auf der anderen Seite zeigte die Behandlung mit hypotonischem Medium, die zu einer aufgelockerten Chromatinstrusktur führt, eine bessere Verträglichkeit mit Doppelstrangbruch-Reparaturwegen, da eine fast unveränderte Bildung von 53BP1, pATM und RPA Foci beobachtet werden konnte. Unerwarteterweise wurde die Bildung von γH2AX Foci in hypotonisch behandelten Zellen unterdrückt, welches zeigt, dass 53BP1 und RPA ohne umfangreiche Phosphorylierung von H2AX an der Bruchstelle akkumulieren können.
Mit Hilfe von spezifischen Reparatur-Reporter-Assays konnte gezeigt werden, dass die HRR unter hypertonischen und hypotonischen Bedingungen der am stärksten beeinflusste Reparaturweg ist, welches eine sehr hohe Empfindlichtkeit der HRR gegenüber Änderungen der Chromatinstruktur zeigt. Auch die Hemmung der Histon-Methyltransferase SUV39H1 mit Chaetocin führte zu stark unterdrückter HRR.
Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit unterstützen die vorherigen Erkenntnisse und zeigen eine HRR-Sättigung mit zunehmender Strahlendosis unabhängig von der Chromatinstruktur. Desweitern deuten die Ergebnisse der 53BP1 Foci stark auf eine Beteiligung von 53BP1 in dem Prozess der HRR-Saturierung hin, die eine regulatorische Rolle von 53BP1 in diesem Prozess vermuten lässt. Die Modifizierung von Chromatinstrukturen konnte erfolgreich etabliert werden und erwies sich als regulatorischer Parameter in der Aktivierung von HRR
Advancing stability analysis of mean-risk stochastic programs: Bilevel and two-stage models
No full textMeasuring and managing risk has become crucial in modern decision making under stochastic uncertainty. In two-stage stochastic programming, mean-risk models are essentially defined by a parametric recourse problem and a quantification of risk. The thesis addresses sufficient conditions for weak continuity of the resulting objective functions with respect to perturbations of the underlying probability measure. The approach is based on so called psi-weak topologies that are finer than the topology of weak convergence and allows to unify and extend known results for a comprehensive class of risk measures and recourse problems. In particular, stability of mean-risk models with mixed-integer quadratic and general mixed-integer convex recourse problems is derived for any law-invariant, convex and nondecreasing quantification of risk.
From a conceptual point of view, two-stage stochastic programs and bilevel problems under stochastic uncertainty are closely related. Assuming that only the follower can observe the realization of the randomness, the optimistic and pessimistic setting give rise to two-stage problems where only optimal solutions of the lower level are feasible for the recourse problem. So far, stability in stochastic bilevel programming has only been examined for a specific model based on a quantile criterion. The novel approach allows to identify sufficient conditions for stability of stochastic bilevel problems with quadratic lower level and is applicable for a comprehensive class of risk measures.Die Bewertung und das Management von Risken sind ein wesentlicher Aspekt von Entscheidungsproblemen unter stochastischer Unsicherheit. Zielfunktionsbasierte risikoaverse Modelle der zweistufigen stochastischen Optimierung lassen sich im Wesentlichen durch ihr parametrisches Zweitstufenproblem und das betrachtete Risikomaß charakterisieren. Die Arbeit befasst sich mit hinreichenden Bedingungen für Stetigkeit der resultierenden Zielfunktion unter Störungen des zu Grunde liegenden Wahrscheinlichkeitsmaßes bezüglich der Topologie schwacher Konvergenz. Der Ansatz basiert auf so genannten psi-schwachen Topologien, die feiner als die Topologie schwacher Konvergenz sind. Für eine umfassende Klasse von Risikomaßen und Zweitstufenproblemen werden so bestehende Resultate vereinheitlicht und erweitert. Insbesondere lassen sich für jedes verteilungsinvariante, konvexe und nichtfallende Risikomaß Stabilitätsaussagen für Aufgaben mit quadratischem oder konvexem gemischt-ganzzahligen Zweitstufenproblem treffen.
Aus konzeptioneller Sicht sind zweistufige stochastische Programme und Bilevel Probleme unter stochastischer Unsicherheit eng miteinander verbunden. Unter der Annnahme, dass nur der Entscheider auf der unteren Ebene die Realisierung des Zufalls beobachten kann, führen sowohl der optimistische als auch der pessimistische Ansatz auf ein zweistufiges stochastisches Programm. Bei diesem sind nur die Optimallösungen der unteren Ebene zulässig für das Zweitstufenproblem. Bisher ist die Stabilität solcher Aufgaben nur für Modelle mit einem speziellen Quantilkriterium untersucht worden. Der neue Ansatz erlaubt es, hinreichende Bedingungen für die Stabilität von stochastischen Bilevel Problemen mit quadratischem Nachfolgerproblem zu identifizieren und ist auf eine reichhaltige Klasse von Risikomaßen anwendbar