Impact of anthropogenic stressors on the population genetics of the common bioindicator Dreissena polymorpha (Pallas, 1771)

Toxicant inputs from agriculture, industry and human settlements have been shown to severely affect freshwater ecosystems. Pollution can lead to changes in population genetic patterns through various genetic and stochastic processes. In my thesis, I investigated the impact of anthropogenic stressors on the population genetics of the zebra mussel Dreissena polymorpha. In order to analyze the genetics of zebra mussel populations, I isolated five new highly polymorphic microsatellite loci. Out of those and other already existing microsatellite markers for this species, I established a robust marker set of six microsatellite loci for D. polymorpha. rnMonitoring the biogeographical background is an important requirement when integrating population genetic measures into ecotoxicological studies. I analyzed the biogeographical background of eleven populations in a section of the River Danube (in Hungary and Croatia) and some of its tributaries, and another population in the River Rhine as genetic outgroup. Moreover, I measured abiotic water parameters at the sampling sites and analyzed if they were correlated with the genetic parameters of the populations. The genetic differentiation was basically consistent with the overall biogeographical history of the populations in the study region. However, the genetic diversity of the populations was not influenced by the geographical distance between the populations, but by the environmental factors oxygen and temperature and also by other unidentified factors. I found strong evidence that genetic adaptation of zebra mussel populations to local habitat conditions had influenced the genetic constitution of the populations. Moreover, by establishing the biogeographical baseline of molecular variance in the study area, I laid the foundation for interpreting population genetic results in ecotoxicological experiments in this region.rnIn a cooperation project with the Department of Zoology of the University of Zagreb, I elaborated an integrated approach in biomonitoring with D. polymorpha by combining the analysis techniques of microsatellite analysis, Comet assay and micronucleus test (MNT). This approach was applied in a case study on freshwater contamination by an effluent of a wastewater treatment plant (WWTP) in the River Drava (Croatia) and a complementary laboratory experiment. I assessed and compared the genetic status of two zebra mussel populations from a contaminated and a reference site. Microsatellite analysis suggested that the contaminated population had undergone a genetic bottleneck, caused by random genetic drift and selection, whereas a bottleneck was not detected in the reference population. The Comet assay did not indicate any difference in DNA damage between the two populations, but MNT revealed that the contaminated population had an increased percentage of micronuclei in hemocytes in comparison to the reference population. The laboratory experiment with mussels exposed to municipal wastewater revealed that mussels from the contaminated site had a lower percentage of tail DNA and a higher percentage of micronuclei than the reference population. These differences between populations were probably caused by an overall decreased fitness of mussels from the contaminated site due to genetic drift and by an enhanced DNA repair mechanism due to adaptation to pollution in the source habitat. Overall, the combination of the three biomarkers provided sufficient information on the impact of both treated and non-treated municipal wastewater on the genetics of zebra mussels at different levels of biological organization.rnIn my thesis, I could show that the newly established marker set of six microsatellite loci provided reliable and informative data for population genetic analyses of D. polymorpha. The adaptation of the analyzed zebra mussel populations to the local conditions of their habitat had a strong influence on their genetic constitution. We found evidence that the different genetic constitutions of two populations had influenced the outcome of our ecotoxicological experiment. Overall, the integrated approach in biomonitoring gave comprehensive information about the impact of both treated and non-treated municipal wastewater on the genetics of zebra mussels at different levels of biological organization and was well practicable in a first case study.

Host race formation in Hyalesthes obsoletus (Signoret 1865)

Die Winden-Glasflügelzikade Hyalesthes obsoletus (Cixiidae, Glasflügelzikaden) nutzte in Deutschland ursprünglich die Ackerwinde Convolvulus arvensis als Wirtspflanze, allerdings nahm in den letzten zwei Dekaden die Abundanz auf der Großen Brennnessel Urtica dioica stark zu, zusammen mit der Inzidenz der Schwarzholzkrankheit Bois noir auf Weinreben. Bois noir wird durch ein Phytoplasma verursacht, das durch H. obsoletus von C. arvensis und U. dioica auf Weinreben übertragen wird. Es stellte sich daher die Frage, ob H. obsoletus Wirtsrassen entwickelt hat, die möglicherweise die Bois noir-Epidemiologie beeinflussen. In der vorliegenden Studie wurden folgende Fragestellungen bearbeitet: rn(1) Gibt es in Deutschland und Europa genetisch unterscheidbare Wirtsrassen von H. obsoletus auf den beiden Wirtspflanzen C. arvensis und U. dioica? Es wurden sieben Mikrosatellitenmarker entwickelt und etabliert, um H. obsoletus Populationen aus Deutschland und Europa genetisch zu analysieren. Es zeigte sich eine deutliche Differenzierung zwischen Populationen von beiden Wirtspflanzen in Deutschland, jedoch nicht in den historischen Ursprungsgebieten der deutschen Populationen, in der Schweiz, Italien oder Slovenien.rn(2) Wo sind die deutschen Wirtsrassen von H. obsoletus entstanden? Eine Einwanderung von südlichen, bereits an U. dioica angepassten Individuen stand einer lokalen Wirtsrassenevolution gegenüber. Die engere genetische Verwandtschaft der deutschen Population auf U. dioica zu denen auf C. arvensis, im Vergleich zu den übrigen Populationen auf U. dioica, impliziert einen lokalen Prozess im nördlichen Verbreitungsgebiet. Eine Immigration südlicher Tiere scheint nicht zur Diversifizierung beigetragen zu haben, führte aber möglicherweise einen U. dioica-spezifischen Phytoplasma-Stamm ein. Durch Wirtsrassenevolution entwickelten sich spezifische, vektorbasierte epidemiologische Kreisläufe der Schwarzholzkrankheit Bois noir. rn(3) Welche Präferenzen zeigen die beiden Wirtsrassen von H. obsoletus für die Wirtspflanzen C. arvensis und U. dioica und unterscheiden sich diese? Die Präferenz von H. obsoletus aus beiden deutschen Wirtsrassen in Bezug auf den Geruch der Wirtspflanzen wurde in einem Y-Olfaktometer untersucht, zusätzlich wurden beide Pflanzen direkt zur Wahl gestellt. Bei beiden Untersuchungen zeigte die Population von C. arvensis eine signifikante Präferenz für ihre native Wirtspflanze. Die Population von U. dioica wies dagegen keine Präferenz für den Geruch einer Wirtspflanze auf, bevorzugte im direkten Test jedoch signifikant ihre native Wirtspflanze. Dies weist darauf hin, dass die Anpassung an den „neuen“ Wirt noch nicht vollständig ist.rn

Molecular genetic investigation of the Neolithic population history in the western Carpathian Basin

Der Fokus dieser Dissertation ist die populationsgenetische Analyse der neolithischen Bevölkerungswechsel in den 6.-5. Jahrtausende vor Christus, die im westlichen Karpatenbecken stattfanden. Die Zielsetzung der Studie war, mittels der Analyse von mitochondrialer und Y-chromosomaler aDNA, den Genpool der sechs neolithischen und kupferzeitlichen Populationen zu untersuchen und die daraus resultierenden Ergebnisse mit anderen prähistorischen und modernen genetischen Daten zu vergleichen.rnInsgesamt wurden 323 Individuen aus 32 ungarischen, kroatischen und slowakischen Fundplätzen beprobt und bearbeitet in den archäogenetischen Laboren der Johannes Gutenberg-Universität in Mainz. Die DNA Ergebnisse wurden mit verschiedenen populationsgenetischen Methoden ausgewertet. Vergleichsdaten von prähistorischen und modernen eurasiatischen Populationen wurden dazu gesammelt.rnDie HVS-I Region der mitochondrialen DNA konnten bei 256 Individuen reproduziert und authentifiziert werden (mit einer Erfolgsrate von 85.9%). Die Typisierung der HVS-II Region war in 80 Fällen erfolgreich. Testend alle gut erhaltene Proben, die Y-chromosomale Haplogruppe konnte in 33 männlichen Individuen typisiert werden.rnDie neolithischen, mitochondrialen Haplogruppen deuten auf eine hohe Variabilität des maternalen Genpools hin. Sowohl die mitochondrialen als auch die Y-chromosomalen Daten lassen Rückschlüsse auf eine nah-östliche bzw. südwestasiatische Herkunft der frühen Bauern zu. Die Starčevo- und linearbandkermaischen-Populationen in westlichem Karpatenbecken (letztere abgekürzt als LBKT) und die linearbandkermaischen-Population in Mitteleuropa (LBK) haben so starke genetische Ähnlichkeit, dass die Verbreitung der LBK nach Mitteleuropa mit vorangegangenen Wanderungsereignissen zu erklären ist. Die Transdanubische aDNA Daten zeigen hohe Affinität zu den publizierten prähistorischen aDNA Datensätzen von Mitteleuropa aus den 6.-4. Jahrtausende vor Chr. Die maternal-genetische Variabilität der Starčevo-Population konnte auch innerhalb der nachfolgenden Populationen Transdanubiens festgestellt werden. Nur kleinere Infiltrationen und Immigrationsereignissen konnten während der Vinča-, LBKT-, Sopot- und Balaton-Lasinja-Kultur in Transdanubien identifiziert werden. Zwischen den transdanubischen Regionen konnten mögliche genetische Unterschiede nur in der LBKT und in der Lengyel-Periode beobachtet werden, als sich die nördlichen Gruppen von den südlichen Populationen trennten. rnDie festgestellte Heterogenität der mtDNA in Zusammenhang mit der Y-chromosomalen Homogenität in den Starčevo- und LBK-Populationen, weisen auf patrilokale Residenzregeln und patrilineare Abstammungsregeln in den ersten Bauergemeinschaften hin. rnObwohl die hier präsentierten Daten einen großen Fortschritt in der Forschung von aDNA und Neolithikum des Karpatenbeckens und Mitteleuropas bedeuten, werfen sie auch mehrere Fragen auf, deren Beantwortung durch zukünftige Genomforschungen erbracht werden könnte.

Multiplex-Genotypisierung forensisch relevanter SNPs unter Verwendung von Microarrays auf chemisch aktivierten Glasflächen

Die Analyse tandem-repetitiver DNA-Sequenzen hat einen festen Platz als genetisches Typisierungsverfahren in den Breichen der stammesgeschichtlichen Untersuchung, der Verwandtschaftsanalyse und vor allem in der forensischen Spurenkunde, bei der es durch den Einsatz der Multiplex-PCR-Analyse von Short Tandem Repeat-Systemen (STR) zu einem Durchbruch bei der Aufklärung und sicheren Zuordnung von biologischen Tatortspuren kam. Bei der Sequenzierung des humanen Genoms liegt ein besonderes Augenmerk auf den genetisch polymorphen Sequenzvariationen im Genom, den SNPs (single nucleotide polymorphisms). Zwei ihrer Eigenschaften – das häufige Vorkommen innerhalb des humanen Genoms und ihre vergleichbar geringe Mutationsrate – machen sie zu besonders gut geeigneten Werkzeugen sowohl für die Forensik als auch für die Populationsgenetik.rnZum Ziel des EU-Projekts „SNPforID“, aus welchem die vorliegende Arbeit entstanden ist, wurde die Etablierung neuer Methoden zur validen Typisierung von SNPs in Multiplexverfahren erklärt. Die Berücksichtigung der Sensitivität bei der Untersuchung von Spuren sowie die statistische Aussagekraft in der forensischen Analyse standen dabei im Vordergrund. Hierfür wurden 52 autosomale SNPs ausgewählt und auf ihre maximale Individualisierungsstärke hin untersucht. Die Untersuchungen der ersten 23 selektierten Marker stellen den ersten Teil der vorliegenden Arbeit dar. Sie umfassen die Etablierung des Multiplexverfahrens und der SNaPshot™-Typisierungsmethode sowie ihre statistische Auswertung. Die Ergebnisse dieser Untersuchung sind ein Teil der darauf folgenden, in enger Zusammenarbeit der Partnerlaboratorien durchgeführten Studie der 52-SNP-Multiplexmethode. rnEbenfalls im Rahmen des Projekts und als Hauptziel der Dissertation erfolgten Etablierung und Evaluierung des auf der Microarray-Technologie basierenden Verfahrens der Einzelbasenverlängerung auf Glasobjektträgern. Ausgehend von einer begrenzten DNA-Menge wurde hierbei die Möglichkeit der simultanen Hybridisierung einer möglichst hohen Anzahl von SNP-Systemen untersucht. Die Auswahl der hierbei eingesetzten SNP-Marker erfolgte auf der Basis der Vorarbeiten, die für die Etablierung des 52-SNP-Multiplexes erfolgreich durchgeführt worden waren. rnAus einer Vielzahl von Methoden zur Genotypisierung von biallelischen Markern hebt sich das Assay in seiner Parallelität und der Einfachheit des experimentellen Ansatzes durch eine erhebliche Zeit- und Kostenersparnis ab. In der vorliegenden Arbeit wurde das „array of arrays“-Prinzip eingesetzt, um zur gleichen Zeit unter einheitlichen Versuchsbedingungen zwölf DNA-Proben auf einem Glasobjektträger zu typisieren. Auf der Basis von insgesamt 1419 typisierten Allelen von 33 Markern konnte die Validierung mit einem Typisierungserfolg von 86,75% abgeschlossen werden. Dabei wurden zusätzlich eine Reihe von Randbedingungen in Bezug auf das Sonden- und Primerdesign, die Hybridisierungsbedingungen sowie physikalische Parameter der laserinduzierten Fluoreszenzmessung der Signale ausgetestet und optimiert. rn

Populationsgenetik der ersten Bauern Mitteleuropas

Die vorliegende Dissertation ist eine molekulargenetische Studie an humanem neolithischem Skelettmaterial. Im zentralen Blickpunkt stand die Bestimmung der Variabilität der mitochondrialen Haplogruppen einer frühneolithischen Stichprobe aus drei unterschiedlichen Kulturkreisen, welche die Linearbandkeramik (LBK und AVK), die Körös-Kultur und eine Sammelkategorie osteuropäischer spätmeso- und frühneolithischer Kulturen umfasste. Im Vergleich dieser Gruppen untereinander sowie mit Rezentdaten moderner Populationen aus vergleichbaren Gebieten Mittel- und Osteuropas sowie dem Nahen Osten sollten bestehende Modelle und Hypothesen zur Neolithisierung Mitteleuropas geprüft werden. Insgesamt konnte für 43 neolithische Individuen aus 16 Fundorten der reproduzierbare Nachweis endogener DNA erbracht werden. Eine eindeutige Haplogruppenbestimmung konnte durch die Sequenzierung vier überlappender Fragmente der mitochondrialen Hypervariablen Region I sowie durch RFLP-Analyse zusätzlicher charakteristischer Nukleotidpositionen für alle 43 Individuen durchgeführt werden. Die neolithischen Individuen der Linearbandkeramik sowie der Körös-Kultur zeigten eine hohe Diversität an bekannten europäischen Haplogruppen, wohingegen die kleinere Stichprobe aus dem Gebiet Osteuropas eine auffällige Homogenität aufwies. Neben Frequenzunterschieden zur modernen mitteleuropäischen Bevölkerung war innerhalb der LBK/AVK-Stichprobe eine hohe Frequenz der Haplogruppe N1a festzustellen, welche nicht in den beiden anderen neolithischen Stichproben zu finden war und auch in der heutigen Rezentbevölkerung Eurasiens und Nordafrikas nur mit einer durchschnittlichen Frequenz von 0,2% vertreten ist. Innerhalb der Individuen der Körös-Kultur fanden sich zwei Haplotypen, welche heute nicht in Europa bekannt sind, dagegen jedoch in Süd- bzw. Nordostasien gehäuft vorkommen. Die Ergebnisse der aDNA-Analysen bestätigten im Wesentlichen das komplexe Bild der Neolithischen Transition in Mitteleuropa und konnten die, für diesen Raum postulierte, Hypothese der leap frog colonization weitestgehend unterstützen. Auch für den geographischen Vergleichsraum des nördlichen Osteuropa konnten Parallelen zur etablierten Sichtweise der archäologischen Forschung zu diesem Gebiet und den vorliegenden Ergebnissen der aDNA-Analysen aufgezeigt werden. Die zeitlich verzögerte Annahme der neolithischen Lebensweise im waldreichen nördlichen Osteuropa spiegelt sich in der reduzierten Diversität an mtDNA-Haplogruppen wider. Die vorliegende Dissertation konnte nicht nur durch die Ergebnisse der Haplogruppen-Bestimmung, sondern vor allem durch die umfangreichen und elaborierten Reproduktions- und Authentifizierungprotokolle deutlich machen, dass der Nachweis von humaner alter DNA trotz der allgegenwärtigen, methodenimmanenten Kontaminationsgefahr unter streng kontrollierten Bedingungen möglich ist. Gleichermaßen konnte veranschaulicht werden, dass die aDNA-Analyse wertvolle Hinweise auf das genetische status quo einer Population liefern kann, welche nicht bzw. nur in sehr eingeschränkten Maße von rezenten DNA-Daten abgeleitet werden können. Als sekundäres Ergebnis erlaubte der bislang größte vorliegende Datensatz von ~2500 Klonsequenzen zudem einen detaillierten Einblick in Häufigkeiten und Verteilungsmuster von post mortem Sequenzveränderungen. Es konnten für den mitochondrialen Bereich der Nukleotidpositionen 15997-16409 so genannte hot bzw. cold spots definiert werden, welche für die Auswertung und Interpretation von zukünftigen Sequenzierungen der Hypervariablen Region I des mt-Genoms von entscheidender Bedeutung sein werden.

Dynamics of small interfering RNA - FRET based integrity measurements of siRNA in the cuvette & inside cells

RNAi ist ein bedeutendes Werkzeug zur Funktionsanalyse von Genen und hat großes Potential für den Einsatz in der Therapie. Obwohl effiziente Knockdowns in der Zellkultur erzielt werden, erweist sich eine in vivo Anwendung als schwierig. Die großen Hürden sind dabei der Transport der siRNA ins Zielgewebe und deren voranschreitende Degradierung.rnMarkierte siRNA kann sowohl zur eigenen Integritätsmessung als auch zur Lokalisierung verwendet werden. Zwei Farbstoffe an den jeweiligen 3’- bzw. -5’-Enden des Sense- bzw. Antisense-Stranges erzeugen ein robustes FRET-System (Hirsch et al. 2012). Das Verhältnis von FRET- zu Donor-Signal, das R/G-Ratio, dient zur sensitiven Klassifizierung des Integritätslevels einer siRNA Probe (Järve et al. 2007; Hirsch et al. 2011; Kim et al. 2010). Mit diesem System kann eine Degradierung von weniger als 5 % in der Küvette und in Zellen nachgewiesen werden.rnDie vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Evaluierung von potentiellen FRET Farbstoffpaaren hinsichtlich deren Eignung für in vitro und in vivo Anwendung. Verschiedenste FRET-Paare, die das gesamte sichtbare Spektrum abdecken, wurden evaluiert und ermöglichen nun die Auswahl eines geeigneten Paares für die jeweilige Anwendung oder Kombination mit anderen Farbstoffen.rnMit Hilfe von Alexa555/Atto647N siRNA wurde ein erfolgreicher Einschluss von siRNA in Liposomen beobachtet. Eine anschließende Evaluierung der RNase-Protektion ergab für Liposomen, Nanohydrogele und kationische Peptide hervorragende protektive Eigenschaften. Basierend auf den Ergebnisse können diese und andere Transportsysteme nun für eine zelluläre Aufnahme optimiert werden.rnAtto488/Atto590 zeigte die besten Eigenschaften für Echtzeit-Integritätsmessungen in der Lebendzellmikroskopie. Verringerte Bleicheigenschaften und minimaler spektraler “Cross-Talk” ermöglichten es, transfizierte Zellen über einen Zeitraum von bis zu 8 Stunden zu beobachten. Mittels Atto488/Atto590 siRNA wurde die Einschleusung und Freisetzung in Zellen in Echtzeit untersucht. Dabei konnten Freisetzung und Verteilung in einzelnen Zellen beobachtet und analysiert werden. rnAuf eine anfängliche Phase mit hoher Freisetzungsrate folgte eine Phase mit geringerer Rate für den restlichen Beobachtungszeitraum. Die durchschnittliche Verweildauer im Zytosol betrug 24 und 58 Minuten, wobei zwischen lang- und kurzanhaltenden Ereignissen unterschieden werden konnte. Obwohl ein Import von siRNA in den Zellkern beobachtet wurde, konnte kein Schema bzw. genauer Zeitpunkt, in Bezug auf den Transfektionszeitraum für diese Ereignisse bestimmt werden. Die beobachteten Freisetzungsprozesse fanden sporadisch statt und Änderungen in der zellulären Verteilung geschahen innerhalb von wenigen Minuten. Einmal freigesetzte siRNA verschwand mit der Zeit wieder aus dem Zytosol und es blieben nur kleine Aggregate von siRNA mit immer noch geringer Integrität zurück.rn