Inheritance beyond plain heritability : variance-controlling genes in Arabidopsis thaliana

The phenotypic effect of a gene is normally described by the mean-difference between alternative genotypes. A gene may, however, also influence the phenotype by causing a difference in variance between genotypes. Here, we reanalyze a publicly available Arabidopsis thaliana dataset [1] and show that genetic variance heterogeneity appears to be as common as normal additive effects on a genomewide scale. The study also develops theory to estimate the contributions of variance differences between genotypes to the phenotypic variance, and this is used to show that individual loci can explain more than 20% of the phenotypic variance. Two well-studied systems, cellular control of molybdenum level by the ion-transporter MOT1 and flowering-time regulation by the FRI-FLC expression network, and a novel association for Leaf serration are used to illustrate the contribution of major individual loci, expression pathways, and gene-by-environment interactions to the genetic variance heterogeneity.

Innate Immunity in Insects, Function and Regulation of Hemolin from Hyalophora cecropia

Insects are useful models for the study of innate immune reactions and development. The distinction between recognition mechanisms preceding the breakdown of apoptotic cells during metamorphosis, and the breakdown of cells in response to infections, is unclear. Hemolin, a Lepidopteran member of the immunoglobulin superfamily, is a candidate molecule in self/nonself recognition. This thesis investigates hemolin function and hemolin gene regulation at a molecular level. We investigated the binding and cell adhesion properties of hemolin from H. cecropia and demonstrated that the proteins could homodimerize in presence of calcium. Moreover, a higher molecular weight membrane form of hemolin was present on hemocytes. These results, taken together with an earlier finding that soluble hemolin inhibits hemocyte adhesion, indicated that the secreted hemolin could modulate hemocyte aggregation in a competitive manner in the blood. In addition, hemolin was expressed in different tissues and at different developmental stages. Since hemolin is expressed both during development and during the immune response, its different regulatory factors must act in concert. We found that the third intron contains an enhancer, through which Dif, C/EBP and HMGI synergistically activate a reporter construct in vitro. We concluded that the enhancer is used during infection, since the κB-site is crucial for an immune response. Interestingly, we also found that the active form of the steroid hormone, ecdysone, induces the hemolin gene transcription in vivo, and in addition, acts synergistically during bacterial infection. Preliminary in vivo results indicate a secondary effect of ecdysone and the importance of hormone receptor elements in the upstream promoter region of hemolin. To explore the use of Drosophila as a genetic tool for understanding hemolin function and regulation, we sought to isolate the functional homologue in this species. A fly cDNA library in yeast was screened using H. cecropia hemolin as bait. The screen was not successful. However, it did lead to the discovery of a Drosophila protein with true binding specificity for hemolin. Subsequent characterization revealed a new, highly conserved gene, which we named yippee. Yippee is distantly related to zinc finger proteins and represents a novel family of proteins present in numerous eukaryotes, including fungi, plants and humans. Notably, when the Drosophila genome sequence was revealed, no hemolin orthologue could be detected. Finally, an extensive Drosophila genome chip analysis was initiated. The goal was to investigate the Drosophila immune response, and, in contrast to earlier studies of artificially injected flies, to examine a set of natural microbes, orally and externally applied. In parallel experiments viruses, bacteria, fungi and parasites were compared to unchallenged controls. We obtained a unique set of genes that were up-regulated in the response to the parasite Octosporea muscadomesticae and to the fungus Beauveria bassiana. We expect both down-regulated and up-regulated genes to serve as a source for the discovery of new effector molecules, in particular those that are active against parasites and fungi.

Anti-parasitic and anti-viral immune responses in insects

Insects encounter many microorganisms in nature and to survive they have developed counter measures against the invading pathogens. In Drosophila melanogaster research on insect immunity has mainly been focused on infections by bacteria and fungi. We have explored the immune response against natural infections of the parasite Octosporea muscaedomesticae and the Drosophila C virus as compared to natural infections of bacteria and fungi. By using Affymetrix Drosophila GeneChips, we were able to obtain 48 genes uniquely induced after parasitic infection. It was also clearly shown that natural infections led to different results than when injecting the pathogens. In order to search for the ultimate role of the lepidopteran protein hemolin, we used RNA interference (RNAi). We could show that injection of double stranded RNA (dsRNA) of Hemolin in pupae of Hyalophora cecropia led to embryonic malformation and lethality and that there was a sex specific difference. We continued the RNAi investigation of hemolin in another lepidopteran species, Antheraea pernyi, and discovered that hemolin was induced by dsRNA per se. A similar induction of hemolin was seen after infection with baculovirus and we therefore performed in vivo experiments on baculovirus infected pupae. We could show that a low dose of dsHemolin prolonged the period before the A. pernyi pupae showed any symptoms of infection, while a high dose led to a more rapid onset of symptoms. By performing in silico analysis of the hemolin sequence from A. pernyi in comparison with other Hemolin sequences, it was possible to select a number of sites that either by being strongly conserved or variable could be important targets for future studies of hemolin function.

Identifizierung und Charakterisierung glialer Gene im embryonalen zentralen Nervensystem von Drosophila melanogaster

Im embryonalen Nervensystem von Drosophila wird gliales Schicksal durch den Transkriptionsfaktor gcm induziert. Es konnte gezeigt werden, daß die ektopische Expression von gcm im Nervensystem einen Überschuß an Gliazellen generiert, während Funktionsverlustmutanten von gcm nahezu keine Gliazellen mehr besitzen. Im Gegensatz zu der beschriebenen Funktion von gcm als binäres Schaltergen zwischen neuronalem und glialem Schicksal, gibt es nur wenig Hinweise auf Mechanismen zur weiteren Spezifizierung und Differenzierung der verschiedenen glialen Subtypen und den daran beteiligten Genen. Die vorliegende Arbeit beschreibt die auf Microarray-Experimenten basierende Genom-weite Suche nach neuen gcm-abhängigen glialen Genen. Diese Analyse vergleicht die ektopische Expression von gcm im gesamten Nervensystem und zum ersten Mal die gcm Funktionsverlustmutante mit dem Wildtyp. Beide Ansätze wurden als Zeitverlaufsexperimente durchgeführt, die den Zeitraum der Gliogenese in Drosophila umfassen. Im Vorfeld durchgeführte Kontrollexperimente ermöglichten die Bestimmung des methodischen und genetischen Hintergrundrauschens, die eine Reduktion von "falsch positiven" Genen ermöglichte und die Sensitivität der Microarray-Auswertung erhöhte. Durch manuelle Filterschritte wurde der Schwerpunkt der Daten-Interpretation eher auf biologische Aspekte als auf eine rein statistische Auswertung gelegt und dies brachte deutlich Vorteile in der Auswahl der potentiellen Zielgene. Insbesondere die Analyse der temporalen Expressionsprofile, der Vergleich der antagonistischen Ansätze sowie eine ausführliche Recherche der vorhandenen Datenbanken im Hinblick auf bekannte Expression und Funktion der differentiell regulierten Gene, ermöglichten die Identifizierung von etwa 400 potentiellen Zielgenen. Für mehr als 30% dieser Gene konnte Expression in den gcm-abhängigen Gliazellen, hämatopoetischen Zellen oder den "tendon cells" nachgewiesen werden. Hierunter befinden sich mehr als 50 Gene, deren Abhängigkeit von gcm bisher nicht bekannt war. Eine zelluläre Analyse ausgewählter Kandidatengene auf Einzelzellebene, ihre Abhängigkeit von gcm sowie eine regulatorische Analyse in verschiedenen mutanten Hintergründen bekannter glialer Gene, geben Einblick in die verschiedenen Mechanismen glialer Regulation. An einigen Beispielen wird eine mögliche Funktion der aus dieser Analyse hervorgegangen Gene in den bekannten Kontext glialer Differenzierung und Funktion für Drosophila diskutiert.

Einfluss der Habitatfragmentierung durch Überflutung auf Laufkäferpopulationen (Coleoptera; Carabidae)

Innerhalb dieser Dissertation wurde zwischen den Jahren 2002 und 2005 mit Hilfe von Barberfallen die Laufkäferfauna der Auwälder am nördlichen Oberrhein zwischen Mainz und Bingen erfasst. Dabei dienten verschiedene Rheininseln und ufernahe Festlandgebiete als Probeflächen. Fünf der typischen Bewohner dieser Flächen (Agonum afrum, Nebria brevicollis, Oxypselaphus obscurus, Platynus assimilis, Pterostichus anthracinus) dienten weiterhin als Modellarten für die Untersuchung der genetischen Diversität zwischen den einzelnen Populationen mittels RAPD-Analysen. Alles in allem konnten im Untersuchungsgebiet über 20.000 Individuen aus 101 Carabidenarten gefangen werden. Die häufigsten Vertreter waren Platynus assimilis, Pterostichus melanarius und Agonum afrum. Hohe Diversitäts- und Dominanzindices auf allen Flächen sprechen für die Dynamik des Lebensraumes und somit die Intaktheit der untersuchten Auwälder. Einen weiteren Hinweis auf die ständig wechselnden Lebensbedingungen durch immer wiederkehrende Überflutungen zeigt das Auftreten verschiedener ökologischer Gruppen. Überall dominierten deutlich die Arten, die mit gewissen Störungen des Habitates auskommen oder durch ihr hohes Ausbreitungspotential davor fliehen können. Das sind die Imaginalüberwinterer, makropteren, hygrophilen und kleinen Spezies. Auch das Geschlechterverhältnis weist auf deutliche Anzeichen für regelmäßige Beeinträchtigungen der Flächen hin. Knapp die Hälfte der beobachteten Arten im Untersuchungsgebiet steht auf einer der Roten Listen von Deutschland, Rheinland-Pfalz oder Hessen. Somit besteht für das gesamte Gebiet ein hoher Schutzbedarf. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit lag bei den Einflüssen der Hochwasserstände auf die Artenzusammensetzungen und die genetischen Diversitäten der Laufkäferpopulationen. Deshalb untersuchte man auch die Wirkung derjenigen Faktoren, die ihrerseits unmittelbar von den Extremwasserständen beeinflusst werden. Hier sind vor allem der Auentyp (Weichholz/Hartholz) und die Lage der Flächen auf Insel oder Festland zu nennen, die die deutlichsten Unterschiede in Artendiversität und Genetik der einzelnen Populationen zeigten. Aber auch weitere Faktoren, wie Wasserstandsdynamik, Auwaldbreite, Entfernung vom Fluss und Lage zum Damm weisen Zusammenhänge mit bestimmten ökologischen Gruppen auf. Lediglich die Habitatgröße scheint keinen Einfluss auf die Diversitäten zu nehmen. Abschließend konnten auch für das Jahr 2003, in dem extrem heiße und trockene Bedingungen herrschten, negative Effekte auf die Laufkäfergemeinschaften gezeigt werden.

Genetische Varianten synaptischer Proteine als Risikomechanismus der Alkoholabhängigkeitund Alkohol-bezogener Phänotypen

Die Alkoholabhängigkeit gehört zu den häufigen chronischen Erkrankungen, welche mit einem vorzeitigen Verlust von Gesundheit und Lebensqualität einhergeht. Familien- und Zwillingsuntersuchungen sprechen dafür, dass mehr als 50% der Verhaltensvarianz durch genetische Faktoren zu erklären ist. In der vorliegenden kumulativen Habilitationsarbeit wurden verhaltensgenetische, molekularbiologische, humangenetische und funktionell bildgebende Untersuchungstechniken kombiniert, um ein erweitertes Verständnis der Neurobiologie der Alkoholabhängigkeit zu erzielen. In einer Serie tierexperimenteller Arbeiten konnte u.a. nachgewiesen werden, dass das Gen für das Multiple PDZ Domänen Protein Mpdz ein Kandidatengen des Alkoholentzugs, Barbituratentzugs und der neuronalen Exzitabilität darstellt. In zwei weiteren Untersuchungen wurden Kandidatengene der Alkoholpräferenz untersucht. Hier konnte mit dem Syntaxin binding protein 1 (Stxbp1) ein Kandidatengen der Alkoholpräferenz bestätigt werden. Humangenetische Untersuchungen sprechen dafür, dass molekulare Varianten in der Alpha2 Untereinheit des GABAA Rezeptors zu einem erhöhten Risiko der Entwicklung einer Alkoholabhängigkeit beim Menschen beitragen. Mit einer 18F-Fluorodesoxyglucose Untersuchung konnte nachgewiesen werden, dass Alkohol in vivo das mesolimbische Rewardsystem stimuliert, diese Stimulation jedoch nicht durch Tiagabin, einem GABA-Transporterinhibitor, hemmbar ist. Zusammengefasst sprechen die Untersuchungen dafür, dass molekulare Varianten synaptischer Proteine zu einer veränderten Alkoholempfindlichkeit und dem Risiko zur Entwicklung einer Alkoholabhängigkeit beitragen.

Strukturbildung durch Selbstorganisation von Oligonukleotiden

Die DNA-Doppelhelix ist eine relativ dicke (Ø ≈ 2 nm), kompakte und dadurch auf kurzen Längenskalen relativ steife Verbindung (lp[dsDNA] ≈ 50-60 nm), mit einer klar definierten Struktur, die durch biologische Methoden sehr präzise manipuliert werden kann. Die Auswirkungen der primären Sequenz auf die dreidimensionale Strukturbildung ist gut verstanden und exakt vorhersagbar. Des Weiteren kann DNA an verschiedenen Stellen mit anderen Molekülen verknüpft werden, ohne dass ihre Selbsterkennung gestört wird. Durch die helikale Struktur besteht außerdem ein Zusammenhang zwischen der Lage und der räumlichen Orientierung von eingeführten Modifikationen. Durch moderne Syntheseverfahren lassen sich beliebige Oligonukleotidsequenzen im Bereich bis etwa 150-200 Basen relativ preiswert im Milligrammmaßstab herstellen. Diese Eigenschaften machen die DNA zu einem idealen Kandidaten zur Erzeugung komplexer Strukturen, die durch Selbsterkennung der entsprechenden Sequenzen gebildet werden. In der hier vorgelegten Arbeit wurden einzelsträngige DNA-Abschnitte (ssDNA) als adressierbare Verknüpfungsstellen eingesetzt, um verschiedene molekulare Bausteine zu diskreten nicht periodischen Strukturen zu verbinden. Als Bausteine dienten flexible synthetische Polymerblöcke und semiflexible Doppelstrang-DNA-Abschnitte (dsDNA), die an beiden Enden mit unterschiedlichen Oligonukleotidsequenzen „funktionalisiert“ sind. Die zur Verknüpfung genutzten Oligonukleotidabschnitte wurden so gewählt (n > 20 Basen), dass ihre Hybridisierung zu einer bei Raumtemperatur stabilen Doppelstrangbildung führt. Durch Kombination der Phosphoramiditsynthese von DNA mit einer festkörpergestützten Blockkopplungsreaktion konnte am Beispiel von Polyethylenoxiden ein sehr effektiver Syntheseweg zur Herstellung von ssDNA1-PEO-ssDNA2-Triblockcopolymeren entwickelt werden, der sich problemlos auf andere Polymere übertragen lassen sollte. Die Längen und Basenabfolgen der beiden Oligonukleotidsequenzen können dabei unabhängig voneinander frei gewählt werden. Somit wurden die Voraussetzungen geschaffen, um die Selbsterkennung von Oligonukleotiden durch Kombination verschiedener Triblockcopolymere zur Erzeugung von Multiblockcopolymeren zu nutzen, die mit klassischen Synthesetechniken nicht zugänglich sind. Semiflexible Strukturelemente lassen sich durch die Synthese von Doppelstrangfragmenten mit langen überstehenden Enden (sticky-ends) realisieren. Die klassischen Ansätze der molekularen Genetik zur Erzeugung von sticky-ends sind in diesem Fall nicht praktikabel, da sie zu Einschränkungen im Bezug auf Länge und Sequenz der überhängenden Enden führen. Als Methode der Wahl haben sich zwei verschiedene Varianten der Polymerase Kettenreaktion (PCR) erwiesen, die auf der Verwendung von teilkomplementären Primern beruhen. Die eigentlichen Primersequenzen wurden am 5´-Ende entweder über ein 2´-Desoxyuridin oder über einen kurzen Polyethylenoxid-Spacer (n = 6) mit einer frei wählbaren „sticky-end-Sequenz“ verknüpft. Mit diesen Methoden sind sowohl 3´- als auch 5´-Überhänge zugänglich und die Länge der Doppelstrangabschnitte kann über einen breiten Molmassenbereich sehr exakt eingestellt werden. Durch Kombination derartiger Doppelstrangfragmente mit den biosynthetischen Triblockcopolymeren lassen sich Strukturen erzeugen, die als Modellsysteme zur Untersuchung verschiedener Biomoleküle genutzt werden können, die in Form eines mehrfach gebrochenen Stäbchens vorliegen. Im letzten Abschnitt wurde gezeigt, dass durch geeignete Wahl der überstehenden Enden bzw. durch Hybridisierung der Doppelstrangfragmente mit passenden Oligonukleotiden verzweigte DNA-Strukturen mit Armlängen von einigen hundert Nanometern zugänglich sind. Im Vergleich zu den bisher veröffentlichten Methoden bietet diese Herangehensweise zwei entscheidende Vorteile: Zum einen konnte der Syntheseaufwand auf ein Minimum reduziert werden, zum anderen ist es auf diesem Weg möglich die Längen der einzelnen Arme, unabhängig voneinander, über einen breiten Molmassenbereich zu variieren.

Forensisch relevante SNP-Genotypisierung mittels elektronischer Microarray-Technologie

Die vorliegende Dissertation entstand im Rahmen eines multizentrischen EU-geförderten Projektes, das die Anwendungsmöglichkeiten von Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs) zur Individualisierung von Personen im Kontext der Zuordnung von biologischen Tatortspuren oder auch bei der Identifizierung unbekannter Toter behandelt. Die übergeordnete Zielsetzung des Projektes bestand darin, hochauflösende Genotypisierungsmethoden zu etablieren und zu validieren, die mit hoher Genauigkeit aber geringen Aufwand SNPs im Multiplexformat simultan analysieren können. Zunächst wurden 29 Y-chromosomale und 52 autosomale SNPs unter der Anforderung ausgewählt, dass sie als Multiplex eine möglichst hohe Individualisierungschance aufweisen. Anschließend folgten die Validierungen beider Multiplex-Systeme und der SNaPshot™-Minisequenzierungsmethode in systematischen Studien unter Beteiligung aller Arbeitsgruppen des Projektes. Die validierte Referenzmethode auf der Basis einer Minisequenzierung diente einerseits für die kontrollierte Zusammenarbeit unterschiedlicher Laboratorien und andererseits als Grundlage für die Entwicklung eines Assays zur SNP-Genotypisierung mittels der elektronischen Microarray-Technologie in dieser Arbeit. Der eigenständige Hauptteil dieser Dissertation beschreibt unter Verwendung der zuvor validierten autosomalen SNPs die Neuentwicklung und Validierung eines Hybridisierungsassays für die elektronische Microarray-Plattform der Firma Nanogen Dazu wurden im Vorfeld drei verschiedene Assays etabliert, die sich im Funktionsprinzip auf dem Microarray unterscheiden. Davon wurde leistungsorientiert das Capture down-Assay zur Weiterentwicklung ausgewählt. Nach zahlreichen Optimierungsmaßnahmen hinsichtlich PCR-Produktbehandlung, gerätespezifischer Abläufe und analysespezifischer Oligonukleotiddesigns stand das Capture down-Assay zur simultanen Typisierung von drei Individuen mit je 32 SNPs auf einem Microarray bereit. Anschließend wurde dieses Verfahren anhand von 40 DNA-Proben mit bekannten Genotypen für die 32 SNPs validiert und durch parallele SNaPshot™-Typisierung die Genauigkeit bestimmt. Das Ergebnis beweist nicht nur die Eignung des validierten Analyseassays und der elektronischen Microarray-Technologie für bestimmte Fragestellungen, sondern zeigt auch deren Vorteile in Bezug auf Schnelligkeit, Flexibilität und Effizienz. Die Automatisierung, welche die räumliche Anordnung der zu untersuchenden Fragmente unmittelbar vor der Analyse ermöglicht, reduziert unnötige Arbeitsschritte und damit die Fehlerhäufigkeit und Kontaminationsgefahr bei verbesserter Zeiteffizienz. Mit einer maximal erreichten Genauigkeit von 94% kann die Zuverlässigkeit der in der forensischen Genetik aktuell eingesetzten STR-Systeme jedoch noch nicht erreicht werden. Die Rolle des neuen Verfahrens wird damit nicht in einer Ablösung der etablierten Methoden, sondern in einer Ergänzung zur Lösung spezieller Probleme wie z.B. der Untersuchung stark degradierter DNA-Spuren zu finden sein.

Early steps in ventral nerve cord development in chelicerates and myriapods and formation of brain compartments in spiders

The central point of this work is the investigation of neurogenesis in chelicerates and myriapods. By comparing decisive mechanisms in neurogenesis in the four arthropod groups (Chelicerata, Crustacea, Insecta, Myriapoda) I was able to show which of these mechanisms are conserved and which developmental modules have diverged. Thereby two processes of embryonic development of the central nervous system were brought into focus. On the one hand I studied early neurogenesis in the ventral nerve cord of the spiders Cupiennius salei and Achaearanea tepidariorum and the millipede Glomeris marginata and on the other hand the development of the brain in Cupiennius salei.rnWhile the nervous system of insects and crustaceans is formed by the progeny of single neural stem cells (neuroblasts), in chelicerates and myriapods whole groups of cells adopt the neural cell fate and give rise to the ventral nerve cord after their invagination. The detailed comparison of the positions and the number of the neural precursor groups within the neuromeres in chelicerates and myriapods showed that the pattern is almost identical which suggests that the neural precursors groups in these arthropod groups are homologous. This pattern is also very similar to the neuroblast pattern in insects. This raises the question if the mechanisms that confer regional identity to the neural precursors is conserved in arthropods although the mode of neural precursor formation is different. The analysis of the functions and expression patterns of genes which are known to be involved in this mechanism in Drosophila melanogaster showed that neural patterning is highly conserved in arthropods. But I also discovered differences in early neurogenesis which reflect modifications and adaptations in the development of the nervous systems in the different arthropod groups.rnThe embryonic development of the brain in chelicerates which was investigated for the first time in this work shows similarities but also some modifications to insects. In vertebrates and arthropods the adult brain is composed of distinct centres with different functions. Investigating how these centres, which are organised in smaller compartments, develop during embryogenesis was part of this work. By tracing the morphogenetic movements and analysing marker gene expressions I could show the formation of the visual brain centres from the single-layered precheliceral neuroectoderm. The optic ganglia, the mushroom bodies and the arcuate body (central body) are formed by large invaginations in the peripheral precheliceral neuroectoderm. This epithelium itself contains neural precursor groups which are assigned to the respective centres and thereby build the three-dimensional optical centres. The single neural precursor groups are distinguishable during this process leading to the assumption that they carry positional information which might subdivide the individual brain centres into smaller functional compartments.rn

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.

One-year evaluation of a neonatal screening program for cystic fibrosis in Switzerland

BACKGROUND From January 2011 onward, the Swiss newborn screening (NBS) program has included a test for cystic fibrosis (CF). In this study, we evaluate the first year of implementation of the CF-NBS program. METHODS The CF-NBS program consists of testing in two steps: a heel prick sample is drawn (= Guthrie test) for measurement of immunoreactive trypsinogen (IRT) and for DNA screening. All children with a positive screening test are referred to a CF center for further diagnostic testing (sweat test and genetic analysis). After assessment in the CF center, the parents are given a questionnaire. All the results of the screening process and the parent questionnaires were centrally collected and evaluated. RESULTS In 2011, 83 198 neonates were screened, 84 of whom (0.1%) had a positive screening result and were referred to a CF center. 30 of these 84 infants were finally diagnosed with CF (positive predictive value: 35.7%). There was an additional infant with CF and meconium ileus whose IRT value was normal. The 31 diagnosed children with CF correspond to an incidence of 1 : 2683. The average time from birth to genetically confirmed diagnosis was 34 days (range: 13-135). 91% of the parents were satisfied that their child had undergone screening. All infants receiving a diagnosis of CF went on to receive further professional care in a CF center. CONCLUSION The suggested procedure for CF-NBS has been found effective in practice; there were no major problems with its implementation. It reached high acceptance among physicians and parents.

Genetics of recurrent airway obstruction (RAO)

Recurrent airway obstruction (RAO) is a multifactorial and polygenic disease. Affected horses are typically 7 years of age or older and show exercise intolerance, increased breathing effort, coughing, airway neutrophilia, mucus accumulation and hyperreactivity as well as cholinergic bronchospasm. The environmental factors responsible are predominantly allergens and irritants in haydust, but the immunological mechanisms underlying RAO are still unclear. Several studies have demonstrated a familiar predisposition for RAO and it is now proven that the disease has a genetic basis. In offspring, the risk of developing RAO is 3-fold increased when one parent is affected and increases to almost 5-fold when both parents have RAO. Segregation analysis in two high-prevalence families demonstrated a high heritability and a complex inheritance with several major genes. A whole genomescan showed chromosome-wide significant linkage of seven chromosomal regions with RAO. Of the microsatellites, which were located near atopy candidate genes, those in a region of chromosome 13 harboring the IL4R gene were strongly associated with the RAO phenotype in the offspring of one RAO-affected stallion. Furthermore, IgE-levels are influenced by hereditary factors in the horse, and we have evidence that RAO-affected offspring of the same stallion have increased levels of specific IgE against moldspore allergens. The identification of genetic markers and ultimately of the responsible genes will not only allow for an improved prophylaxis, i.e. early identification of susceptible individuals and avoidance of high-risk matings, but also improve our ability to find new therapeutic targets and to optimize existing treatments.

Hereditäre Thrombozytopathie beim Simmental Rind.

Der Wiederkäuerklinik oder dem Institut für Genetik der Universität Bern wurden zwi-schen 2012 und 2014 insgesamt 5 Rinder der Rasse Simmental vorgestellt, die je-weils nicht sistierende Blutungen nach Trauma zeigten. Alle betroffenen Tiere waren homozygote Träger für die seit 2007 bekannte RASGRP2 Mutation. Die verfügbaren Eltern wurden als heterozygote Anlageträger genotypisiert, was somit einen rezessi-ven Erbgang bestätigt. Drei erkrankte Tiere sind an den Folgen der unstillbaren Blu-tungen verstorben. Ein Tier konnte stabilisiert werden und wurde einen Monat nach der Entlassung aus der Klinik geschlachtet. Bei einem weiteren Fall wurden wieder-holt andauernde Blutungen sowie mehrmals Hämatome festgestellt und nach der genetischen Analyse wurde das Rind euthanasiert. Die Genotypisierung einer Stich-probe von 145 Stieren, die im Jahr 2013 in der Schweiz in der künstlichen Besamung zum Einsatz kamen, zeigte, dass 10% der getesteten Stiere in der Schweiz Anlage-träger für die assoziierte Mutation sind. Diese Stiere werden mit TP carrier gekenn-zeichnet und sollten zukünftig nicht mehr unkontrolliert eingesetzt werden. Die Zuchtverantwortlichen in der Schweiz nutzen heute den Gentest systematisch zur Selektion von anlagefreien Stieren.

Einfluss von Polymorphismen im IL 1B-Gen und IL 1 RN-Gen, sowie der assoziierten Haplotypen auf die Entwicklung von Magenkarzinomen und deren prämalignen Konditionen

Universität Magdeburg, Dissertation, 2016

Repräsentationen im Biologieunterricht - eine qualitative Studie zur Perspektive von Lernenden

Externe Repräsentationen, wie beispielsweise Texte, Bilder und deren Kombinationen, sind zum einen im Alltag und in der Biologie als Wissenschaft, zum anderen ebenfalls im Unterrichtsfach Biologie allgegenwärtig. Die Darbietungsmöglichkeiten für externe Repräsentationen sind dabei äußerst vielfältig, wobei gerade in der heutigen Zeit Informationsquellen aller Art meist nur wenige Klicks entfernt, oder auf andere Weisen nahezu unmittelbar verfügbar sind. Für Lernende im Unterrichtsfach Biologie stellt das Erschließen und Austauschen biologisch relevanter Informationen eine wichtige Aufgabe und Herausforderung dar. Naturwissenschaftlicher Kommunikation wird sowohl im Hessischen Kerncurriculum als auch in den Bildungsstandards für das Fach Biologie eine zentrale Bedeutung beigemessen. Im Zuge dieser qualitativen, empirischen Studie zu externen Repräsentationen soll einerseits herausgefunden werden, welche Charakteristika bzw. Eigenschaften externer Repräsentationen im BU aus der Perspektive der Lernenden als typisch empfunden werden. Andererseits dient diese Arbeit dazu, den Strategieeinsatz der Lernenden in Bezug auf das Erschließen externer Repräsentationen im BU zu erforschen. Anhand von leitfadengestützten Interviews mit Schülerinnen und Schülern der Sekundarstufe II wurde zu diesem Forschungsanliegen Datenmaterial erhoben, das nach anschließender Transkription mit der Methode der qualitativen Inhaltsanalyse ausgewertet wird. Im Rahmen der durchgeführten Interviews wurden Beispielrepräsentationen aus Schulbüchern zum Themenfeld der klassischen Genetik eingesetzt, die im Vorfeld theoriegeleitet ausgewählt worden sind.