Role of Rab5 in synaptic vesicle recycling

During synaptic transmission, NT-filled synaptic vesicles are released by Ca2+-triggered exocytosis at the active zone. Following exocytosis, SV membrane is immediately re-internalized and synaptic vesicles (SVs) are regenerated by a local recycling mechanism within the presynaptic terminal. It is debated whether an endosomal compartment is involved in this recycling process. In contrast, it is well known from cultured mammalian cells, that endocytic vesicles fuse to the early sorting endosome. The early endosome is a major sorting station of the cell where cargo is send into the degradative pathway to late endosome and lysosome or towards recycling. Each trafficking step is mediated by a certain protein of the Rab family. Rab proteins are small GTPases belonging to the Ras superfamily. They accumulate at their target compartments and have thereby been used as markers for the different endocytic organelles in cultured mammalian cells. Rab5 controls trafficking from the PM to the early endosome and has thereby been used as marker for this compartment. A second marker is based on the specific binding of the FYVE zinc finger protein domain to the lipid PI(3)P that is specifically generated at the early endosomal membrane. This study used the Drosophila NMJ as a model system to investigate the SV recycling process. In particular, three questions were addressed: First, is an endosomal compartment present at the synapse? Second, do SVs recycle through an endosome? Third, is Rab5 involved in SV recycling? We used GFP fusions of Rab5 and 2xFYVE to visualize endosomal compartments at the presynaptic terminal of Drosophila third instar larval NMJs. Furthermore, the endosomes are located within the pool of recycling SVs, labeled with the styryl-dye FM5-95. Using the temperature-sensitive mutation in Dynamin, shibirets, we showed that SV recycling involves trafficking through an intermediate endosomal compartment. In cultured mammalian cells, interfering with Rab5 function by expressing the dominant negative version, Rab5SN causes the fragmentation of the endosome and the accumulation of endocytic vesicles. In contrast, when Rab5 is overexpressed enlarged endosomal compartments were observed. In Drosophila, the endosomal compartment was disrupted when loss of function and dominant negative mutants of Rab5 were expressed. In addition, at the ultrastructural we observed an accumulation of endocytic vesicles in Rab5S43N expressing terminals and enlarged endosomes when Rab5 was overexpressed. Furthermore, interfering with Rab5 function using the dominant negative Rab5S43N caused a decrease in the SV recycling kinetics as shown by FM1-43 experiments. In contrast, overexpression of Rab5 or GFP-Rab5 caused an increase in the FM1-43 internalization rate. Finally, standard electrophysiological techniques were used to measure synaptic function. We found that the Rab5-mediated endosomal SV recycling pathway generates vesicles with a higher fusion efficacy during Ca2+-triggered release, compared to SVs recycled when Rab5 function was impaired. We therefore suggest a model in which the endosome serves as organelle to control the SV fusion efficacy and thereby the synaptic strength. Since changes in the synaptic strength are occuring during learning and memory processes, controlling endosomal SV recycling might be a new molecular mechanism involved in learning and memory.

Recycling urban waste as possible use for rooftop vegetable garden

Urban authorities in Europe are confronted with increasing demands by urban dwellers for allotment gardens, but vacant urban soil tends to be scarce and/or polluted by past industrial activities. A possible solution for local authorities could therefore be to promote rooftop gardening. However little technical information exists on certain forms of rooftop urban agriculture, called Z-Farming. In 2012, a pilot experiment was run in Paris (France). Simple and cheap systems of rooftop gardening were tested on a rooftop using as crop substrates only local urban organic waste so as to contribute to the urban metabolism. Production levels and heavy metal contents in cropping substrates and edible vegetables were measured. Available results show (i) high levels of crop production with limited inputs compared to land professional gardening, (ii) low levels of heavy metal pollutants in the edible parts of the crops, especially for Cd and Pb with respect to EU norms for vegetables and (iii) positive influence on yields on organizing the substrate in layers and enhancing the biological activity through earthworm inoculation. These encouraging results allow us to consider that rooftop gardening is feasible and seem to have a great potential to improve urban resiliency. It will nevertheless be necessary to identify more precisely the types of roof that can be used and to assess more fully the generic result of the low level of pollution, as well as the global sustainability of these cropping systems.

Classification of recycled sands and their applications as fine aggregates for concrete and bituminous mixtures

As a result of the drive towards waste-poor world and reserving the non-renewable materials, recycling the construction and demolition materials become very essential. Now reuse of the recycled concrete aggregate more than 4 mm in producing new concrete is allowed but with natural sand a fine aggregate while. While the sand portion that represent about 30\% to 60\% of the crushed demolition materials is disposed off. To perform this research, recycled concrete sand was produced in the laboratory while nine recycled sands produced from construction and demolitions materials and two sands from natural crushed limestone were delivered from three plants. Ten concrete mix designs representing the concrete exposition classes XC1, XC2, XF3 and XF4 according to European standard EN 206 were produced with partial and full replacement of natural sand by the different recycled sands. Bituminous mixtures achieving the requirements of base courses according to Germany standards and both base and binder courses according to Egyptian standards were produced with the recycled sands as a substitution to the natural sands. The mechanical properties and durability of concrete produced with the different recycled sands were investigated and analyzed. Also the volumetric analysis and Marshall test were performed hot bituminous mixtures produced with the recycled sands. According to the effect of replacement the natural sand by the different recycled sands on the concrete compressive strength and durability, the recycled sands were classified into three groups. The maximum allowable recycled sand that can be used in the different concrete exposition class was determined for each group. For the asphalt concrete mixes all the investigated recycled sands can be used in mixes for base and binder courses up to 21\% of the total aggregate mass.

Soil organic carbon management for sustainable land use in Sudano-Sahelian West Africa

Judged by their negative nutrient balances, low soil cover and low productivity, the predominant agro-pastoral farming systems in the Sudano-Sahelian zone of West Africa are highly unsustainable for crop production intensification. With kaolinite as the main clay type, the cation exchange capacity of the soils in this region, often less than 1 cmol_c kg^-1 soil, depends heavily on the organic carbon (Corg) content. However, due to low carbon sequestration and to the microbe, termite and temperature-induced rapid turnover rates of organic material in the present land-use systems, Corg contents of the topsoil are very low, ranging between 1 and 8 g kg^-1 in most soils. For sustainable food production, the availability of phosphorus (P) and nitrogen (N) has to be increased considerably in combination with an improvement in soil physical properties. Therefore, the adoption of innovative management options that help to stop or even reverse the decline in Corg typically observed after cultivating bush or rangeland is of utmost importance. To maintain food production for a rapidly growing population, targeted applications of mineral fertilisers and the effective recycling of organic amendments as crop residues and manure are essential. Any increase in soil cover has large effects in reducing topsoil erosion by wind and water and favours the accumulation of wind-blown dust high in bases which in turn improves P availability. In the future decision support systems, based on GIS, modelling and simulation should be used to combine (i) available fertiliser response data from on-station and on-farm research, (ii) results on soil productivity restoration with the application of mineral and organic amendments and (iii) our present understanding of the cause-effect relationships governing the prevailing soil degradation processes. This will help to predict the effectiveness of regionally differentiated soil fertility management approaches to maintain or even increase soil Corg levels.

Plant genetic diversity, irrigation and nutrient cycling in traditional mountain oases of northern Oman

Little is known about plant biodiversity, irrigation management and nutrient fluxes as criteria to assess the sustainability of traditional irrigation agriculture in eastern Arabia. Therefore interdisciplinary studies were conducted over 4 yrs on flood-irrigated fields dominated by wheat (Triticum spp.), alfalfa (Medicago sativa L.) and date palm (Phoenix dactylifera L.) in two mountain oases of northern Oman. In both oases wheat landraces consisted of varietal mixtures comprising T. aestivum and T. durum of which at least two botanical varieties were new to science. During irrigation cycles of 6-9 days on an alfalfa-planted soil, volumetric water contents ranged from 30-13%. For cropland, partial oasis balances (comprising inputs of manure, mineral fertilizers, N2-fixation and irrigation water, and outputs of harvested products) were similar for both oases, with per hectare annual surpluses of 131 kg N, 37 kg P and 84 kg K at Balad Seet and of 136 kg N, 16 kg P and 66 kg K at Maqta. Respective palm grove surpluses, in contrast were with 303 kg N, 38 kg P, and 173 kg K ha^-1 yr^-1 much higher at Balad Seet than with 84 kg N, 14 kg P and 91 kg K ha^-1 yr^-1 at Maqta. The results show that the sustainability of these irrigated landuse systems depends on a high quality of the irrigation water with low Na but high CaCO3, intensive recycling of manure and an elaborate terrace structure with a well tailored water management system that allows adequate drainage.

Manipulation der Aktin-Hülle später Endosomen durch ektopisches Protein-Targeting und Etablierung einer in vivo-Hierarchie cytoplasmatischer Targeting-Signalstärken

Der Endocytoseweg in Dictyostelium verläuft über definierte endosomale Reifestadien. Dabei werden die reifenden Endosomen im letzten Stadium durch eine Schicht aus filamentösem Aktin umhüllt. Über die biologische Funktion dieser Aktin-Hülle ist derzeit wenig bekannt. Zum weiteren Erkenntnisgewinn sollten daher unterschiedliche Aktin-interagierende Proteine an die endosomale Aktin-Hülle dirigiert und die sich daraus ergebenden Folgen untersucht werden. Dabei wurde der in Drengk et al., 2003 beschriebene Ansatz aufgegriffen, in dem Proteine durch die Fusion an Vacuolin an die späte endosomale Membran transportiert wurden. Die endosomale Lokalisation von DAip1 bewirkte den vollständigen Verlust der endosomalen Aktin-Hülle, ohne dabei das restliche zelluläre Cytoskelett zu beeinträchtigen. Dabei wird die Depolymerisation vermutlich über die nachgewiesene Interaktion von DAip1 mit dem Aktin-depolymerisierenden Protein Cofilin bewirkt. Einhergehend damit trat eine Aggregation der betroffenen Kompartimente, eine Verzögerung des endocytotischen Transits, sowie eine verstärkte Retention lysosomaler Enzyme auf. Diese Ergebnisse ließen auf eine Funktion der endosomalen Aktin-Hülle als Fusionsinhibitor oder in der Regulation von Recycling-Prozessen an späten Endosomen schließen. Die Verlängerung der endosomalen Verweilzeit des den Arp2/3-Komplex negativ regulierenden Proteins Coronin bewirkte dagegen keine offensichtlichen Veränderungen in den betroffenen Zellen. Diese Beoachtung könnte ein Indiz dafür sein, dass nach der Ausbildung der Aktin-Hülle keine weiteren essentiellen Arp2/3-abhängigen mehr an der endosomalen Membran auftreten. Die endosomale Lokalisation des Aktin-Crosslinkers ABP34 induzierte ebenfalls keine Abweichungen vom Wildtyp-Verhalten. Hierbei besteht allerdings die Möglichkeit, dass die Aktivität des Proteins durch die bereits zuvor beschriebene Calcium-Sensitivität beeintächtigt vorliegt. Eine Verstärkung der endosomalen Hülle konnte trotz der Verwendung unterschiedlicher Ansätze nicht hervorgerufen werden. Offensichtlich wirkt die zusätzliche Expression zentraler Regulatoren der Aktin-Polymerisation in der Zelle cytotoxisch. Die Bindung von VASP an die endosomale Membran bewirkte in den Zellen die Ausbildung voluminöser, cytoplasmatischer „Aktin-Bälle“. Diese riefen in den betroffenen Zellen Defekte in unterschiedlichen Aktin-abhängigen Prozessen, wie der Phago- und Pinocytose, sowie der Cytokinese hervor. Dabei gehen die beobachteten Veränderungen vermutlich auf die nachgewiesene Störung im Gleichgewicht zwischen G- und F-Aktin zurück. Obwohl die Aktin-Bälle an der endosomalen Membran entstehen, weisen sie nach vollendeter Entstehung keine inneren oder äußeren Membranen mehr auf und nehmen nicht mehr aktiv am endocytotischen Geschehen teil. Die nähere Charakterisierung offenbarte große Ähnlichkeit zu den mit unterschiedlichen neurodegenerativen Erkrankungen assoziierten Hirano-Bodies. Über das beobachtbare Lokalisationsverhalten der unterschiedlichen im ersten Teil der Arbeit eingesetzten Vacuolin-Hybridproteine ließ sich die Stärke der Lokalisationsinformationen der fusionierten Aktin-interagierenden Proteine miteinander vergleichen. Dies wurde verwendet, um die einzelnen Proteine gemäß ihres Targeting-Potenzials hierarchisch anzuordnen. Im zweiten Teil der Arbeit wurden dieser Hierarchie die beiden cytoplasmatischen Targeting-Signale für Peroxisomen (PTS1) und den Zellkern (SV40-NLS) hinzugefügt. Der vorgenommene Vergleich dieser in vivo gewonnen Daten aus Dictyostelium mit unterschiedlichen in vitro-Bindungsstudien mit homologen Proteinen anderer Organismen zeigte eine erstaunlich gute Übereinstimmung. Diese Beobachtung lässt auf vergleichbare Targeting-Affinitäten innerhalb der Eukaryoten schließen und belegt, dass die zelluläre Lokalisation eines Proteins relativ sicher anhand der in ihm vorhandenen Bindungs-Affinitäten vorhergesagt werden kann. Durch die Kombination der in vivo- und in vitro-Daten war es auch ohne Kenntnis des Oligomerisierungsgrades und des Interaktionspartners erstmals möglich, die Bindungsstärke von Vacuolin an der endosomalen Membran auf einen definierten Bereich einzugrenzen.

Nachhaltigkeit in der Landschaftsarchitektur auf Altindustrieflächen

Prinzipien und Strategien der Nachhaltigkeit spielen auch in der zeitgenössischen Landschaftsarchitektur eine immer bedeutendere Rolle. Vor dem Hintergrund der ansteigenden Zahl an postindustriellen Flächen in Deutschland und der gleichzeitigen Zielsetzung, im Sinne einer nachhaltigen gesellschaftlichen Entwicklung die Flächeninanspruchnahme zu reduzieren, entsteht die Forderung, die Altindustrie-Areale in eine nachhaltige neue Nutzung zu überführen und damit auch den Außenraum nachhaltig zu entwickeln. Dabei spielt die Integration der vorhandenen Strukturen wie Baukonstruktionen, Materialien und Vegetation eine bedeutende Rolle. Für den nachhaltigen Umgang mit den vorhandenen Elementen im Außenraum gibt es bisher keine systematisierten Anweisungen oder Handlungsrichtlinien. Die Arbeit schließt diese Lücke , indem sowohl grundsätzliche Nachhaltigkeitspotenziale in der Landschaftsarchitektur untersucht und definiert werden als auch die Anwendung der erarbeiteten Prinzipien auf den Umgang mit den besonderen Orten der Altindustrieflächen erfolgt. Ein Vorgehen im Sinne einer nachhaltigen Entwicklung des Außenraumes unter Einbeziehung der vorhandenen Elemente und Strukturen wird systematisiert und in Handlungsrichtlinien formuliert. Praxisnähe und Anwendbarkeit sind dabei wichtige Zielsetzungen. Um nicht nur die Relevanz der vorhandenen Strukturen für die ökonomische Dimension der Nachhaltigkeit zu untersuchen, wird im zweiten Teil der Arbeit die Frage nach der Bedeutung der vorhandenen Elemente für den ökonomischen Aspekt der Nachhaltigkeit gestellt und beantwortet. Dazu wird ein Beispielstandort einer ehemaligen Zeche im Ruhrgebiet ausgewählt. Für ein charakteristisches Teilareal mit zahlreichen vorhandenen Strukturen im Außenraum wie befestigten Flächen aus unterschiedlichen Materialien, Baukonstruktionen sowie Vegetation werden die Baukosten detailliert für verschiedene Szenarien - je nach Anteil von Wiederverwendung bzw. Neubau - kalkuliert und verglichen. In einem zweiten Schritt erfolgt die Kalkulation der Baukosten für die Szenarien bei Verwendung vorhandener recycelter Materialien. Im Ergebnis zeigt die Arbeit die Nachhaltigkeitspotenziale innovativer Landschaftsarchitektur systematisch und praxisbezogen auf - generell, wie auch für den speziellen Fall der postindustriellen Flächen. Die ökonomische Bedeutung der vorhandenen Substanz im Außenraum wird anhand eines konkreten Fallbeispiels untersucht, und es werden Aussagen zu Einsparungsmöglichkeiten durch die Integration der vorhandenen Strukturen sowie durch den Einsatz der recycelten vorhandenen Materialien getroffen. So können z.B. für bestimmte Kostengruppen Baukosten in einem Rahmen von bis zu 40 % bei Verwendung/Recycling der vorhandenen Bausubstanz eingespart werden. Die Ergebnisse der Untersuchungen sind in praxisnaher Form präsentiert und stellen eine wichtige Entscheidungsgrundlage im Planungsprozess postindustrieller Nutzungen auf Altindustrieflächen dar.

Pharmaceutical consumption and residuals potentially relevant to nutrient cycling in Greater Accra, Ghana

Recycling nutrients form sanitary wastes back into agricultural ecosystems offers an option to alleviate soil depletion in regions where the use of mineral fertiliser is limited. Exemplary nutrient and water cycling approaches, including collection, treatment and use of human urine, are established at Valley View University (VVU) in Greater Accra, Ghana. Concerns have been recently raised in regard to fate and impact of pharmaceutical residues in soils and interlinked environment. To evaluate in how far emerging knowledge can be transposed onto VVU, urban and rural environments in Greater Accra, spatial disease occurrence and drug consumption patterns were studied. Malaria has been found to represent the most severe health burden in Ghana, but there is also a high prevalence of infectious diseases. Drugs consumed in great quantities and in respect to their residual loads potentially problematic in the environment belong to therapeutic groups of: antibiotics, analgesics, drugs for diabetes, antimalarials, cardiovascular drugs and anthelmintics. Drug consumption revealed to be highest in urban and lowest in rural areas. At VVU the range of consumed drugs is comparable to urban areas except for the negligible use of diabetes and cardiovascular medication as well as contraceptives.