Patient-specific anisotropic model of human trunk based on MR data

There are many ways to generate geometrical models for numerical simulation, and most of them start with a segmentation step to extract the boundaries of the regions of interest. This paper presents an algorithm to generate a patient-specific three-dimensional geometric model, based on a tetrahedral mesh, without an initial extraction of contours from the volumetric data. Using the information directly available in the data, such as gray levels, we built a metric to drive a mesh adaptation process. The metric is used to specify the size and orientation of the tetrahedral elements everywhere in the mesh. Our method, which produces anisotropic meshes, gives good results with synthetic and real MRI data. The resulting model quality has been evaluated qualitatively and quantitatively by comparing it with an analytical solution and with a segmentation made by an expert. Results show that our method gives, in 90% of the cases, as good or better meshes as a similar isotropic method, based on the accuracy of the volume reconstruction for a given mesh size. Moreover, a comparison of the Hausdorff distances between adapted meshes of both methods and ground-truth volumes shows that our method decreases reconstruction errors faster. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.

HelF, a suppressor of RNAi mediated gene silencing in Dictyostelium discoideum

RNA interference (RNAi) is a recently discovered process, in which double stranded RNA (dsRNA) triggers the homology-dependant degradation of cognate messenger RNA (mRNA). In a search for new components of the RNAi machinery in Dictyostelium, a new gene was identified, which was called helF. HelF is a putative RNA helicase, which shows a high homology to the helicase domain of Dicer, to the helicase domain of Dictyostelium RdRP and to the C. elegans gene drh-1, that codes for a dicer related DExH-box RNA helicase, which is required for RNAi. The aim of the present Ph.D. work was to investigate the role of HelF in PTGS, either induced by RNAi or asRNA. A genomic disruption of the helF gene was performed, which resulted in a distinct mutant morphology in late development. The cellular localization of the protein was elucidated by creating a HelF-GFP fusion protein, which was found to be localized in speckles in the nucleus. The involvement of HelF in the RNAi mechanism was studied. For this purpose, RNAi was induced by transformation of RNAi hairpin constructs against four endogenous genes in wild type and HelF- cells. The silencing efficiency was strongly enhanced in the HelF K.O. strain in comparison with the wild type. One gene, which could not be silenced in the wild type background, was successfully silenced in HelF-. When the helF gene was disrupted in a secondary transformation in a non-silenced strain, the silencing efficiency was strongly improved, a phenomenon named here “retrosilencing”. Transcriptional run-on experiments revealed that the enhanced gene silencing in HelF- was a posttranscriptional event, and that the silencing efficiency depended on the transcription levels of hairpin RNAs. In HelF-, the threshold level of hairpin transcription required for efficient silencing was dramatically lowered. The RNAi-mediated silencing was accompanied by the production of siRNAs; however, their amount did not depend on the level of hairpin transcription. These results indicated that HelF is a natural suppressor of RNAi in Dictyostelium. In contrast, asRNA mediated gene silencing was not enhanced in the HelF K.O, as shown for three tested genes. These results confirmed previous observations (H. Martens and W. Nellen, unpublished) that although similar, RNAi and asRNA mediated gene silencing mechanisms differ in their requirements for specific proteins. In order to characterize the function of the HelF protein on a molecular level and to study its interactions with other RNAi components, in vitro experiments were performed. Besides the DEAH-helicase domain, HelF contains a double-stranded RNA binding domain (dsRBD) at its N-terminus, which showed high similarity to the dsRBD domain of Dicer A from Dictyostelium. The ability of the recombinant dsRBDs from HelF and Dicer A to bind dsRNA was examined and compared. It was shown by gel-shift assays that both HelF-dsRBD and Dicer-dsRBD could bind directly to long dsRNAs. However, HelF-dsRBD bound more efficiently to dsRNA with imperfect matches than to perfect dsRNA. Both dsRBDs bound specifically to a pre-miRNA substrate (pre-let-7). The results suggested that most probably there were two binding sites for the proteins on the pre-miRNA substrate. Moreover, it was shown that HelF-dsRBD and Dicer-dsRBD have siRNA-binding activity. The affinities of the two dsRBDs to the pre-let-7 substrate were also examined by plasmon surface resonance analyses, which revealed a 9-fold higher binding affinity of the Dicer-dsRBD to pre-let-7 compared to that of the HelF-dsRBD. The binding of HelF-dsRBD to the pre-let-7 was impaired in the presence of Mg2+, while the Dicer-dsRBD interaction with pre-let-7 was not influenced by the presence of Mg2+. The results obtained in this thesis can be used to postulate a model for HelF function. In this, HelF acts as a nuclear suppressor of RNAi in wild type cells by recognition and binding of dsRNA substrates. The protein might act as a surveillance system to avoid RNAi initiation by fortuitous dsRNA formation or low abundance of dsRNA trigger. If the protein acts as an RNA helicase, it could unwind fold-back structures in the nucleus and thus lead to decreased RNAi efficiency. A knock-out of HelF would result in initiation of the RNAi pathway even by low levels of dsRNA. The exact molecular function of the protein in the RNAi mechanism still has to be elucidated. RNA interferenz (RNAi) ist ein in jüngster Zeit entdeckter Mechanismus, bei dem doppelsträngige RNA Moleküle (dsRNA) eine Homologie-abhängige Degradation einer verwandten messenger-RNA (mRNA) auslösen. Auf der Suche nach neuen Komponenten der RNAi-Maschinerie in Dictyostelium konnte ein neues Gen (helF) identifiziert werden. HelF ist eine putative RNA-Helikase mit einer hohen Homologie zur Helikasedomäne der bekannten Dicerproteine, der Helikasedomäne der Dictyostelium RdRP und zu dem C. elegans Gen drh-1, welches für eine Dicer-bezogene DExH-box RNA Helikase codiert, die am RNAi-Mechanismus beteiligt ist. Das Ziel dieser Arbeit war es, die Funktion von HelF im Zusammenhang des RNAi oder asRNA induzierten PTGS zu untersuchen. Es wurde eine Unterbrechung des helF-Gens auf genomischer Ebene (K.O.) vorgenommen, was bei den Mutanten zu einer veränderten Morphologie in der späten Entwicklung führte. Die Lokalisation des Proteins in der Zelle konnte mit Hilfe einer GFP-Fusion analysiert werden und kleinen Bereichen innerhalb des Nukleus zugewiesen werden. Im Weiteren wurde der Einfluss von HelF auf den RNAi-Mechanismus untersucht. Zu diesem Zweck wurde RNAi durch Einbringen von RNAi Hairpin-Konstrukten gegen vier endogene Gene im Wiltypstamm und der HelF--Mutante induziert. Im Vergleich zum Wildtypstamm konnte im HelF--Mutantenstamm eine stark erhöhte „Silencing“-Effizienz nachgewiesen werden. Ein Gen, welches nach RNAi Initiation im Wildtypstamm unverändert blieb, konnte im HelF--Mutantenstamm erfolgreich stillgelegt werden. Durch sekundäres Einführen einer Gendisruption im helF-Locus in einen Stamm, in welchem ein Gen nicht stillgelegt werden konnte, wurde die Effizienz des Stilllegens deutlich erhöht. Dieses Phänomen wurde hier erstmals als „Retrosilencing“ beschrieben. Mit Hilfe von transkriptionellen run-on Experimenten konnte belegt werden, dass es sich bei dieser erhöhten Stilllegungseffizienz um ein posttranskriptionelles Ereignis handelte, wobei die Stillegungseffizienz von der Transkriptionsstärke der Hairpin RNAs abhängt. Für die HelF--Mutanten konnte gezeigt werden, dass der Schwellenwert zum Auslösen eines effizienten Stillegens dramatisch abgesenkt war. Obwohl die RNAi-vermittelte Genstilllegung immer mit der Produktion von siRNAs einhergeht, war die Menge der siRNAs nicht abhängig von dem Expressionsniveau des Hairpin-Konstruktes. Diese Ergebnisse legen nahe, dass es sich bei der HelF um einen natürlichen Suppressor des RNAi-Mechanismus in Dictyostelium handelt. Im Gegensatz hierzu war die as-vermittelte Stilllegung von drei untersuchten Genen im HelF-K.O. im Vergleich zum Wildyp unverändert. Diese Ergebnisse bestätigten frühere Beobachtungen (H. Martens und W. Nellen, unveröffentlicht), wonach die Mechanismen für RNAi und asRNA-vermittelte Genstilllegung unterschiedliche spezifische Proteine benötigen. Um die Funktion des HelF-Proteins auf der molekularen Ebene genauer zu charakterisieren und die Interaktion mit anderen RNAi-Komponenten zu untersuchen, wurden in vitro Versuche durchgeführt. Das HelF-Protein enthält, neben der DEAH-Helikase-Domäne eine N-terminale Doppelstrang RNA bindende Domäne (dsRBD) mit einer hohen Ähnlichkeit zu der dsRBD des Dicer A aus Dictyostelium. Die dsRNA-Bindungsaktivität der beiden dsRBDs aus HelF und Dicer A wurde analysiert und verglichen. Es konnte mithilfe von Gel-Retardationsanalysen gezeigt werden, dass sowohl HelF-dsRBD als auch Dicer-dsRBD direkt an lange dsRNAs binden können. Hierbei zeigte sich, dass die HelF-dsRBD eine höhere Affinität zu einem imperfekten RNA-Doppelstrang besitzt, als zu einer perfekt gepaarten dsRNA. Für beide dsRBDs konnte eine spezifische Bindung an ein pre-miRNA Substrat nachgewiesen werden (pre-let-7). Dieses Ergebnis legt nah, dass es zwei Bindestellen für die Proteine auf dem pre-miRNA Substrat gibt. Überdies hinaus konnte gezeigt werden, dass die dsRBDs beider Proteine eine siRNA bindende Aktivität besitzen. Die Affinität beider dsRBDs an das pre-let-7 Substrat wurde weiterhin mit Hilfe der Plasmon Oberflächen Resonanz untersucht. Hierbei konnte eine 9-fach höhere Bindeaffinität der Dicer-dsRBD im Vergleich zur HelF-dsRBD nachgewiesen werden. Während die Bindung der HelF-dsRBD an das pre-let-7 durch die Anwesenheit von Mg2+ beeinträchtigt war, zeigte sich kein Einfluß von Mg2+ auf das Bindeverhalten der Dicer-dsRBD. Mit Hilfe der in dieser Arbeit gewonnen Ergebnisse lässt sich ein Model für die Funktion von HelF postulieren. In diesem Model wirkt HelF durch Erkennen und Binden von dsRNA Substraten als Suppressor von der RNAi im Kern. Das Protein kann als Überwachungsystem gegen eine irrtümliche Auslösung von RNAi wirken, die durch zufällige dsRNA Faltungen oder eine zu geringe Häufigkeit der siRNAs hervorgerufen sein könnte. Falls das Protein eine Helikase-Aktivität besitzt, könnte es rückgefaltete RNA Strukturen im Kern auflösen, was sich in einer verringerten RNAi-Effizienz wiederspiegelt. Durch Ausschalten des helF-Gens würde nach diesem Modell eine erfolgreiche Auslösung von RNAi schon bei sehr geringer Mengen an dsRNA möglich werden. Das Modell erlaubt, die exakte molekulare Funktion des HelF-Proteins im RNAi-Mechanismus weiter zu untersuchen.

VUV-Laserablation von Spinnenseide

Spinnenseide gehört zu den stabilsten bekannten Polymerverbindungen. Spinnfäden können bis auf das Dreifache ihrer ursprünglichen Länge gedehnt werden, bevor sie reißen, und dabei mit rund 160 MJ/m³ mehr als dreimal soviel Energie absorbieren wie die stärkste synthetisch hergestellte Faser Kevlar (50 MJ/m³). Dabei weisen Spinnfäden mit 2 bis 5 Mikrometer nur ein Zehntel des Durchmessers eines menschlichen Haares auf. Das präzise, berührungslose Bearbeiten von Spinnenseide ist für verschiedene technische Anwendungen interessant, insbesondere wenn dabei ihre außergewöhnlichen Eigenschaften erhalten bleiben. Könnten die von Natur aus dünnen Seidenfäden gezielt in ihrem Durchmesser verringert werden, so wären sie unter anderem in der Mikroelektronik einzusetzen. Hier könnten sie als Trägermaterial für eine dünne, elektrisch leitfähige Schicht fungieren. Man erhielte Nanodrähte, die auch in mechanisch besonders belasteten Mikroelektronikbauteilen (MEMS) Verwendung finden könnten. In dieser Arbeit wird die Verwendung der laserinduzierten Ablation zur gezielten Bearbeitung von Haltefäden der Schwarzen Witwe (Latrodectus hesperus) beschrieben. Eingesetzt wurde ein VUV-Excimerlaser vom Typ LPF 205 (Lambda-Physik, Göttingen) mit einer Wellenlänge von 157 nm und einer Pulsdauer von 18 ns. Eine berührungslose Laserbearbeitung bei 157 nm erlaubt einen effizienten und präzisen Abtrag von Material durch Ablation aufgrund der geringen optischen Eindringtiefe von unter 100 nm oberhalb einer Schwellenfluenz (Energie/Fläche) von Φth=29 mJ/cm², ohne dabei das umgebende Material thermisch zu beeinträchtigen. Parallel zur Ablation setzt allerdings eine wellenförmige Oberflächenstrukturierung auf der Faseroberfläche ein, wodurch die mechanische Belastbarkeit der Faser entscheidend geschwächt wird. Die Ursache hierfür liegt im Abbau materialbedingter Spannungsfelder („stress release“) innerhalb einer durch das Laserlicht induzierten dünnen Schmelzschicht. Im Rahmen dieser Arbeit ist es nun gelungen, diese Strukturen durch einen anschließenden Glättungsprozeß zu entfernen. Dabei wird auf der bestrahlten Oberfläche mittels Laserlichts eine glatte Ablation erzielt. Mit feinerer Abstufung dieser Prozeßschritte konnte der Durchmesser des verwendeten Spinnenseidefadens zum Teil um 70 Prozent bis auf ca. 750 nm verringert werden. Durch Zugfestigkeitsexperimente wurde belegt, daß die mechanischen Eigenschaften der so bearbeiteten Spinnenseide weitgehend erhalten bleiben. Die im Rahmen dieser Arbeit angewandte Methode erlaubt somit eine präzise Laserablation von Spinnenseide und ähnlichen hochabsorbierenden Materialien, ohne deren Kernsubstanz in ihrer Beschaffenheit zu verändern.

A computer-algebraic approach to the study of the symmetry properties of molecules and clusters

This thesis work is dedicated to use the computer-algebraic approach for dealing with the group symmetries and studying the symmetry properties of molecules and clusters. The Maple package Bethe, created to extract and manipulate the group-theoretical data and to simplify some of the symmetry applications, is introduced. First of all the advantages of using Bethe to generate the group theoretical data are demonstrated. In the current version, the data of 72 frequently applied point groups can be used, together with the data for all of the corresponding double groups. The emphasize of this work is placed to the applications of this package in physics of molecules and clusters. Apart from the analysis of the spectral activity of molecules with point-group symmetry, it is demonstrated how Bethe can be used to understand the field splitting in crystals or to construct the corresponding wave functions. Several examples are worked out to display (some of) the present features of the Bethe program. While we cannot show all the details explicitly, these examples certainly demonstrate the great potential in applying computer algebraic techniques to study the symmetry properties of molecules and clusters. A special attention is placed in this thesis work on the flexibility of the Bethe package, which makes it possible to implement another applications of symmetry. This implementation is very reasonable, because some of the most complicated steps of the possible future applications are already realized within the Bethe. For instance, the vibrational coordinates in terms of the internal displacement vectors for the Wilson's method and the same coordinates in terms of cartesian displacement vectors as well as the Clebsch-Gordan coefficients for the Jahn-Teller problem are generated in the present version of the program. For the Jahn-Teller problem, moreover, use of the computer-algebraic tool seems to be even inevitable, because this problem demands an analytical access to the adiabatic potential and, therefore, can not be realized by the numerical algorithm. However, the ability of the Bethe package is not exhausted by applications, mentioned in this thesis work. There are various directions in which the Bethe program could be developed in the future. Apart from (i) studying of the magnetic properties of materials and (ii) optical transitions, interest can be pointed out for (iii) the vibronic spectroscopy, and many others. Implementation of these applications into the package can make Bethe a much more powerful tool.

A semi-phenomenological approach to the structure and transport properties of macromolecules in solution

Motiviert durch die Lebenswissenschaften (Life sciences) haben sich Untersuchungen zur Dynamik von Makromolekülen in Lösungen in den vergangenen Jahren zu einem zukunftsweisenden Forschungsgebiet etabliert, dessen Anwendungen von der Biophysik über die physikalische Chemie bis hin zu den Materialwissenschaften reichen. Neben zahlreichen experimentellen Forschungsprogrammen zur räumlichen Struktur und den Transporteigenschaften grosser MolekÄule, wie sie heute praktisch an allen (Synchrotron-) Strahlungsquellen und den Laboren der Biophysik anzutreffen sind, werden gegenwärtig daher auch umfangreiche theoretische Anstrengungen unternommen, um das Diffusionsverhalten von Makromolekülen besser zu erklären. Um neue Wege für eine quantitative Vorhersagen des Translations- und Rotationsverhaltens grosser Moleküle zu erkunden, wurde in dieser Arbeit ein semiphänomenologischer Ansatz verfolgt. Dieser Ansatz erlaubte es, ausgehend von der Hamiltonschen Mechanik des Gesamtsystems 'Molekül + Lösung', eine Mastergleichung für die Phasenraumdichte der Makromoleküle herzuleiten, die den Einfluss der Lösung mittels effektiver Reibungstensoren erfasst. Im Rahmen dieses Ansatzes gelingt es z.B. (i) sowohl den Einfluss der Wechselwirkung zwischen den makromolekularen Gruppen (den sogenannten molekularen beads) und den Lösungsteilchen zu analysieren als auch (ii) die Diffusionseigen schaften für veschiedene thermodynamische Umgebungen zu untersuchen. Ferner gelang es auf der Basis dieser Näherung, die Rotationsbewegung von grossen Molekülen zu beschreiben, die einseitig auf einer Oberfläche festgeheftet sind. Im Vergleich zu den aufwendigen molekulardynamischen (MD) Simulationen grosser Moleküle zeichnet sich die hier dargestellte Methode vor allem durch ihren hohen `Effizienzgewinn' aus, der für komplexe Systeme leicht mehr als fünf Grössenordnungen betragen kann. Dieser Gewinn an Rechenzeit erlaubt bspw. Anwendungen, wie sie mit MD Simulationen wohl auch zukünftig nicht oder nur sehr zögerlich aufgegriffen werden können. Denkbare Anwendungsgebiete dieser Näherung betreffen dabei nicht nur dichte Lösungen, in denen auch die Wechselwirkungen der molekularen beads zu benachbarten Makromolekülen eine Rolle spielt, sondern auch Untersuchungen zu ionischen Flüssigkeiten oder zur Topologie grosser Moleküle.

Computeralgebraische Herleitung und Auswertung atomarer Störungsreihen und deren Anwendung auf geschlossenschalige und einfache offenschalige Systeme

In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, wie mit Hilfe der atomaren Vielteilchenstörungstheorie totale Energien und auch Anregungsenergien von Atomen und Ionen berechnet werden können. Dabei war es zunächst erforderlich, die Störungsreihen mit Hilfe computeralgebraischer Methoden herzuleiten. Mit Hilfe des hierbei entwickelten Maple-Programmpaketes APEX wurde dies für geschlossenschalige Systeme und Systeme mit einem aktiven Elektron bzw. Loch bis zur vierten Ordnung durchgeführt, wobei die entsprechenden Terme aufgrund ihrer großen Anzahl hier nicht wiedergegeben werden konnten. Als nächster Schritt erfolgte die analytische Winkelreduktion unter Anwendung des Maple-Programmpaketes RACAH, was zu diesem Zwecke entsprechend angepasst und weiterentwickelt wurde. Erst hier wurde von der Kugelsymmetrie des atomaren Referenzzustandes Gebrauch gemacht. Eine erhebliche Vereinfachung der Störungsterme war die Folge. Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit der numerischen Auswertung der bisher rein analytisch behandelten Störungsreihen. Dazu wurde, aufbauend auf dem Fortran-Programmpaket Ratip, ein Dirac-Fock-Programm für geschlossenschalige Systeme entwickelt, welches auf der in Kapitel 3 dargestellen Matrix-Dirac-Fock-Methode beruht. Innerhalb dieser Umgebung war es nun möglich, die Störungsterme numerisch auszuwerten. Dabei zeigte sich schnell, dass dies nur dann in einem angemessenen Zeitrahmen stattfinden kann, wenn die entsprechenden Radialintegrale im Hauptspeicher des Computers gehalten werden. Wegen der sehr hohen Anzahl dieser Integrale stellte dies auch hohe Ansprüche an die verwendete Hardware. Das war auch insbesondere der Grund dafür, dass die Korrekturen dritter Ordnung nur teilweise und die vierter Ordnung gar nicht berechnet werden konnten. Schließlich wurden die Korrelationsenergien He-artiger Systeme sowie von Neon, Argon und Quecksilber berechnet und mit Literaturwerten verglichen. Außerdem wurden noch Li-artige Systeme, Natrium, Kalium und Thallium untersucht, wobei hier die niedrigsten Zustände des Valenzelektrons betrachtet wurden. Die Ionisierungsenergien der superschweren Elemente 113 und 119 bilden den Abschluss dieser Arbeit.

Biologische Charakterisierung von LC-FACS-Proteinen in Dictyostelium discoideum

Die Endozytose und die anschließende Verwertung der aufgenommenen Substanzen ist Gegenstand zahlreicher Untersuchungen. Dabei wird ein besonderes Augenmerk auf die Proteine gelegt, die an diesen Vorgängen beteiligt sind. In der hier vorliegenden Arbeit wird der Lipid-Status der Zelle und Enzyme des Lipid-Stoffwechsels berücksichtigt. Das Ausschalten einer Long Chain-Fatty Acyl CoA Synthetase 1 (LC-FACS), fcsB, in Dictyostelium discoideum hat eine Veränderung der Menge an neutralen Lipiden zur Folge. In diesen LC-FACS2 „Knock-Out“-Zellen wird ein Zusammenhang zwischen neutralen Lipiden und der Phagozytose von Hefen und Bakterien detektiert. Ein Einfluss auf den endozytotischen Transit kann in diesen Zellen nur induziert werden, wenn man zusätzlich den Triglycerid-Hydrolyse-Inhibitor LSD1 in den Zellen exprimiert. Mit Hilfe der Daten wird ein Modell erstellt, indem die Reduktion der Menge an neutralen Lipiden nicht direkt für diesen Phänotyp verantwortlich ist. Es ist vielmehr das Energie-Niveau der Zellen, das die Phagozytoserate beeinflusst. Möglich macht dies ein Pool aus Fettsäuren im Zytoplasma. Dieser besteht aus unaktivierten Fettsäuren und Acyl-CoAs. Auf ihn greifen Kompartimente wie Lipidtropfen, Mitochondrien und Peroxisomen zu, wenn Fettsäuren verstoffwechselt werden sollen. In LC-FACS2 „Knock-Out“-Zellen, wird das Gleichgewicht im Pool in Richtung der unaktivierten Fettsäuren verschoben. Anhand der Größe dieses Pools kann die Zelle ihren Energiestatus messen. Ein höherer Energie-Status führt dann zu einer Reduktion der Phagozytoserate. Vacuolin B Null Zellen (vacB-) zeigen eine extreme Verzögerung im endozytotischen Transit. Schaltet man in diesen Zellen die LC-FACS1 aus (vacB-/fcsA-), so reduziert man ebenfalls die Menge an Triglyceriden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Acyl-CoA Anteil des Fettsäure-Pools reduziert ist. Diese Reduktion resultiert hier in einer Beschleunigung des endozytotischen Transits. Die Exozytose von vacB--Zellen und vacB-/ fcsA--Zellen unterscheidet sich nicht. Daher wird die Ursache für diese Beschleunigung in veränderten Fusions- bzw. Fissionseigenschaften der Endosomen vermutet. Somit führt das Ausschalten von LC-FACS-Proteinen in Dictyostelium zu einer veränderten Zusammensetzung des Fettsäure-Pools. Dies hat im Fall der LC-FACS1 Modifikationen der Membran-Dynamik und im Fall der LC-FACS2 Änderungen des Energie-Spiegels zur Folge.

DNA methylation in Dictyostelium discoideum

DNA methyltransferases of type Dnmt2 are a highly conserved protein family with enigmatic function. The aim of this work was to characterize DnmA, the Dnmt2 methyltransferase in Dictyostelium discoideum, and further to investigate its implication in DNA methylation and transcriptional gene silencing. The genome of the social amoeba Dictyostelium encodes DnmA as the sole DNA methyltransferase. The enzyme bears all ten characteristic DNA methyltransferase motifs in its catalytic domain. The DnmA mRNA was found by RT-PCR to be expressed during vegetative growth and down regulated during development. Investigations using fluorescence microscopy showed that both DnmA-myc and DnmA-GFP fusions predominantly localised to the nucleus. The function of DnmA remained initially unclear, but later experiment revealed that the enzyme is an active DNA methyltransferase responsible for all DNA (cytosine) methylation in Dictyostelium. Neither in gel retardation assays, nor by the yeast two hybrid system, clues on the functionality of DnmA could be obtained. However, immunological detection of the methylation mark with an α - 5mC antibody gave initial evidence that the DNA of Dictyostelium was methylated. Furthermore, addition of 5-aza-cytidine as demethylating agent to the Dictyostelium medium and subsequent in vitro incubation of the DNA isolated from these cells with recombinant DnmA showed that the enzyme binds slightly better to this target DNA. In order to investigate further the function of the protein, a gene knock-out for dnmA was generated. The gene was successfully disrupted by homologous recombination, the knock-out strain, however, did not show any obvious phenotype under normal laboratory conditions. To identify specific target sequences for DNA methylation, a microarray analysis was carried out. Setting a threshold of at least 1.5 fold for differences in the strength of gene expression, several such genes in the knock-out strain were chosen for further investigation. Among the up-regulated genes were the ESTs representing the gag and the RT genes respectively of the retrotransposon skipper. In addition Northern blot analysis confirmed the up-regulation of skipper in the DnmA knock-out strain. Bisufite treatment and sequencing of specific DNA stretches from skipper revealed that DnmA is responsible for methylation of mostly asymmetric cytosines. Together with skipper, DIRS-1 retrotransposon was found later also to be methylated but was not present on the microarray. Furthermore, skipper transcription was also up-regulated in strains that had genes disrupted encoding components of the RNA interference pathway. In contrast, DIRS 1 expression was not affected by a loss of DnmA but was strongly increased in the strain that had the RNA directed RNA polymerase gene rrpC disrupted. Strains generated by propagating the usual wild type Ax2 and the DnmA knock-out cells over 16 rounds in development were analyzed for transposon activity. Northern blot analysis revealed activation for skipper expression, but not for DIRS-1. A large number of siRNAs were found to be correspondent to the DIRS-1 sequence, suggesting concerted regulation of DIRS-1 expression by RNAi and DNA methylation. In contrast, no siRNAs corresponding to the standard skipper element were found. The data show that DNA methylation plays a crucial role in epigenetic gene regulation in Dictyostelium and that different, partially overlapping mechanisms control transposon silencing for skipper and DIRS-1. To elucidate the mechanism of targeting the protein to particular genes in the Dictyostelium genome, some more genes which were up-regulated in the DnmA knock-out strain were analyzed by bisulfite sequencing. The chosen genes are involved in the multidrug response in other species, but their function in Dictyostelium is uncertain. Bisulfite data showed that two of these genes were methylated at asymmetrical C-residues in the wild type, but not in DnmA knock-out cells. This suggested that DNA methylation in Dictyostelium is involved not only in transposon regulation but also in transcriptional silencing of specific genes.

Einfluss exogener und endogener Faktoren auf den Gehalt sekundärer Pflanzenstoffe (Carotinoide und Polyphenole) von Möhre (Daucus carota L.) und Weizen (Triticum aestivum L.)

Die vielfältigen Funktionen der sekundären Pflanzenstoffe sowohl im Organismus der Pflanze, als auch im Körper des Menschen bieten der Wissenschaft ein weites Betätigungsfeld. Die Carotinoide findet man in fast allen Plastiden der Pflanze und sie erfüllen dort Aufgaben in Form von Pigmenten, Antioxidantien, Hormonen und zählen außerdem zu den wichtigsten Bestandteilen des Photosyntheseapparates. Im menschlichen Organismus hingegen wirken sie als Provitamin A und in den Endverästelungen der Blutgefäße bei niedrigem Sauerstoffpartialdruck. Des Weiteren besitzen sie die Fähigkeiten freie Radikale unschädlich zu machen und wirken in vitro als Fänger von energiereichem Singulettsauerstoff. Die Polyphenole, die man zu der Stoffgruppe der Phenole zählt, befinden sich in den Randschichten von Obst, Gemüse, Getreide und anderen Samen. Ihnen obliegt die Aufgabe die darunter befindlichen Gewebe vor antioxidativem Verderb zu schützen. Im Körper des Menschen dagegen besitzen sie eine gerinnungshemmende Wirkung, schützen die Zellen vor Oxidation und üben Fähigkeiten aus, die Krebs vorbeugen können. Im Zuge dieser Literaturarbeit werden endogene und exogene Faktoren beschrieben, die auf Pflanzen allgemein und auf die Fokusprodukte Möhre (Daucus carota L.) und Weizen (Triticum aestivum L.) speziell einwirken. Die pflanzenphysiologische Herkunft und Bedeutung der sekundären Pflanzenstoffgruppen Carotinoide und Polyphenole wird dargestellt. Schließlich wird die vorhandene Literatur ausgewertet, die sich mit der Beeinflussung des Gehaltes der genannten sekundären Pflanzenstoffe in den gewählten Fokusprodukten durch exogene und endogene Faktoren beschäftigt. Die Beeinflussung des Polyphenolgehaltes in Möhre und des Carotinoid- und Polyphenolgehaltes in Weizen ist nur wenig untersucht. Dagegen ist die Beeinflussung des Carotinoidgehaltes in Möhren durch exogene und endogene Faktoren gut beschrieben. Der Faktor „Sorte“ spielt aufgrund der vorhandenen genetischen Anlagen (carotinoidreich / carotinoidarm) eine wesentliche Rolle bei der späteren Ausbildung des Carotinoidgehaltes in der Möhre. Die Reife der Möhre, die u.a. das Ergebnis des Einwirkens exogener Faktoren, wie Temperatur, Wuchsraum, verfügbare Wassermenge im Boden sowie der Niederschläge ist, beeinflusst maßgeblich den späteren Gehalt an Carotinoiden. Des Weiteren üben noch anbautechnische Maßnahmen (z.B. Düngung, Herbizidbehandlungen, Produktionstechnik) einen Einfluss auf den Carotinoidgehalt der Möhre aus. Der Phenolgehalt in Möhren wurde bisher ausschließlich auf Sortenebene verglichen. In einer Studie von Zhang & Hamauzu (2004) fand man heraus, dass der Phenol-Gehalt in den verschiedenen Geweben der Möhre von der Schale in Richtung Phloem und Xylem anstieg, während sich die antioxidantischen und radical scavening Aktivitäten auf gleiche Weise, wie der Phenol-Gehalt erhöhten und wiederum mit dem totalen Phenol-Gehalt korrelierten. Die phenolischen Extrakte verfügten über stärkere radical scavening Fähigkeiten, als die zum Vergleich herangezogenen Reinsubstanzen Chlorogensäure, Vitamin C und β-Carotin. Insgesamt wurde aufgrund dieser Studie vermutet, dass sich der höchste Gehalt an Phenolen in der Schale der Möhre befindet. Das geringe Vorliegen von Studien bezüglich des Carotinoid- und Phenolgehaltes in Weizen kann man darauf zurückführen, dass die sekundären Pflanzenstoffe im Vergleich zum Proteingehalt keine wesentliche Rolle als Qualitätsmerkmal beim Fokusprodukt Weizen spielen. Der Gehalt an Phenolen und Carotinoiden wurde bisher ausschließlich auf Sortenebene untersucht. Die Untersuchungen ergaben, dass der Gehalt an sekundären Pflanzenstoffen (Phenole, Tocopherole, Carotinoide) stark durch die Sorte beeinflusst wird.

Protein-Expressions-Analysen zur Etablierung prädiktiver Biomarker bei der Behandlung fortgeschrittener Tumoren der Mamma und der Prostata

Aktuelle Entwicklungen auf dem Gebiet der zielgerichteten Therapie zur Behandlung maligner Erkrankungen erfordern neuartige Verfahren zur Diagnostik und Selektion geeigneter Patienten. So ist das Ziel der vorliegenden Arbeit die Identifizierung neuer Zielmoleküle, die die Vorhersage eines Therapieerfolges mit targeted drugs ermöglichen. Besondere Aufmerksamkeit gilt dem humanisierten monoklonalen Antikörper Trastuzumab (Herceptin), der zur Therapie Her-2 überexprimierender, metastasierter Mammakarzinome eingesetzt wird. Jüngste Erkenntnisse lassen eine Anwendung dieses Medikamentes in der Behandlung des Hormon-unabhängigen Prostatakarzinoms möglich erscheinen. Therapie-beeinflussende Faktoren werden in der dem Rezeptor nachgeschalteten Signaltransduktion oder Veränderungen des Rezeptors selbst vermutet. Mittels Immunhistochemie wurden die Expressions- und Aktivierungsniveaus verschiedener Proteine der Her-2-assoziierten Signaltransduktion ermittelt; insgesamt wurden 37 molekulare Marker untersucht. In Formalin fixierte und in Paraffin eingebettete korrespondierende Normal- und Tumorgewebe von 118 Mammakarzinom-Patientinnen sowie 78 Patienten mit Prostatakarzinom wurden in TMAs zusammengefasst. Die in Zusammenarbeit mit erfahrenen Pathologen ermittelten Ergebnisse dienten u.a. als Grundlage für zweidimensionales, unsupervised hierarchisches clustering. Ergebnis dieser Analysen war für beide untersuchten Tumorentitäten die Möglichkeit einer Subklassifizierung der untersuchten Populationen nach molekularen Eigenschaften. Hierbei zeigten sich jeweils neue Möglichkeiten zur Anwendung zielgerichteter Therapien, deren Effektivität Inhalt weiterführender Studien sein könnte. Zusätzlich wurden an insgesamt 43 Frischgeweben die möglichen Folgen des sog. shedding untersucht. Western Blot-basierte Untersuchungen zeigten hierbei die Möglichkeit der Selektion von Patienten aufgrund falsch-positiver Befunde in der derzeit als Standard geltenden Diagnostik. Zusätzlich konnte durch Vergleich mit einer Herceptin-sensitiven Zelllinie ein möglicher Zusammenhang eines Therapieerfolges mit dem Phosphorylierungs-/ Aktivierungszustand des Rezeptors ermittelt werden. Fehlende klinische Daten zum Verlauf der Erkrankung und Therapie der untersuchten Patienten lassen keine Aussagen über die tatsächliche Relevanz der ermittelten Befunde zu. Dennoch verdeutlichen die erhaltenen Resultate eindrucksvoll die Komplexität der molekularen Vorgänge, die zu einem Krebsgeschehen führen und damit Auswirkungen auf die Wirksamkeit von targeted drugs haben können. Entwicklungen auf dem Gebiet der zielgerichteten Therapie erfordern Verbesserungen auf dem Gebiet der Diagnostik, die die sichere Selektion geeigneter Patienten erlauben. Die Zukunft der personalisierten, zielgerichteten Behandlung von Tumorerkrankungen wird verstärkt von molekularen Markerprofilen hnlich den hier vorgestellten Daten beeinflusst werden.

The Surface Plasmon Resonance of Supported Noble Metal Nanoparticles: Characterization, Laser Tailoring, and SERS Application

This work deals with the optical properties of supported noble metal nanoparticles, which are dominated by the so-called Mie resonance and are strongly dependent on the particles’ morphology. For this reason, characterization and control of the dimension of these systems are desired in order to optimize their applications. Gold and silver nanoparticles have been produced on dielectric supports like quartz glass, sapphire and rutile, by the technique of vapor deposition under ultra-high vacuum conditions. During the preparation, coalescence is observed as an important mechanism of cluster growth. The particles have been studied in situ by optical transmission spectroscopy and ex situ by atomic force microscopy. It is shown that the morphology of the aggregates can be regarded as oblate spheroids. A theoretical treatment of their optical properties, based on the quasistatic approximation, and its combination with results obtained by atomic force microscopy give a detailed characterization of the nanoparticles. This method has been compared with transmission electron microscopy and the results are in excellent agreement. Tailoring of the clusters’ dimensions by irradiation with nanosecond-pulsed laser light has been investigated. Selected particles are heated within the ensemble by excitation of the Mie resonance under irradiation with a tunable laser source. Laser-induced coalescence prevents strongly tailoring of the particle size. Nevertheless, control of the particle shape is possible. Laser-tailored ensembles have been tested as substrates for surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS), leading to an improvement of the results. Moreover, they constitute reproducible, robust and tunable SERS-substrates with a high potential for specific applications, in the present case focused on environmental protection. Thereby, these SERS-substrates are ideally suited for routine measurements.

Zur Verbesserung des Ermüdungsverhaltens des austenitischen Stahls X5CrNi18-10 im Temperaturbereich 25-600°C durch mechanische Randschichtverfestigungsverfahren

Die technischen Oberflächen werden oft als Bauteilversagungsorte definiert. Deswegen ist eine optimale Ausnutzung der Werkstoffeigenschaften ohne mechanische Oberflächenbehandlungsverfahren nicht mehr wegzudenken. Mechanische Randschichtoptimierungsverfahren sind vergleichsweise einfach, Kosten sparend und hocheffektiv. Gerade das Festwalzen wird wegen seiner günstigen Auswirkungen wie die exzellente Oberflächengüte, die hohen Druckeigenspannungen sowie die hohe Oberflächenverfestigung zunehmend an Bedeutung gewinnen. Außerdem wird durch das Festwalzen in einigen Legierungen eine nanokristalline Oberflächenschicht gebildet. Diese brillanten Eigenschaften führen nach einer mechanischen Oberflächenbehandlung zur Erhöhung des Werkstoffwiderstandes unter anderem gegen Verschleiß, Spannungsrisskorrosion und insbesondere zur Steigerung der Schwingfestigkeit. Ein etabliertes Beispiel zur Steigerung der Schwingfestigkeit ist das Festwalzen von Achsen und Kurbelwellen. Auch solche komplexen Komponenten wie Turbinenschaufeln werden zur Schwingfestigkeitssteigerung laserschockverfestigt oder festgewalzt. Die Laserschockverfestigung ist ein relativ neues Verfahren auf dem Gebiet der mechanischen Oberflächenbehandlungen, das z.B. bereits in der Flugturbinenindustrie Anwendung fand und zur Schwingfestigkeitsverbesserung beiträgt. Das Verfahrensprinzip besteht darin, dass ein kurzer Laserimpuls auf die zu verfestigende, mit einer Opferschicht versehene Materialoberfläche fokussiert wird. Das Auftreffen des Laserimpulses auf der verwendeten Opferschicht erzeugt ein expandierendes Plasma, welches eine Schockwelle in randnahen Werkstoffbereichen erzeugt, die elastisch-plastische Verformungen bewirkt. Eine konsekutive Wärmebehandlung, Auslagerung nach dem Festwalzen, nutzt den statischen Reckalterungseffekt. Hierdurch werden die Mikrostrukturen stabilisiert. Die Änderung der Mikrostrukturen kann jedoch zu einer beträchtlichen Abnahme der mittels Festwalzen entstandenen Druckeigenspannungen und der Kaltverfestigungsrate führen. Das Festwalzen bei erhöhter Temperatur bietet eine weitere Möglichkeit die Schwingfestigkeit von metallischen Werkstoffen zu verbessern. Die Mikrostruktur wird durch den Effekt der dynamischen Reckalterung stabilisiert. Die Effekte beim Festwalzen bei erhöhten Temperaturen sind ähnlich dem Warmstrahlen. Das Festwalzen erzeugt Oberflächenschichten mit sehr stabilen Kaltverfestigungen und Druckeigenspannungen. Diese Strukturen haben viele Vorteile im Vergleich zu den durch rein mechanische Verfahren erzeugten Strukturen in Bezug auf die Schwingfestigkeit und die Stabilität der Eigenspannungen. Die Aufgabe der vorliegenden Dissertation war es, Verfahren zur Verbesserung der Schwingfestigkeit im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und 600 °C zu erforschen. Begleitende mikrostrukturelle sowie röntgenographische Untersuchungen sollen zum Verständnis der Ursachen der Verbesserung beitragen. Für diese Arbeit wurde der in der Praxis häufig verwendete Modellwerkstoff X5CrNi18-10 ausgewählt. Als Randschichtverfestigungsverfahren wurden das Festwalzen, eine Kombination der mechanischen und thermischen, thermomechanischen Verfahren auf der Basis des Festwalzens und eine Laserschockverfestigung verwendet.

Methodische Grundlagen zur Bewahrung und Wiederherstellung großräumig funktionsfähiger ökologischer Beziehungen in der räumlichen Umweltplanung

Mit der Verwirklichung ,Ökologischer Netzwerke‘ werden Hoffnungen zum Stopp des Verlustes der biologischen Vielfalt verknüpft. Sowohl auf gesamteuropäischer Ebene (Pan-European Ecological Network - PEEN) als auch in den einzelnen Staaten entstehen Pläne zum Aufbau von Verbundsystemen. Im föderalen Deutschland werden kleinmaßstäbliche Biotopverbundplanungen auf Landesebene aufgestellt; zum nationalen Biotopverbund bestehen erste Konzepte. Die vorliegende Arbeit ist auf diese überörtlichen, strategisch vorbereitenden Planungsebenen ausgerichtet. Ziele des Verbunds sind der Erhalt von Populationen insbesondere der gefährdeten Arten sowie die Ermöglichung von Ausbreitung und Wanderung. Aufgrund fehlender Datengrundlagen zu den Arten und Populationen ist es nicht ohne weiteres möglich, die Konzepte und Modelle der Populationsökologie in die überörtlichen Planungsebenen zu übertragen. Gemäß der o.g. Zielstellungen sollte sich aber die Planung von Verbundsystemen an den Ansprüchen der auf Verbund angewiesenen Arten orientieren. Ziel der Arbeit war die Entwicklung einer praktikablen GIS-gestützten Planungshilfe zur größtmöglichen Integration ökologischen Wissens unter der Bedingung eingeschränkter Informationsverfügbarkeit. Als Grundlagen dazu werden in Übersichtsform zunächst die globalen, europäisch-internationalen und nationalen Rahmenbedingungen und Anforderungen bezüglich des Aufbaus von Verbundsystemen zusammengestellt. Hier sind die Strategien zum PEEN hervorzuheben, die eine Integration ökologischer Inhalte insbesondere durch die Berücksichtigung räumlich-funktionaler Beziehungen fordern. Eine umfassende Analyse der landesweiten Biotopverbundplanungen der BRD zeigte die teilweise erheblichen Unterschiede zwischen den Länderplanungen auf, die es aktuell nicht ermöglichen, ein schlüssiges nationales Konzept zusammenzufügen. Nicht alle Länder haben landesweite Biotopverbundplanungen und Landeskonzepte, bei denen dem geplanten Verbund die Ansprüche von Arten zugrunde gelegt werden, gibt es nur ansatzweise. Weiterhin wurde eine zielgerichtete Eignungsprüfung bestehender GIS-basierter Modelle und Konzepte zum Verbund unter Berücksichtigung der regelmäßig in Deutschland verfügbaren Datengrundlagen durchgeführt. Da keine integrativen regelorientierten Ansätze vorhanden waren, wurde der vektorbasierte Algorithmus HABITAT-NET entwickelt. Er arbeitet mit ,Anspruchstypen‘ hinsichtlich des Habitatverbunds, die stellvertretend für unterschiedliche ökologische Gruppen von (Ziel-) Arten mit terrestrischer Ausbreitung stehen. Kombiniert wird die Fähigkeit zur Ausbreitung mit einer Grobtypisierung der Biotopbindung. Die wichtigsten Grundlagendaten bilden die jeweiligen (potenziellen) Habitate von Arten eines Anspruchstyps sowie die umgebende Landnutzung. Bei der Bildung von ,Lebensraumnetzwerken‘ (Teil I) werden gestufte ,Funktions- und Verbindungsräume‘ generiert, die zu einem räumlichen System verknüpft sind. Anschließend kann die aktuelle Zerschneidung der Netzwerke durch Verkehrstrassen aufgezeigt werden, um darauf aufbauend prioritäre Abschnitte zur Wiedervernetzung zu ermitteln (Teil II). Begleitend wird das Konzept der unzerschnittenen Funktionsräume (UFR) entworfen, mit dem die Indikation von Habitatzerschneidung auf Landschaftsebene möglich ist. Diskutiert werden schließlich die Eignung der Ergebnisse als kleinmaßstäblicher Zielrahmen, Tests zur Validierung, Vergleiche mit Verbundplanungen und verschiedene Setzungen im GIS-Algorithmus. Erläuterungen zu den Einsatzmöglichkeiten erfolgen beispielsweise für die Bereiche Biotopverbund- und Landschaftsplanung, Raumordnung, Strategische Umweltprüfung, Verkehrswegeplanung, Unterstützung des Konzeptes der Lebensraumkorridore, Kohärenz im Schutzgebietssystem NATURA 2000 und Aufbau von Umweltinformationssystemen. Schließlich wird ein Rück- und Ausblick mit der Formulierung des weiteren Forschungsbedarfs verknüpft.