Topologically correct intersection curves of tori and natural quadrics

This thesis provides efficient and robust algorithms for the computation of the intersection curve between a torus and a simple surface (e.g. a plane, a natural quadric or another torus), based on algebraic and numeric methods. The algebraic part includes the classification of the topological type of the intersection curve and the detection of degenerate situations like embedded conic sections and singularities. Moreover, reference points for each connected intersection curve component are determined. The required computations are realised efficiently by solving quartic polynomials at most and exactly by using exact arithmetic. The numeric part includes algorithms for the tracing of each intersection curve component, starting from the previously computed reference points. Using interval arithmetic, accidental incorrectness like jumping between branches or the skipping of parts are prevented. Furthermore, the environments of singularities are correctly treated. Our algorithms are complete in the sense that any kind of input can be handled including degenerate and singular configurations. They are verified, since the results are topologically correct and approximate the real intersection curve up to any arbitrary given error bound. The algorithms are robust, since no human intervention is required and they are efficient in the way that the treatment of algebraic equations of high degree is avoided.

Transcriptional dynamics of the human DMD locus

The human DMD locus encodes dystrophin protein. Absence or reduced levels of dystrophin (DMD or BMD phenotype, respectively) lead to progressive muscle wasting. Little is known about the complex coordination of dystrophin expression and its transcriptional regulation is a field of intense interest. In this work we found that DMD locus harbours multiple long non coding RNAs which orchestrate and control transcription of muscle dystrophin mRNA isoforms. These lncRNAs are tissue-specific and highly expressed during myogenesis, suggesting a possible role in tissue-specific expression of DMD gene isoforms. Their forced ectopic expression in human muscle and neuronal cells leads to a specific and negative regulation of endogenous dystrophin full lenght isoforms. An intriguing aspect regarding the transcription of the DMD locus is the gene size (2.4Mb). The mechanism that ensures the complete synthesis of the primary transcript and the coordinated splicing of 79 exons is still completely unknown. By ChIP-on-chip analyses, we discovered novel regions never been involved before in the transcription regulation of the DMD locus. Specifically, we observed enrichments for Pol II, P-Ser2, P-Ser5, Ac-H3 and 2Me-H3K4 in an intronic region of 3Kb (approximately 21Kb) downstream of the end of DMD exon 52 and in a region of 4Kb spanning the DMD exon 62. Interestingly, this latter region and the TSS of Dp71 are strongly marked by 3Me-H3K36, an histone modification associated with the regulation of splicing process. Furthermore, we also observed strong presence of open chromatin marks (Ac-H3 and 2Me-H3K4) around intron 34 and the exon 45 without presence of RNA pol II. We speculate that these two regions may exert an enhancer-like function on Dp427m promoter, although further investigations are necessary. Finally, we investigated the nuclear-cytoplasmic compartmentalization of the muscular dystrophin mRNA and, specifically, we verified whether the exon skipping therapy could influence its cellular distribution.

Oberflächenstrukturierte amphiphile Polyphenylendendrimere zur Imitation natürlicher Transportproteine

In dieser Arbeit werden formstabile, amphiphile, oberflächenstrukturierte Polyphenylendendrimere (PPDs) mit verschiedenen Oberflächenpolaritäten beschrieben. Die physikalisch-chemischen Eigenschaften dieser Makromoleküle wurden studiert, welche ein gutes Verständnis der Nanoumgebung amphiphiler PPDs lieferten. Auch lichtinduzierte Polaritätsänderung wurde untersucht. Mit dem Konzept einer gleichmäßigen Verteilung polarer Bereiche auf der Peripherie hydrophober PPPs gelang es, Transportsysteme für Fettsäuren und Zytostatika zu erzeugen, welche charakteristische Merkmale natürlicher Transportproteine wie Albumin in sich vereinen. Hierzu zählen eine stabile dreidimensionale Form, die Ausbildung von Bindungstaschen sowie eine definierte strukturierte Oberfläche aus hydrophilen und hydrophoben Bereichen. Die Verfügbarkeit von lipophilen Bindungstaschen übertrifft sogar die des Albumins. Im Gegensatz zu Polymeren kann die Wirkstoffaufnahme bei PPDs exakt bestimmt werden. Die Anpassung der peripheren Gruppen beeinflusst den zellulären Aufnahmemechanismus. Es konnten effiziente Zellaufnahmen in A549-Zellen sowie der Transport und die intrazelluläre Freisetzung von Doxorubicin erreicht werden. Manche PPDs bieten eine Größe und Architektur, die es ermöglicht, Endothelzellen des Gehirns zu durchdringen. Es wurde auch der andere Extremfall untersucht, indem alle polaren Gruppen auf einer Hemisphäre akkumuliert wurden. Zur Darstellung solcher Janus-Dendrimere wurde ein neues Synthesekonzept herausgearbeitet und die erhaltenen Janus-Dendrimere mittels Lichtstreuung untersucht, wobei definierte perlenschnurartige Aggregate gefunden wurden. Weiterhin wurden semifluorierte Amphiphile vorgestellt, welche die Möglichkeit zur Selbstorganisation durch Nanophasenseparation bieten.

Charakterisierung und funktionelle Analyse verschiedener Isoformen von Clusterin (Apolipoprotein J)

Clusterin (CLU), auch bekannt unter dem Namen Apolipoprotein J (ApoJ), wird von Zellen als hetreodimeres Glykoprotein exprimiert und in den extrazellulären Raum sezerniert. Es wird daher auch als sezerniertes CLU (sCLU) bezeichnet. Neben sCLU sind auch nicht-sezernierte Isoformen von CLU bekannt, die in der vorliegenden Arbeit erforscht wurden. Ziel dabei war es, die Expression, die Biogenese, sowie die Funktion dieser Proteine zu ergründen. Nicht-sezernierte CLU-Formen werden ausschließlich von Zellen exprimiert, die zuvor einer Stresssituation ausgesetzt wurden. Dies konnte insbesondere durch Kultur verschiedener Zelllinien bei erhöhter Temperatur oder durch Behandlung mit dem Proteasominhibitor MG 132 demonstriert werden, worauf neben sCLU auch 50 kDa bzw. 45 kDa große, nicht-sezernierte CLU-Proteine in geringen Mengen exprimiert wurden. Bezüglich der Biogenese dieser Proteine wurden mehrere Hypothesen bzw. Mechanismen diskutiert und in dieser Arbeit untersucht: alternative Translationsstartpunkte auf verschiedenen mRNAs, alternatives Splicing einzelner mRNAs sowie Retrotranslokation oder Mistranslokation von sCLU-Vorläuferproteinen. Um die Hypothesen eruieren zu können, musste zuerst eine Expressionsanalyse der bekannten CLU-mRNAs durchgeführt werden. Über 5’-RACE, semi-quantitative und quantitative PCRs wurde die Expression von vier CLU-mRNAs sowie deren Induktion auf Zellstress hin festgestellt. Variante 1 (BP211675) ist die dominante CLU-mRNA und macht über 99,5 % an CLU-mRNA in unbehandelten sowie in gestressten Zellen aus. Des Weiteren sind geringste Mengen der mRNA-Varianten 2 und 3 (NR_038335.1 und NR_045494.1) detektiert worden, deren Sequenzen sich lediglich in ihrem alternativen Exon 1 von Variante 1 unterscheiden. Schließlich konnte die Expression von Variante 1 [Δex2] festgestellt werden, welcher durch alternatives Splicing, i.e. Exon-skipping, das Exon 2 mit der ER-Signalsequenz-codierenden Region (SSCR) fehlt. HEK 293-Zellen, die transient mit je einer der rekombinanten CLU-mRNAs in Form rekombinanter cDNA transfiziert wurden, exprimierten neben großen Mengen sCLU auch geringe Mengen an den nicht-sezernierten CLU-Isoformen. Die anschließend durchgeführten in vitro Mutagenesen belegen, dass alle Isoformen ausgehend von distinkten Translationsstartpunkten aus synthetisiert werden. CLU1-449 (50 kDa) wird als prä-Proprotein von sCLU ausgehend von einem Startcodon auf Exon 2 unmittelbar vor der SSCR translatiert. Unter Zellstress-Bedingungen kann es zu einer Mistranslokation während der co-translationalen Translokation kommen, sodass Teile von CLU1-449 im Cytosol akkumulieren. CLU21-449 (50 kDa) wird ausgehend von einem CUG-Startcodon downstream der SSCR über interne Translationsinitiation gebildet. Analoges gilt für CLU34-449 (45 kDa), welches von einem AUG-Startcodon auf Exon 3 translatiert wird. CLU34-449 ist außerdem die einzige CLU-Form die von Variante 1 [Δex2] codiert wird. Somit konnten drei der in der Literatur postulierten Mechanismen zur Ent-stehung nicht-sezernierter CLU-Isoformen in gestressten Zellen verifiziert werden. Die Mistranslokation von sCLU-Vorläuferproteinen, welche entscheidend zum Auftreten der nicht-sezernierten CLU-Formen beiträgt, die Alternative Translationsinitiation an distinkten Startcodons sowie das alternative Splicing von CLU-mRNA-Variante 1. Weiterführende Experimente bestätigten, dass alle nicht-sezernierten CLU-Isoformen im Cytosol der Zellen lokalisiert sind und keine Glykosylierungen tragen. Somit konnte ein weiterer, in der Literatur kontrovers diskutierter Punkt bezüglich dieser Proteine geklärt werden. Abschließend wurde die physiologische Funktion der einzelnen CLU-Isoformen analysiert. Dabei zeigte sich, dass ausschließlich sCLU eine Chaperonaktivität zukommt, die es ermöglicht, durch Hitze denaturierte Zielproteine in Lösung zu halten. Diese Funktion konnte nicht für die cytosolischen Iso¬formen bestätigt werden. Weiterhin konnte keine Auswirkung einzelner CLU-Formen auf die intrinsische Apoptose oder auf den NF κB-vermittelten Signaltransduktionsweg festgestellt werden, obgleich entsprechende Einflüsse von anderen Arbeitsgruppen postuliert wurden. Die hier gemachten Beobachtungen werfen daher die Frage auf, ob den nicht-sezernierten, cytosolischen CLU-Isoformen überhaupt eine physiologische Funktion zukommt und stellen aktuelle Hypothesen bezüglich der Rolle von CLU bei pathophysiologischen Prozessen infrage.

Studio di carrello per innovativa funicolare terrestre a veicoli sospesi

Questo lavoro di tesi ha portato al miglioramento di un sistema funiviario innovativo, progettato per risolvere i problemi di trasporto presenti nella città di Parma. E' stato progettato anche il carrello ed è stata eseguita la verifica statica della struttura secondo le normative vigenti. Inoltre è stata eseguita la verifica a fatica di alcune componenti e di alcune saldature, studiando anche un apposito sistema di ammorsamento alla fune.

The CFTR frameshift mutation 3905insT and its effect at transcript and protein level

Cystic fibrosis (CF) is one of the most common genetic diseases in the Caucasian population and is characterized by chronic obstructive pulmonary disease, exocrine pancreatic insufficiency, and elevation of sodium and chloride concentrations in the sweat and infertility in men. The disease is caused by mutations in the CF transmembrane conductance regulator (CFTR) gene, which encodes a protein that functions as chloride channel at the apical membrane of different epithelia. Owing to the high genotypic and phenotypic disease heterogeneity, effects and consequences of the majority of the CFTR mutations have not yet been studied. Recently, the frameshift mutation 3905insT was identified as the second most frequent mutation in the Swiss population and found to be associated with a severe phenotype. The frameshift mutation produces a premature termination codon (PTC) in exon 20, and transcripts bearing this PTC are potential targets for degradation through nonsense-mediated mRNA decay (NMD) and/or for exon skipping through nonsense-associated alternative splicing (NAS). Using RT-PCR analysis in lymphocytes and different tissue types from patients carrying the mutation, we showed that the PTC introduced by the mutation does neither elicit a degradation of the mRNA through NMD nor an alternative splicing through NAS. Moreover, immunocytochemical analysis in nasal epithelial cells revealed a significantly reduced amount of CFTR at the apical membrane providing a possible molecular explanation for the more severe phenotype observed in F508del/3905insT compound heterozygotes compared with F508del homozygotes. However, further experiments are needed to elucidate the fate of the 3905insT CFTR in the cell after its biosynthesis.

Simply a nest? Effects of different enrichments on stereotypic and anxiety-related behaviour in mice

Improving the home cages of laboratory mice by environmental enrichment has been widely used to reduce cage stereotypies and anxiety-related behaviour in behavioural tests. However, enrichment studies differ substantially in type, complexity and variation of enrichments. Therefore, it is unclear whether success depends on specific enrichment items, environmental complexity, or novelty associated with enrichment. The aim of this study was therefore to dissociate the effects of environmental complexity and novelty on stereotypy development and compare these effects with the provision of nesting material alone. Thus, 54 freshly weaned male ICR (CD-1) mice were pairwise allocated to standard laboratory cages enriched in three different ways (n = 18 per group). Treatment 1 consisted of cotton wool as nesting material. Treatments 2 and 3 were structurally more complex, including a shelter and a climbing structure as additional resources. To render complexity and novelty independent of the specific enrichment items, three shelters (cardboard house, plastic tunnel, red plastic house) and three climbing structures (ladder, rope, wooden bars) were used to create nine different combinations of enrichment. In treatment 2 (complexity), each pair of mice was assigned to a different combination that remained constant throughout 9 weeks, whereas in treatment 3 (novelty), each pair of mice was exposed to all 9 combinations in turn by changing them weekly in a pseudorandom order. After 9 weeks, stereotypic behaviour in the home cage was assessed from video recordings, and anxiety-related behaviour was assessed in two behavioural tests (elevated zero-maze, open-field). However, no significant differences in stereotypy scores and no consistent differences in anxiety-related behaviours were found between the three groups. These findings indicate that within standard laboratory cages neither complexity nor novelty of simple enrichments have additional effects on stereotypic and anxiety-related behaviour beyond those of adequate nesting material. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Isolated growth hormone deficiency type 2: from gene to therapy

Isolated growth hormone deficiency type-2 (IGHD-2), the autosomal-dominant form of GH deficiency, is mainly caused by specific splicing mutations in the human growth hormone (hGH) gene (GH-1). These mutations, occurring in and around exon 3, cause complete exon 3 skipping and produce a dominant-negative 17.5 kD GH isoform that reduces the accumulation and secretion of wild type-GH (wt-GH). At present, patients suffering from IGHD-2 are treated with daily injections of recombinant human GH (rhGH) in order to reach normal height. However, this type of replacement therapy, although effective in terms of growth, does not prevent toxic effects of the 17.5-kD mutant on the pituitary gland, which can eventually lead to other hormonal deficiencies. Considering a well-known correlation between the clinical severity observed in IGHD-2 patients and the increased expression of the 17.5-kD isoform, therapies that specifically target this isoform may be useful in patients with GH-1 splicing defects. This chapter focuses on molecular strategies that could represent future directions for IGHD-2 treatment.

The cytochrome P450 aromatase lacking exon 5 is associated with a phenotype of nonclassic aromatase deficiency and is also present in normal human steroidogenic tissues

OBJECTIVE: The previously described c655G>A mutation of the human cytochrome P450 aromatase gene (P450aro, CYP19) results in aberrant splicing due to disruption of a donor splice site. To explain the phenotype of partial aromatase deficiency observed in a female patient described with this mutation, molecular consequences of the c655G>A mutation were investigated. DESIGN: To investigate whether the c655G>A mutation causes an aberrant spliced mRNA lacking exon 5 (-Ex5), P450aro RNA was analysed from the patient's lymphocytes by reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR) and by splicing assays performed in Y1 cells transfected with a P450aro -Ex5 expression vector. Aromatase activity of the c655G>A mutant was predicted by three dimensional (3D) protein modelling studies and analysed in transiently transfected Y1 cells. Exon 5 might be predicted as a poorly defined exon suggesting a susceptibility to both splicing mutations and physiological alternative splicing events. Therefore, expression of the -Ex5 mRNA was also assessed as a possibly naturally occurring alternative splicing transcript in normal human steroidogenic tissues. PATIENTS: An aromatase deficient girl was born with ambiguous genitalia. Elevated serum LH, FSH and androgens, as well as cystic ovaries, were found during prepuberty. At the age of 8.4 years, spontaneous breast development and a 194.6 pmol/l serum oestradiol level was observed. RESULTS: The -Ex5 mRNA was found in lymphocytes of the P450aro deficient girl and her father, who was a carrier of the mutation. Mutant minigene expression resulted in complete exon 5 skipping. As expected from 3D protein modelling, -Ex5 cDNA expression in Y1 cells resulted in loss of P450aro activity. In addition, the -Ex5 mRNA was present in placenta, prepubertal testis and adrenal tissues. CONCLUSIONS: Alternative splicing of exon 5 of the CYP19 gene occurs in the wild type (WT) as well as in the c655G>A mutant. We speculate that for the WT it might function as a regulatory mechanism for aromatization, whereas for the mutant a relative prevalence of the shorter over the full-length protein might explain the phenotype of partial aromatase deficiency.

Human and embodied energy analysis applied to water source protection and household water treatment interventions used in Mali, West Africa

As water quality interventions are scaled up to meet the Millennium Development Goal of halving the proportion of the population without access to safe drinking water by 2015 there has been much discussion on the merits of household- and source-level interventions. This study furthers the discussion by examining specific interventions through the use of embodied human and material energy. Embodied energy quantifies the total energy required to produce and use an intervention, including all upstream energy transactions. This model uses material quantities and prices to calculate embodied energy using national economic input/output-based models from China, the United States and Mali. Embodied energy is a measure of aggregate environmental impacts of the interventions. Human energy quantifies the caloric expenditure associated with the installation and operation of an intervention is calculated using the physical activity ratios (PARs) and basal metabolic rates (BMRs). Human energy is a measure of aggregate social impacts of an intervention. A total of four household treatment interventions – biosand filtration, chlorination, ceramic filtration and boiling – and four water source-level interventions – an improved well, a rope pump, a hand pump and a solar pump – are evaluated in the context of Mali, West Africa. Source-level interventions slightly out-perform household-level interventions in terms of having less total embodied energy. Human energy, typically assumed to be a negligible portion of total embodied energy, is shown to be significant to all eight interventions, and contributing over half of total embodied energy in four of the interventions. Traditional gender roles in Mali dictate the types of work performed by men and women. When the human energy is disaggregated by gender, it is seen that women perform over 99% of the work associated with seven of the eight interventions. This has profound implications for gender equality in the context of water quality interventions, and may justify investment in interventions that reduce human energy burdens.

Doxycycline-controlled splicing modulation by regulated antisense U7 snRNA expression cassettes

Many diseases affect pre-mRNA splicing, and alternative splicing is a major source of proteome diversity and an important mechanism for modulating gene expression. The ability to regulate a specific splicing event is therefore desirable; for example, to understand splicing-associated pathologies. We have developed methods based on modified U7 snRNAs, which allow us to induce efficient skipping or inclusion of selected exons. Here, we have adapted these U7 tools to a regulatable system that relies on a doxycycline-sensitive version of the Kruppel-associated box (KRAB)/KAP1 transcriptional silencing. Co-transduction of target cells with two lentiviral vectors, one carrying the KRAB protein and the other the regulatable U7 cassette, allows a tight regulation of the modified U7 snRNA. No leakage is observed in the repressed state, whereas full induction can be obtained with doxycycline in ng ml(-1) concentrations. Only a few days are necessary for a full switch, and the induction/repression can be repeated over several cycles without noticeable loss of control. Importantly, the U7 expression correlates with splicing correction, as shown for the skipping of an aberrant beta-globin exon created by a thalassaemic mutation and the promotion of exon 7 inclusion in the human SMN2 gene, an important therapeutic target for spinal muscular atrophy.

Betriebsdauer von Drahtseilen beim Lauf über Kunststoff-Seilrollen

Kunststoff-Seilrollen sind leichter als Stahl-Seilrollen, woraus für die Konstruktion, besonders von Auslegerkranen, Vorteile erwachsen. Kunststoff-Seilrollen bringen aber auch Vorteile für das Seil selbst, weil sich dessen Lebensdauer vergrößert. Dieser Lebensdauergewinn wurde durch umfassende experimentelle und theoretische Untersuchungen zum Einfluss von Kunststoff-Seilrollen auf die Drahtseillebensdauer quantifiziert und begründet. Zur sicherheitstechnischen Beherrschung von Seiltrieben mit Kunststoff-Seilrollen wird eine Online-Schadensakkumulation vorgeschlagen.

Entwicklung textiler Maschinenelemente für den Einsatz in Windkraftanlagen und Seilwinden

Es sollen hochfeste, gewichtreduzierte Zug- und Tragmittel aus hochmodularen (HM) und hochfesten (HT) Fasern validiert und dabei sowohl runde als auch flache, riemenartige Strukturen untersucht werden. Dadurch sind effizientere Fördersysteme und die Überwindung technischer Grenzen möglich. Darüber hinaus soll das Hauptkriterium für ein breites Anwendungsspektrum geschaffen werden: ein anerkanntes, zerstörungsfreies Prüfverfahren, mit dem der Austausch- bzw. Wartungszeitpunkt des textilen Tragmittels bestimmt werden kann. Können die o. g. Punkte erfolgreich bearbeitet werden, erfolgt eine Ausdehnung der textilen Strukturen in den Bereich kraftübertragender Maschinenelemente. Anhand von Feldversuchen in fördertechnischen Anlagen im Bergbau/ Intralogistik soll erstmals der vollständige Nachweis geführt werden, dass derartige textile Strukturen in technischen Anwendungen eingesetzt werden können. Der Nachweis umfasst die Validierung einer Vielzahl von Einzelschwerpunkten wie die Entwicklung einer Endlos-Herstellungstechnologie bzw. Endverbindung, die Tragmitteldimensionierung, die Erbringung von Festigkeitsnachweisen, die Erarbeitung von Vorschriften und die Erprobung der Verfahren zur Zustandsüberwachung.

Neue Generation von Aufzügen mit Faserseil

Energieeffiziente und leistungsfähige Zug- und Tragmittel aus hochmoduligen (HM) und hochfesten (HT) Fasern rücken seit einigen Jahren in den Fokus von Aufzugherstellern und Betreibern. Hauptgrund dafür ist, das die bisher eingesetzten Stahldrahtseile auf Grund ihrer vergleichsweise hohen Eigenmasse an technische Grenzen stoßen. Seile aus hochfesten Polymerfasern haben gegenüber Stahldrahtseilen eine vergleichbare oder sogar höhere Zugfestigkeit und ein vier- bis sechsfach geringeres Gewicht. Um das Potential dieser Fasern optimal auszunutzen, sind sowohl die Anordnung der Fasern als auch die Schmierstoffeinbringung zu untersuchen. Diesbezüglich wurden verschiedenen Seilkonstruktions- und Schmierstoffvarianten entwickelt und im Dauerbiegeversuch validiert.