Structural refinement, growth process, photoluminescence and photocatalytic properties of (Ba1-xPr2x/3)WO4 crystals synthesized by the coprecipitation method

Barium praseodymium tungstate (Ba1-xPr2x/3)WO4 crystals with (x = 0, 0.01, and 0.02) were prepared by the coprecipitation method. These crystals were structurally characterized by X-ray diffraction (XRD), Rietveld refinements, Fourier-transform Raman (FT-Raman) and Fourier-transform infrared (FT-IR) spectroscopies. The shape and size of these crystals were observed by field emission scanning electron microcopy (FE-SEM). Their optical properties were investigated by ultraviolet visible (UV-vis) absorption and photoluminescence (PL) measurements. Moreover, we have studied the photocatalytic (PC) activity of crystals for degradation of rhodamine B (RhB) dye. XRD patterns, Rietveld refinements data, FT-Raman and FT-IR spectroscopies indicate that all crystals exhibit a tetragonal structure without deleterious phases. FT-Raman spectra exhibited 13 Raman-active modes in a range from 50 to 1000 cm(-1), while FT-IR spectra have 8 infrared active modes in a range from 200 to 1050 cm(-1). FE-SEM images showed different shapes (bonbon-, spindle-, rice-and flake-like) as well as a reduction in the crystal size with an increase in Pr3+ ions. A possible growth process was proposed for these crystals. UV-vis absorption measurements revealed a decrease in optical band gap values with an increase of Pr3+ into the matrix. An intense green PL emission was noted for (Ba1-xPr2x/3)WO4 crystals (x = 0), while crystals with (x = 0.01 and 0.02) produced a reduction in the wide band PL emission and the narrow band PL emission which is related to f-f transitions from Pr3+ ions. High photocatalytic efficiency was verified for the bonbon-like BaWO4 crystals as a catalyst in the degradation of the RhB dye after 25 min under UV-light. Finally, we discuss possible mechanisms for PL and PC properties of these crystals.

Nevo de células fusiformes de Reed na conjuntiva

Os autores relatam um caso de nevo de Reed, lesão que apresenta aspecto histológico de malignidade, mas tem evolução benigna. Paciente de 48 anos, masculino, cor parda, apresentava pterígio nasal no olho direito, associado a uma lesão pequena e pouco pigmentada localizada na cabeça do mesmo. Realizou-se exérese de ambos, sem intercorrências, sem sinais de recidiva. O exame histopatológico revelou lesão com bordas definidas, restrita ao epitélio, constituída por células fusiformes perpendiculares à superfície, com pigmentação melânica esparsa. O diagnóstico inicial foi nevo de Spitz, mas, posteriormente, chegou-se à conclusão que se tratava do nevo de células fusiformes de Reed. O presente relato é o segundo na literatura mundial e o primeiro no Brasil.

Análise invasiva e não invasiva do fuso meiótico de oócitos humanos obtidos de ciclos estimulados: dados preliminares

OBJETIVOS: Avaliar a concordância entre as técnicas de microscopia de polarização e microscopia confocal na avaliação do fuso meiótico de oócitos humanos maturados in vivo. MÉTODOS: Estudo prospectivo que avaliou oócitos com o primeiro corpúsculo polar extruído obtidos de mulheres inférteis submetidas à estimulação ovariana para realização de injeção intracitoplasmática de espermatozoide. Os oócitos com o primeiro corpúsculo polar extruído foram avaliados por meio da microscopia de polarização e, imediatamente após, foram fixados e corados para avaliação dos microtúbulos e cromatina pela microscopia confocal de alto desempenho. Foram comparadas as técnicas de microscopia de polarização e confocal, de acordo com a visualização ou não do fuso meiótico pela microscopia de polarização e a presença ou não de anomalias meióticas à análise pela microscopia confocal. Foram calculados os intervalos de confiança, o índice de Kappa e a concordância entre as metodologias, considerando a análise da microscopia de imunofluorescência como padrão-ouro para avaliação de normalidade do fuso e distribuição cromossômica oocitária. RESULTADOS: Observou-se que 72,7% dos oócitos em metáfase II com fuso celular não visível à polarização apresentaram anormalidades meióticas à análise confocal e que 55,6% dos oócitos em metáfase II com fuso celular visível à polarização apresentaram-se como oócitos anormais à análise confocal. Somente 44,4% dos oócitos com fuso celular visível à polarização apresentaram-se como normais à análise confocal. A concordância entre os métodos foi de 51,1% (Kappa: 0,11; IC95% -0,0958 - 0,319). CONCLUSÕES: A baixa concordância entre a microscopia de polarização e a confocal na avaliação do fuso meiótico oocitário sugere que a visualização do fuso meiótico de oócitos humanos em metáfase II pela microscopia de polarização tem limitado o valor preditivo de normalidade meiótica oocitária.

Studio dei ritmi circadiani in pazienti in stato vegetativo

Objective: To study circadian rhythms (sleep-wake, body core temperature and melatonin circadian rhythms) in patients in vegetative state (VS) in basal condition and after nocturnal blue light exposure. Methods: Eight patients in VS underwent two experimental sessions of 48 consecutive hours polysomnography with body core temperature (BCT) measurement separated by a 1-week interval. For a week between the two experimental sessions, patients underwent nocturnal blue light exposure (470 nm; 58 μW/cm2 for 4 hours from 11.30 p.m. to 3.30 a.m.). Brain MRI, Level of Cognitive Functioning Scale (LCF) and Disability Rating Scale (DRS) were assessed just before polysomnography. Results: In all patients LCF and DRS confirmed vegetative state. All patients showed a sleep-wake cycle. All patients showed spindle or spindle-like activities. REM sleep was detected in only 7 patients. Patients displayed a greater fragmentation of nocturnal sleep due to frequent awakenings. Mean nocturnal sleep efficiency was significantly reduced (40±22 vs. 74±17) in VS patients respect to controls. A significantly increasing of phase 1 and a significantly reduction of phase 2 and phase 3 were observed too. A modification of diurnal sleep total time and of diurnal duration of REM sleep were found after 1-week nocturnal blue light exposure. All patients displayed a normal BCT 24-h rhythm in basal condition and after nocturnal blue light exposure. A reduction of mean nocturnal melatonin levels in basal condition were observed in VS patients. Melatonin suppression after blue light exposure was observed in only 2 patients in VS. Conclusions: We found disorganized sleep-wake cycle and a normal BCT rhythm in our patients in VS. A reduction of mean nocturnal melatonin levels in basal condition were observed too.

Vibration as a method for muscular stimulation

Human reactions to vibration have been extensively investigated in the past. Vibration, as well as whole-body vibration (WBV), has been commonly considered as an occupational hazard for its detrimental effects on human condition and comfort. Although long term exposure to vibrations may produce undesirable side-effects, a great part of the literature is dedicated to the positive effects of WBV when used as method for muscular stimulation and as an exercise intervention. Whole body vibration training (WBVT) aims to mechanically activate muscles by eliciting neuromuscular activity (muscle reflexes) via the use of vibrations delivered to the whole body. The most mentioned mechanism to explain the neuromuscular outcomes of vibration is the elicited neuromuscular activation. Local tendon vibrations induce activity of the muscle spindle Ia fibers, mediated by monosynaptic and polysynaptic pathways: a reflex muscle contraction known as the Tonic Vibration Reflex (TVR) arises in response to such vibratory stimulus. In WBVT mechanical vibrations, in a range from 10 to 80 Hz and peak to peak displacements from 1 to 10 mm, are usually transmitted to the patient body by the use of oscillating platforms. Vibrations are then transferred from the platform to a specific muscle group through the subject body. To customize WBV treatments, surface electromyography (SEMG) signals are often used to reveal the best stimulation frequency for each subject. Use of SEMG concise parameters, such as root mean square values of the recordings, is also a common practice; frequently a preliminary session can take place in order to discover the more appropriate stimulation frequency. Soft tissues act as wobbling masses vibrating in a damped manner in response to mechanical excitation; Muscle Tuning hypothesis suggest that neuromuscular system works to damp the soft tissue oscillation that occurs in response to vibrations; muscles alters their activity to dampen the vibrations, preventing any resonance phenomenon. Muscle response to vibration is however a complex phenomenon as it depends on different parameters, like muscle-tension, muscle or segment-stiffness, amplitude and frequency of the mechanical vibration. Additionally, while in the TVR study the applied vibratory stimulus and the muscle conditions are completely characterised (a known vibration source is applied directly to a stretched/shortened muscle or tendon), in WBV study only the stimulus applied to a distal part of the body is known. Moreover, mechanical response changes in relation to the posture. The transmissibility of vibratory stimulus along the body segment strongly depends on the position held by the subject. The aim of this work was the investigation on the effects that the use of vibrations, in particular the effects of whole body vibrations, may have on muscular activity. A new approach to discover the more appropriate stimulus frequency, by the use of accelerometers, was also explored. Different subjects, not affected by any known neurological or musculoskeletal disorders, were voluntarily involved in the study and gave their informed, written consent to participate. The device used to deliver vibration to the subjects was a vibrating platform. Vibrations impressed by the platform were exclusively vertical; platform displacement was sinusoidal with an intensity (peak-to-peak displacement) set to 1.2 mm and with a frequency ranging from 10 to 80 Hz. All the subjects familiarized with the device and the proper positioning. Two different posture were explored in this study: position 1 - hack squat; position 2 - subject standing on toes with heels raised. SEMG signals from the Rectus Femoris (RF), Vastus Lateralis (VL) and Vastus medialis (VM) were recorded. SEMG signals were amplified using a multi-channel, isolated biomedical signal amplifier The gain was set to 1000 V/V and a band pass filter (-3dB frequency 10 - 500 Hz) was applied; no notch filters were used to suppress line interference. Tiny and lightweight (less than 10 g) three-axial MEMS accelerometers (Freescale semiconductors) were used to measure accelerations of onto patient’s skin, at EMG electrodes level. Accelerations signals provided information related to individuals’ RF, Biceps Femoris (BF) and Gastrocnemius Lateralis (GL) muscle belly oscillation; they were pre-processed in order to exclude influence of gravity. As demonstrated by our results, vibrations generate peculiar, not negligible motion artifact on skin electrodes. Artifact amplitude is generally unpredictable; it appeared in all the quadriceps muscles analysed, but in different amounts. Artifact harmonics extend throughout the EMG spectrum, making classic high-pass filters ineffective; however, their contribution was easy to filter out from the raw EMG signal with a series of sharp notch filters centred at the vibration frequency and its superior harmonics (1.5 Hz wide). However, use of these simple filters prevents the revelation of EMG power potential variation in the mentioned filtered bands. Moreover our experience suggests that the possibility of reducing motion artefact, by using particular electrodes and by accurately preparing the subject’s skin, is not easily viable; even though some small improvements were obtained, it was not possible to substantially decrease the artifact. Anyway, getting rid of those artifacts lead to some true EMG signal loss. Nevertheless, our preliminary results suggest that the use of notch filters at vibration frequency and its harmonics is suitable for motion artifacts filtering. In RF SEMG recordings during vibratory stimulation only a little EMG power increment should be contained in the mentioned filtered bands due to synchronous electromyographic activity of the muscle. Moreover, it is better to remove the artifact that, in our experience, was found to be more than 40% of the total signal power. In summary, many variables have to be taken into account: in addition to amplitude, frequency and duration of vibration treatment, other fundamental variables were found to be subject anatomy, individual physiological condition and subject’s positioning on the platform. Studies on WBV treatments that include surface EMG analysis to asses muscular activity during vibratory stimulation should take into account the presence of motion artifacts. Appropriate filtering of artifacts, to reveal the actual effect on muscle contraction elicited by vibration stimulus, is mandatory. However as a result of our preliminary study, a simple multi-band notch filtering may help to reduce randomness of the results. Muscle tuning hypothesis seemed to be confirmed. Our results suggested that the effects of WBV are linked to the actual muscle motion (displacement). The greater was the muscle belly displacement the higher was found the muscle activity. The maximum muscle activity has been found in correspondence with the local mechanical resonance, suggesting a more effective stimulation at the specific system resonance frequency. Holding the hypothesis that muscle activation is proportional to muscle displacement, treatment optimization could be obtained by simply monitoring local acceleration (resonance). However, our study revealed some short term effects of vibratory stimulus; prolonged studies should be assembled in order to consider the long term effectiveness of these results. Since local stimulus depends on the kinematic chain involved, WBV muscle stimulation has to take into account the transmissibility of the stimulus along the body segment in order to ensure that vibratory stimulation effectively reaches the target muscle. Combination of local resonance and muscle response should also be further investigated to prevent hazards to individuals undergoing WBV treatments.

Alterazioni dell'immunità umorale nei pazienti con sarcoma di Kaposi classico: caratterizzazione dei linfociti B circolanti e delle loro sottopopolazioni

Objectives: Human Herpesvirus 8 (HHV-8) is the etiological agent of Kaposi’s Sarcoma (KS) and it is also associated with two B cell lymphoproliferative diseases: primary effusion lymphoma (PEL), and the plasmablastic form of multicentric Castelman’s disease (MCD). HHV-8 establishes persistent infection in the host with tropism for multiple cell types. In KS patients, the virus is found in tumor-spindle cells, peripheral blood monocytes, endothelial progenitor circulating cells, T and B lymphocytes. Peripheral B cells represent one of the major virus reservoir, but the consequences of HHV-8 infection of these cells have been poorly characterized. Therefore, in this study the frequency, the immunophenotypic profile and the functional activity of different peripheral B cell subsets in patients with classic KS (cKS) was analysed in order to identify potential alterations of these cells. The classic variant of KS is ideal to perform such studies, as it lacks confounding factors such as HIV or EBV infection and immunosuppression. Methods: Whole-blood samples from patients with the classical form of KS (cKS) (n=62) and healthy age and sex-matched seronegative controls (HSN) (n=43) were analyzed by multiparametric flow-cytometry to determine the frequency of B cells and their subpopulations, as well as their surface expression of immunoglobulins and activation markers. Results: The frequency of circulating B cells was significantly higher in cKS patients than in controls. In particular, the analysis of the B cell subsets revealed a higher frequency of naïve B cells (CD19+CD27-), among which transitional CD19+CD38highCD5+ and pre-naïve (CD27-CD38intCD5+ ) B cells demonstrated an expansion. Memory B cells (CD19+CD27+) did not differ between the two study groups, except from a higher frequency of CD19+CD27+IgM+IgD+ B cells, the typical phenotype of marginal zone (MZ) B cells, in cKS patients. The characterization of membrane surface activation markers showed lower levels of the activation marker HLA-DR only on CD27- B cells, while CD80 and CD86 were less represented in all the the B cells from cKS patients. Moreover, B cells from cKS patients were smaller and with less granules than the ones from controls. Conclusion: Taken together, these results clearly indicate that circulating B cells are altered in patients with cKS, showing an expansion of the immature phenotypes. These B cell alterations may be due to an indirect viral effect rather than to a direct one: the cytokines expressed in the microenvironment typical of cKS may cause a faster release of immature cells from the bone marrow and a lower grade of peripheral differentiation, as already suggested for other chronic viral infections such as HIV and HCV. Further studies will be necessary to understand how these alterations contribute to the pathogenesis of KS and, eventually, to the different clinical evolution of the disease.

Molekulare Charakterisierung der Centrin-Isoformen in der Retina von Säugetieren

Centrine sind Mitglieder einer hoch konservierten Überfamilie von Ca2+-bindenden Proteinen mit EF-Hand Motiven. Bislang sind vier Centrin-Isoformen bei Säugern beschrieben worden, die in diversen Zellen in der Regel mit Centriolen von Centrosomen oder Centrosomen-verwandten Strukturen assoziiert sind. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden die vier Centrin-Isoformen bezüglich der Expression in verschiedenen Geweben untersucht. Dabei lag der Hauptfokus auf Untersuchungen der Centrine in den Photorezeptorzellen der Retina. Analysen auf subzellulärer Ebene brachten Klarheit über die differenzielle Lokalisation der verschiedenen Isoformen in der Retina. Mit Hilfe von verschiedenen Methoden konnten Wechselwirkungspartner in der Retina identifiziert werden, die eine Rolle in der visuellen Signaltransduktionskaskade spielen. Dabei könnten Centrine einem Regelmechanismus angehören, der wichtige Translokationsprozesse dieser Proteine regelt. In den Photorezeptorzellen der Säugetierretina werden die vier Isoformen exprimiert, die in den Strukturen des Cilienapparates differenziell lokalisiert sind. Dabei beschränkt sich ihre Lokalisation entweder auf den Basalkörper (Centrin 4), auf das Verbindungscilium (Centrin 1) oder sie sind in beiden Strukturen zu finden (Centrin 2 und 3). In den nicht- Photorezeptorzellen der Retina sind die Isoformen Centrin 2 und 3 zudem an den Centriolen der Centrosomen lokalisiert. In der vorliegenden Arbeit wurde zum ersten Mal gezeigt, dass alle Centrin-Isoformen in ein und derselben Zelle, der Photorezeptorzelle, koexprimiert werden und dabei subzellulär kolokalisiert sind. Im Weiteren konnte die ubiquitäre Expression von Centrin 2 und 3 in allen untersuchten Geweben an Centrosomen bestätigt werden. Centrin 1 und 4 hingegen werden nur in Geweben mit Cilien-tragenden Zellen exprimiert. Die Funktion der Centrine wird nicht nur durch Bindung von Ca2+, sondern auch durch Phosphorylierungen reguliert. Alle Sequenzen der Centrine weisen diverse mögliche Phosphorylierungsstellen für unterschiedliche Proteinkinasen auf. Die Ergebnisse aller durchgeführten in vitro und ex vivo Phosphorylierungs „Assays“ zeigen eine licht-abhängige Phosphorylierung der Centrin-Isoformen in der Retina. Dabei war in der dunkel-adaptierten Retina die Phosphorylierung vor allem von Centrin 1 und 2 erhöht. Weiterführende Experimente mit Kinase-Inhibitoren wiesen darauf hin, dass vor allem die Proteinkinase CKII eine bedeutende Rolle bei der Centrin-Phosphorylierung in der Retina einnimmt. Centrine sind die ersten Cytoskelettkomponenten, deren Phosphorylierungsgrad lichtabhängig moduliert wird. Diese Ergebnisse weisen auf einen Signalweg, der zwischen der visuellen Signaltransduktionskaskade und der Regulation der Centrin-Aktivität vermittelt, hin. Bei der Suche nach Centrin-Bindungspartnern gelang mit Hilfe von Centrin 1 Blot „Overlay Assays“ der Durchbruch. Der neuartige Ansatz zeigte, dass ausschließlich Ca2+-aktiviertes Centrin 1 mit Proteinen aus der Retina interagierte. Nach der Identifikation eines 37 kDa-Proteins als die β-Untereinheit des visuellen G-Proteins Transducin wurden die Untersuchungen auf diesen Interaktionspartner fokussiert. Die Ergebnisse der hier durchgeführten biochemischen und biophysikalischen Protein-Protein Interaktionsexperimente zeigen insgesamt folgendes: ⇒ Alle vier Centrine interagieren mit Transducin, wobei Centrin 3 die geringste Affinität zu Transducin hat. ⇒ Die Assemblierung der Centrin•G-Protein-Komplexe ist strikt Ca2+-abhängig. ⇒ Die Centrine binden sowohl an das isolierte Gtβγ-Heterodimer als auch an den heterotrimeren Gt-holo-Proteinkomplex, nicht aber an Gtα. Die quantitativen immunoelektronenmikroskopischen Analysen zeigen im Weiteren, dass sich die Komplexe aus Transducin und Centrin 1 bis 3 wahrscheinlich in einer Subdomäne des Verbindungsciliums der Photorezeptorzellen ausbilden. Dabei dürfte die Ausbildung der Komplexe an der Regulation der lichtinduzierten Translokation von Transducin zwischen Innen- und Außensegment der Photorezeptorzellen beteiligt sein. Dieser Translokationsmechanismus wird als ein wichtiger Bestandteil der Langzeitadaption der Signaltransduktionskaskade der Säugerretina diskutiert. Der neuartige Regelmechanismus der molekularen Translokationen, in dem Centrine involviert sind, ist außergewöhnlich und dürfte über die speziellen Photorezeptorzellen hinaus von weit reichender Bedeutung sein.

Charakterisierung funktioneller Domänen von Centrin-Isoformen

Centrine sind kleine Ca2+-bindende Proteine aus der Familie der EF-Hand Proteine. Erstmals wurden Centrine als Hauptbestandteil der kontraktilen Flagellenwurzeln von Grünalgen beschrieben. Mittlerweile konnten Centrine in nahezu allen eukaryotischen Organismen nachgewiesen werden. In Säugetieren wurden bis zu vier Isoformen identifiziert, die an Centrosomen oder davon abgeleiteten Strukturen, wie Spindelpolkörpern und Basalkörper, aber auch in Übergangszonen von Cilien exprimiert werden. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Centrine im zellulären Kontext der Photorezeptorzellen nicht nur durch die Bindung von Ca2+ reguliert werden, sondern auch durch reversible Phosphorylierungen. Die Phosphorylierung der Centrin-Isoformen findet in der Retina von Vertebraten lichtabhängig während der Dunkeladaption statt. Die Protein Kinase CK2 (CK2) ist für die beschriebenen lichtabhängigen Phosphorylierungen hauptverantwortlich. Obwohl alle Centrin-Isoformen mehrere mögliche Zielsequenzen für die CK2 besitzen, kommt es nur zur Phosphorylierung einer einzigen Aminosäure in Cen1p, Cen2p und Cen4p. Im Gegensatz dazu stellt die Isoform Cen3p kein Substrat für die CK2 dar. Zudem wurden hier erstmals Phosphatasen identifiziert, die in der Lage sind Centrine zu dephosphorylieren. Die Dephosphorylierung durch die PP2Cund PP2C ist sehr spezifisch, da keine andere Phosphatase der Retina die CK2-vermittelte Phosphorylierung der Centrine rückgängig machen kann. Hoch auflösende licht- und elektronenmikroskopische Analysen zeigten erstmals, dass die Centrine sowohl mit der CK2 als auch mit der PP2C im Verbindungscilium der Photorezeptorzellen colokalisiert sind. Cen1p und CK2 sind in der Lage, direkt an Mikrotubuli zu binden, was die notwendige räumliche Nähe zwischen Enzymen und Substrat herstellt. Bisherige Arbeiten zeigten, dass alle Centrine Ca2+-abhängig mit dem visuellen G-Protein Transducin interagieren. Diese Wechselwirkung dürfte an der Regulation der lichtabhängigen Translokation des visuellen G-Proteins Transducin zwischen dem Außen- und dem Innensegment der Photorezeptorzelle beteiligt sein. In der vorliegenden Arbeit zeigten Interaktionsstudien, dass die Bindungsaffinitäten der Centrine für Transducin durch die CK2-vermittelte Phosphorylierung drastisch verringert wurden. Dieser beobachtete Effekt beruht auf deutlich verringerten Ca2+-Affinitäten der Centrin-Isoformen nach der CK2-vermittelten Phosphorylierung. In der vorliegenden Arbeit wurde ein neuartiger Regulationsmechanismus der Centrine in den Photorezeptorzellen der Vertebraten beschrieben. Centrine werden nicht nur durch Ca2+-Bindung zur Bildung von Protein Komplexen stimuliert, sondern durch die Phosphorylierung zum Auflösen dieser Komplexe angeregt. Damit reguliert die CK2-vermittelte, lichtabhängige Phosphorylierung der Centrine möglicherweise ebenfalls die adaptive Translokation des visuellen G-Proteins Transducin zwischen dem Außen- und Innensegment der Photorezeptorzellen.

Effect of training systems and pruning methods on fruit quality in apple

The introduction of dwarfed rootstocks in apple crop has led to a new concept of intensive planting systems with the aim of producing early high yield and with returns of the initial high investment. Although yield is an important aspect to the grower, the consumer has become demanding regards fruit quality and is generally attracted by appearance. To fulfil the consumer’s expectations the grower may need to choose a proper training system along with an ideal pruning technique, which ensure a good light distribution in different parts of the canopy and a marketable fruit quality in terms of size and skin colour. Although these aspects are important, these fruits might not reach the proper ripening stage within the canopy because they are often heterogeneous. To describe the variability present in a tree, a software (PlantToon®), was used to recreate the tree architecture in 3D in the two training systems. The ripening stage of each of the fruits was determined using a non-destructive device (DA-Meter), thus allowing to estimate the fruit ripening variability. This study deals with some of the main parameters that can influence fruit quality and ripening stage within the canopy and orchard management techniques that can ameliorate a ripening fruit homogeneity. Significant differences in fruit quality were found within the canopies due to their position, flowering time and bud wood age. Bi-axis appeared to be suitable for high density planting, even though the fruit quality traits resulted often similar to those obtained with a Slender Spindle, suggesting similar fruit light availability within the canopies. Crop load confirmed to be an important factor that influenced fruit quality as much as the interesting innovative pruning method “Click”, in intensive planting systems.

Neural network activity in the neonatal rat barrel cortex in vivo

Coordinated patterns of electrical activity are important for the early development of sensory systems. The spatiotemporal dynamics of these early activity patterns and the role of the peripheral sensory input for their generation are essentially unknown. There are two projects in this thesis. In project1, we performed extracellular multielectrode recordings in the somatosensory cortex of postnatal day 0 to 7 rats in vivo and observed three distinct patterns of synchronized oscillatory activity. (1) Spontaneous and periphery-driven spindle bursts of 1–2 s in duration and ~10 Hz in frequency occurred approximately every 10 s. (2) Spontaneous and sensory-driven gamma oscillations of 150–300 ms duration and 30–40 Hz in frequency occurred every 10–30 s. (3) Long oscillations appeared only every ~20 min and revealed the largest amplitude (250–750 µV) and longest duration (>40 s). These three distinct patterns of early oscillatory activity differently synchronized the neonatal cortical network. Whereas spindle bursts and gamma oscillations did not propagate and synchronized a local neuronal network of 200–400 µm in diameter, long oscillations propagated with 25–30 µm/s and synchronized 600-800 µm large ensembles. All three activity patterns were triggered by sensory activation. Single electrical stimulation of the whisker pad or tactile whisker activation elicited neocortical spindle bursts and gamma activity. Long oscillations could be only evoked by repetitive sensory stimulation. The neonatal oscillatory patterns in vivo depended on NMDAreceptor-mediated synaptic transmission and gap junctional coupling. Whereas spindle bursts and gamma oscillations may represent an early functional columnar-like pattern, long oscillations may serve as a propagating activation signal consolidating these immature neuronal networks. In project2, Using voltage-sensitive dye imaging and simultaneous multi-channel extracellular recordings in the barrel cortex and somatosensory thalamus of newborn rats in vivo, we found that spontaneous and whisker stimulation induced activity patterns were restricted to functional cortical columns already at the day of birth. Spontaneous and stimulus evoked cortical activity consisted of gamma oscillations followed by spindle bursts. Spontaneous events were mainly generated in the thalamus or by spontaneous whisker movements. Our findings indicate that during early developmental stages cortical networks self-organize in ontogenetic columns via spontaneous gamma oscillations triggered by the thalamus or sensory periphery.

Phasenverhalten, Kristallisation und Morphologie ladungsstabilisierter kolloidaler Mischungen

Die vorliegende Arbeit möchte die Anwendbarkeit ladungsstabilisierter kolloidaler Systeme als Modellsysteme für fundamentale Fragen der Festkörperphysik und Thermodynamik auf binäre Mischungen erweitern. In diesem Kontext untersucht sie das Phasenverhalten und mit ihm im Zusammenhang stehende Eigenschaften von binären Mischungen ladungsstabilisierter, sphärischer kolloidaler Partikel in wässriger Suspension. Da das Verhalten hartkugelähnlicher Systeme durch hohe Fremdionenkonzentrationen bereits gut bekannt ist, konzentriert sich diese Arbeit auf sehr langreichweitig repulsive Systeme unter deionisierten Bedingungen. Neben etablierten Methoden der Mikroskopie und statischer Lichtstreuung zur Phasendiagrammsbestimmung wird auch die Beobachtung der zeitabhängigen Entwicklung des Schermoduls verwendet, um eine langsame Erstarrungskinetik zu studieren. Es werden insbesondere Mischungen aus Komponenten unterschiedlicher Größe und Ladung der Größenverhältnisse 0,9, 0,82, 0,57, 0,39 und 0,37 untersucht. Diese zeigen in dieser Reihenfolge Phasendiagramme mit spindelförmigem fluid/kristallinen Koexistenzbereich wie auch azeotrope und eutektische Phasendiagramme. Die Strukturuntersuchungen aus der statischen Lichtstreuung stehen in praktisch allen Fällen im Einklang mit ungeordneten bcc- Substitutionskristallen, was über Modelle zu Schermodulmessungen bestätigt wird. Für das spindelförmige System wird ein überraschend weiter Koexistenzbereich beobachtet, wie er nicht von der Theorie erwartet wird. Die Lage, aber nicht die Form des Solidus stimmt quantitativ mit Simulationsvorhersagen zu einkomponentigen Systemen überein. Für das eutektische System bei einem Radienverhältnis von 0,57 wird der Einfluss der Schwerkraft auf das Phasenverhalten und die Erstarrungskinetik untersucht. Die der Kristallisation der kleineren Majoritätskomponente vorgelagerte gravitativ unterstützte Entmischung begünstigt hier die Verfestigung. Beobachtet werden Morphologien, die aus anderen Systemen bekannt sind (Facetten, Dendriten), wie auch erstmals eine kollumnare eutektische Morphologie. Aus den Ergebnissen wird der erste umfassende Überblick über das Phasenverhalten deionisierter Mischungen ladungsstabilisierter, sphärischer Partikel erstellt, die eine Diskussion der Daten anderer Autoren und unserer Gruppe über fluid-fluider Phasenseparation und einem System mit oberem azeotropen Punkt mit einschließt. Die meisten metallspezifischen Phasendiagrammtypen können mit ladungsstabilisierten kolloidalen Partikeln reproduziert werden. Die langreichweitig wechselwirkenden Partikel zeigt eine wesentlich verbesserte substitutionelle Mischbarkeit im Vergleich mit Hartkugel- und Metallsystemen. Das Größenverhältnis der sphärischen Partikel nimmt dabei die bestimmende Rolle für den Phasendiagrammtyp ein.

Methods and strategies to identify the mode of action of phytoactive compounds

Small molecules affecting biological processes in plants are widely used in agricultural practice as herbicides or plant growth regulators and in basic plant sciences as probes to study the physiology of plants. Most of the compounds were identified in large screens by the agrochemical industry, as phytoactive natural products and more recently, novel phytoactive compounds originated from academic research by chemical screens performed to induce specific phenotypes of interest. The aim of the present PhD thesis is to evaluate different approaches used for the identification of the primary mode of action (MoA) of a phytoactive compound. Based on the methodologies used for MoA identification, three approaches are discerned: a phenotyping approach, an approach based on a genetic screen and a biochemical screening approach.rnFour scientific publications resulting from my work are presented as examples of how a phenotyping approach can successfully be applied to describe the plant MoA of different compounds in detail.rnI. A subgroup of cyanoacrylates has been discovered as plant growth inhibitors. A set of bioassays indicated a specific effect on cell division. Cytological investigations of the cell division process in plant cell cultures, studies of microtubule assembly with green fluorescent protein marker lines in vivo and cross resistant studies with Eleusine indica plants harbouring a mutation in alpha-tubulin, led to the description of alpha-tubulin as a target site of cyanoacrylates (Tresch et al., 2005).rnII. The MoA of the herbicide flamprop-m-methyl was not known so far. The studies described in Tresch et al. (2008) indicate a primary effect on cell division. Detailed studies unravelled a specific effect on mitotic microtubule figures, causing a block in cell division. In contrast to other inhibitors of microtubule rearrangement such as dinitroanilines, flamprop-m-methyl did not influence microtubule assembly in vitro. An influence of flamprop-m-methyl on a target within the cytoskeleton signalling network could be proposed (Tresch et al., 2008).rnIII. The herbicide endothall is a protein phosphatase inhibitor structurally related to the natural product cantharidin. Bioassay studies indicated a dominant effect on dark-growing cells that was unrelated to effects observed in the light. Cytological characterisation of the microtubule cytoskeleton in corn tissue and heterotrophic tobacco cells showed a specific effect of endothall on mitotic spindle formation and ultrastructure of the nucleus in combination with a decrease of the proliferation index. The observed effects are similar to those of other protein phosphatase inhibitors such as cantharidin and the structurally different okadaic acid. Additionally, the observed effects show similarities to knock-out lines of the TON1 pathway, a protein phosphatase-regulated signalling pathway. The data presented in Tresch et al. (2011) associate endothall’s known in vitro inhibition of protein phosphatases with in vivo-effects and suggest an interaction between endothall and the TON1 pathway.rnIV. Mefluidide as a plant growth regulator induces growth retardation and a specific phenotype indicating an inhibition of fatty acid biosynthesis. A test of the cuticle functionality suggested a defect in the biosynthesis of very-long-chain fatty acids (VLCFA) or waxes. Metabolic profiling studies showed similarities with different groups of VLCFA synthesis inhibitors. Detailed analyses of VLCFA composition in tissues of duckweed (Lemna paucicostata) indicated a specific inhibition of the known herbicide target 3 ketoacyl-CoA synthase (KCS). Inhibitor studies using a yeast expression system established for plant KCS proteins verified the potency of mefluidide as an inhibitor of plant KCS enzymes. It could be shown that the strength of inhibition varied for different KCS homologues. The Arabidopsis Cer6 protein, which induces a plant growth phenotype similar to mefluidide when knocked out, was one of the most sensitive KCS enzymes (Tresch et al., 2012).rnThe findings of my own work were combined with other publications reporting a successful identification of the MoA and primary target proteins of different compounds or compound classes.rnA revised three-tier approach for the MoA identification of phytoactive compounds is proposed. The approach consists of a 1st level aiming to address compound stability, uniformity of effects in different species, general cytotoxicity and the effect on common processes like transcription and translation. Based on these findings advanced studies can be defined to start the 2nd level of MoA characterisation, either with further phenotypic characterisation, starting a genetic screen or establishing a biochemical screen. At the 3rd level, enzyme assays or protein affinity studies should show the activity of the compound on the hypothesized target and should associate the in vitro effects with the in vivo profile of the compound.

Charakterisierung einer pflanzlichen Variante des Cytoskelettproteins gamma-Tubulin durch Strukturmodellierung, Überexpression und Analyse der Interaktionspartner

Wie alle Eukaryoten besitzen auch höhere Pflanzen ein mikrotubuläres Cytoskelett. Einige Funktionen dieses Cytoskeletts sind relativ stark konserviert, andere dagegen scheinen sehr pflanzenspezifisch zu sein. Dies betrifft insbesondere charakteristische mikrotubuläre Netzwerke, die bei der Neubildung und der Verstärkung der Zellwände wichtige Rollen übernehmen. Wie der Aufbau dieser Netzwerke kontrolliert wird, ist bisher relativ unklar. Typische Mikrotubuli organisierende Zentren (MTOC), insbesondere Centrosomen oder Spindelpolkörper, sind bei höheren Pflanzen nicht beobachtet worden. Von pilzlichen und tierischen Organismen weiß man, dass gamma-Tubulin (gTUB) mit seinen assoziierten Proteinen in den MTOC bei der Nukleation von Mikrotubuli eine Schlüsselfunktion hat. Dieses Mitglied der Tubulin-Superfamilie wird aber auch in Pflanzen gefunden, dessen genaue Funktion bisher unbekannt ist. Zu Beginn der Arbeit wurden mittels in silico Berechnungen Strukturmodelle des pflanzlichen gTUBs aus Nicotiana tabacum erarbeitet, da die Struktur, die zu einem Verständnis der pflanzlichen Wachstumsregulation beitragen könnte, bisher unbekannt ist. Auf Grundlage der bioinformatischen Daten konnte für weitere Studien eine notwendige gTUB-Deletionsmutante entwickelt werden. Für Röntgendiffraktionsstudien und gTUB-Interaktionspartneranalysen war die Verfügbarkeit verhältnismäßig großer Proteinmengen notwendig. Die Expression der gTUB-Volllängensequenz in gelöster und aktiver Form stellte einen immanent wichtigen Zwischenschritt dar. Das Escherichia coli T7/lacO-Expressionssystem lieferte, trotz vielversprechender Erfolge in der Vergangenheit, kein gelöstes rekombinantes gTUB. So wurden zwar verhältnismäßig hohe Expressionsraten erzielt, aber das rekombinante gTUB lag quantitativ als Inclusion bodies vor. Eine Variationen der Expressionsparameter sowie umfangreiche Versuche mittels verschiedenster Konstrukte sowie potentiell die Löslichkeit erhöhenden Tags gTUB in gelöster Form in E. coli zu exprimieren blieben erfolglos. Eine Denaturierung der Inclusion bodies und Rückfaltung wurde aufgrund der wohl bei der Tubulinfaltung notwendigen komplexeren Chaperone sowie thermodynamischer Überlegungen ausgeschlossen. Die höher evolvierte Chaperonausstattung war ein Hauptgrund für die Verwendung der eukaryotischen Hefe-Expressionssysteme K. lactis und des S. cerevisiae-Stammes FGY217 zur gTUB-Expression. So konnten nach der Selektion nur transgene Hefe-Zellen dokumentiert werden, die die gTUB-Expressionskassette nachweislich an der vorgesehenen Zielposition in ihrem Genom integrierten, aber keine dokumentierbare Expression zeigten. Die wahrscheinlichste Begründung hierfür ist, dass ein erhöhter intrazellulärer gTUB-Titer mit dem Zellwachstum und der Zellteilung dieser eukaryotischen Organismen interferierte und durch Rückkopplungen die rekombinante gTUB-CDS aus N. tabacum ausgeschaltet wurde. Der Versuch einer transienten gTUB-Überexpression in differenzierten Blattgeweben höherer Pflanzen war eine logische Konsequenz aus den vorherigen Ergebnissen und lieferte, wenn auch nicht die für eine Proteinkristallisation notwendigen Mengen, gelöstes gTUB. Bestrebungen einer stabilen Transfektion von A. thaliana oder BY-2-Zellkulturen mit einer gTUB-CDS lieferten keine transgenen Organismen, was starke Interferenzen der rekombinanten gTUB-CDS in den Zellen vermuten lies. Transfektionsversuche mit nur GFP tragenden Konstrukten ergaben hingegen eine hohe Anzahl an transgenen Organismen, die auch verhältnismäßig starke Expressionsraten zeigten. Die erzielten Proteinmengen bei der transienten gTUB-Überexpression in N. benthamiana Blattgeweben, in Co-Expression mit dem Posttransriptional Gene Silencing-Suppressorprotein p19, waren für einen Pull-Down sowie eine massenspektroskopische Analyse der Interaktionspartner ausreichend und ergaben Befunde. Eine abschließende Auswertung des erarbeiteten massenspektroskopischen Datensatzes wird jedoch erst dann möglich sein, wenn das Tabak-Proteom vollständig sequenziert ist. Die Erweiterung der bestehenden pflanzlichen Vergleichsdatenbanken um das bisher bekannte Tabak-Proteom vervielfachte die Anzahl der in dieser Studie identifizierten gTUB-Interaktionspartner. Interaktionen mit dem TCP1-Chaperon untermauern die Hypothese der zur Faltung pflanzlichen gTUBs notwendigen Chaperone. Beobachtete gTUB-Degradationsmuster in Verbindung mit Interaktionen des 26S-Proteasoms deuten auf eine Gegenregulationen bei erhöhtem gTUB-Titer auf Proteinebene hin. Da Blattgewebe selbst nur noch über eine sehr geringe und inhomogene Teilungsaktivität verfügen ist diese Regulation hoch spannend. Auch konnte durch Co-Expression des PTGS-Suppressorproteins p19 gezeigt werden, dass bei der gTUB-Expression eine Regulation auf RNA-Ebene erfolgt.

Charakterisierung der Proteine CEP164 und ppdpf sowie deren Einordnung in den mitotischen Kontext

Eine regelgerechte bipolare Mitose und die fehlerfreie Aufteilung duplizierter DNA ist die Voraussetzung für die Entwicklung aller Lebewesen. Treten Fehler bei diesem grundsätzlichen Prozess auf, ist entweder der Zelltod oder die maligne Entartung der Zelle die Folge. Daher ist es von zentraler Bedeutung, die Vorgänge während der Zellteilung zu verstehen und die Funktion der an diesem Prozess beteiligten Proteine aufzudecken. Im Vorfeld dieser Arbeit wurden im Rahmen eines siRNA-Screens genomweit alle Proteine durch RNA-Interferenz depletiert und die Mitosen nach erfolgter RNAi phänotypisch untersucht. Ein besonderes Augenmerk lag dabei auf der Entwicklung multipolarer Spindeln durch Defekte in der Zentrosomenbündelung. Dadurch wurden unter anderem die Proteine CEP164 und ppdpf identifiziert. Da weder für CEP164 noch für ppdpf mitotische Funktionen bekannt sind, war es Ziel dieser Arbeit, die beiden Proteine eingehender zu charakterisieren und in den Kontext der Mitose einzuordnen. rnIm Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass CEP164 einer komplexen mitotischen Regulation unterliegt. Die in Interphase durchweg zentrosomale Lokalisation von CEP164 geht in der Mitose verloren. Es wird demonstriert, dass CEP164 während der Mitose unter anderem von CDK1 phosphoryliert wird und des Weiteren ubiquitinyliert wird. Als Interaktionspartner wurde das zentrosomale Protein Ninein identifiziert und demonstriert, dass sich CEP164 mit diesem in einem Komplex von ~2MDA befindet. Als weiterer Interaktionspartner wurde das Ninein-like-Protein ermittelt. Im Hinblick auf die Induktion multipolarer Mitosen wurde gezeigt, dass die Depletion von CEP164 nicht dafür verantwortlich ist. Die Induktion multipolarer Spindeln ist stattdessen darin begründet, dass durch die Transfektion einer siRNA gegen CEP164 auch ein für die Ausbildung der mitotischen Spindel elementares Protein, Ch-TOG, depletiert wird.rnIm Gegensatz dazu wurde im Rahmen dieser Arbeit bestätigt, dass das Protein ppdpf eine wichtige mitotische Funktion übernimmt. Zwar führt die Depletion von ppdpf nur zu einer sehr geringen Zunahme multipolarer Mitosen, allerdings steigt die Zahl aberranter Mitosen deutlich an, während die Spannung innerhalb mitotischer Spindeln abnimmt. Desweiteren konnte nachgewiesen werde, dass ppdpf-RNAi die Entwicklung von „lagging chromosomes“ und nachfolgend von Mikrokernen begünstigt. Es wurde gezeigt, dass ppdpf während der Mitose an Spindelmikrotubuli lokalisiert und spezifisch acetyliertes Tubulin bindet. Diese Interaktion hatte allerdings keinen Einfluss auf die Stabilität von Mikrotubuli während der Mitose. Das Protein ppdpf interagiert zudem mit dem Kinesin Eg5, wobei ppdpf-RNAi allerdings nicht zu einer Modulation der Aktivität von Eg5 zu führen scheint. Inwiefern diese Eigenschaften die Entwicklung von „lagging chromosomes“ begünstigen ist derzeit noch offen.

Long-term potentiation and neural network activity in the neonatal rat cerebral cortex in vivo

Long-term potentiation in the neonatal rat rnbarrel cortex in vivo rnLong-term potentiation (LTP) is important for the activity-dependent formation of early cortical circuits. In the neonatal rodent barrel cortex LTP has been so far only studied in vitro. I combined voltage-sensitive dye imaging with extracellular multi-electrode recordings to study whisker stimulation-induced LTP for both the slope of field potential and the number of multi-unit activity in the whisker-to-barrel cortex pathway of the neonatal rat barrel cortex in vivo. Single whisker stimulation at 2 Hz for 10 min induced an age-dependent expression of LTP in postnatal day (P) 0 to P14 rats with the strongest expression of LTP at P3-P5. The magnitude of LTP was largest in the stimulated barrel-related column, smaller in the surrounding septal region and no LTP could be observed in the neighboring barrel. Current source density analyses revealed an LTP-associated increase of synaptic current sinks in layer IV / lower layer II/III at P3-P5 and in the cortical plate / upper layer V at P0-P1. This study demonstrates for the first time an age-dependent and spatially confined LTP in the barrel cortex of the newborn rat in vivo. These activity-dependent modifications during the critical period may play an important role in the development and refinement of the topographic map in the barrel cortex. (An et al., 2012)rnEarly motor activity triggered by gamma and spindle bursts in neonatal rat motor cortexrnSelf-generated neuronal activity generated in subcortical regions drives early spontaneous motor activity, which is a hallmark of the developing sensorimotor system. However, the neuronal activity patterns and functions of neonatal primary motor cortex (M1) in the early movements are still unknown. I combined voltage-sensitive dye imaging with simultaneous extracellular multi-electrode recordings in the neonatal rat S1 and M1 in vivo. At P3-P5, gamma and spindle bursts observed in M1 could trigger early paw movements. Furthermore, the paw movements could be also elicited by the focal electrical stimulation of M1 at layer V. Local inactivation of M1 could significantly attenuate paw movements, suggesting that the neonatal M1 operates in motor mode. In contrast, the neonatal M1 can also operate in sensory mode. Early spontaneous movements and sensory stimulations of paw trigger gamma and spindle bursts in M1. Blockade of peripheral sensory input from the paw completely abolished sensory evoked gamma and spindle bursts. Moreover, both sensory evoked and spontaneously occurring gamma and spindle bursts mediated interactions between S1 and M1. Accordingly, local inactivation of the S1 profoundly reduced paw stimulation-induced and spontaneously occurring gamma and spindle bursts in M1, indicating that S1 plays a critical role in generation of the activity patterns in M1. This study proposes that both self-generated and sensory evoked gamma and spindle bursts in M1 may contribute to the refinement and maturation of corticospinal and sensorimotor networks required for sensorimotor coordination.rn