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

Rapid spontaneous malignant progression of supratentorial tanycytic ependymoma with sarcomatous features - "Ependymosarcoma"

By analogy to gliosarcoma, the term "ependymosarcoma" has recently been coined to thematize the rare phenomenon of a malignant mesenchymal component arising within an ependymoma. We report on an example of this paradigm, involving tanycytic ependymoma as the host tumor in a 40-year-old female who underwent two tumor extirpation procedures at one-year interval. She first presented with severe headaches, and was seen by imaging to harbor a moderately enhancing mass 2.5cm in diameter at the rostral septum pellucidum accompanied by occlusive hydrocephalus. Microscopically, the tumor consisted of solid, wavy fascicles of elongated cells that were occasionally interrupted by vague perivascular pseudorosettes. Mitotic activity was absent, and less than 1% of nuclei immunoreacted for MIB-1. A histological diagnosis of tanycytic ependymoma (WHO grade II) was rendered, and no adjuvant therapy given. At recurrence, the lesion was 3.5cm in diameter, intensely enhancing, and had already seeded into the subarachnoid space. Histology showed a biphasic glial-sarcomatous architecture with remnants of the original ependymoma now displaying hypercellularity and atypical - yet not frankly anaplastic - features. The sarcomatous moiety consisted of spindle and epithelioid cells densely interwoven with reticulin fibers. While the ependymal component was GFAP and S100 protein positive, and featured punctate staining for EMA, none of these markers was expressed in the adjacent sarcoma. Instead, the latter reacted for vimentin and smooth muscle actin. To the best of our knowledge, this is the first documentation of tanycytic ependymoma undergoing malignant transformation, one driven by a highly anaplastic mesenchymal component, corresponding to "ependymosarcoma".

Uromodulin is expressed in renal primary cilia and UMOD mutations result in decreased ciliary uromodulin expression

Uromodulin (UMOD) mutations are responsible for three autosomal dominant tubulo-interstitial nephropathies including medullary cystic kidney disease type 2 (MCKD2), familial juvenile hyperuricemic nephropathy and glomerulocystic kidney disease. Symptoms include renal salt wasting, hyperuricemia, gout, hypertension and end-stage renal disease. MCKD is part of the 'nephronophthisis-MCKD complex', a group of cystic kidney diseases. Both disorders have an indistinguishable histology and renal cysts are observed in either. For most genes mutated in cystic kidney disease, their proteins are expressed in the primary cilia/basal body complex. We identified seven novel UMOD mutations and were interested if UMOD protein was expressed in the primary renal cilia of human renal biopsies and if mutant UMOD would show a different expression pattern compared with that seen in control individuals. We demonstrate that UMOD is expressed in the primary cilia of renal tubules, using immunofluorescent studies in human kidney biopsy samples. The number of UMOD-positive primary cilia in UMOD patients is significantly decreased when compared with control samples. Additional immunofluorescence studies confirm ciliary expression of UMOD in cell culture. Ciliary expression of UMOD is also confirmed by electron microscopy. UMOD localization at the mitotic spindle poles and colocalization with other ciliary proteins such as nephrocystin-1 and kinesin family member 3A is demonstrated. Our data add UMOD to the group of proteins expressed in primary cilia, where mutations of the gene lead to cystic kidney disease.

Characterisation of gp34, a GPI-anchored protein expressed by schizonts of Theileria parva and T. annulata

Using bioinformatics tools, we searched the predicted Theileria annulata and T. parva proteomes for putative schizont surface proteins. This led to the identification of gp34, a GPI-anchored protein that is stage-specifically expressed by schizonts of both Theileria species and is downregulated upon induction of merogony. Transfection experiments in HeLa cells showed that the gp34 signal peptide and GPI anchor signal are also functional in higher eukaryotes. Epitope-tagged Tp-gp34, but not Ta-gp34, expressed in the cytosol of COS-7 cells was found to localise to the central spindle and midbody. Overexpression of Tp-gp34 and Ta-gp34 induced cytokinetic defects and resulted in accumulation of binucleated cells. These findings suggest that gp34 could contribute to important parasite-host interactions during host cell division.

Meningial perineurioma: a benign peripheral nerve sheath tumor in a previously unrecognized central nervous system location, mimicking meningioma

Perineurioma is an uncommon, mostly benign, spindle-cell tumor of peripheral nerve sheath origin with a predilection for the soft tissues. Although increasing awareness points to the sites of involvement by perineurioma possibly being as ubiquitous as those frequented by schwannian tumors, only one intracerebral example has been described to date. We report on a surgically resected perineurioma of the falx cerebri in an 86-year-old woman. Preoperative imaging showed an enhancing extraaxial mass of 6 cm × 5.7 cm × 3.7 cm. Histologically, the tumor consisted of a proliferation of spindle cells interwoven by a lattice of basal lamina. Alongside a prevailing soft tissue perineurioma pattern, sclerosing and reticular areas were seen as well. Tumor cells coexpressed EMA and GLUT-1, and a minority immunoreacted for smooth muscle actin. Pericellular basal lamina was decorated with collagen type IV. No staining for S100 protein was detected. Mitotic activity was virtually absent, and the MIB1 labeling index averaged 2%. Ultrastructural examination revealed abundant pinocytotic vesicles within and conspicuous tight junctions between slender cytoplasmic processes which, in turn, were encased by discontinuous basal lamina. FISH analysis confirmed loss of at least part of one chromosome 22q. This observation calls attention to perineurioma as a novel item in the repertoire of low-grade meningial spindle cell neoplasms, in the differential diagnostic context of which it is apt to being misconstrued as either meningioma, solitary fibrous tumor, or neurofibroma. Confusion with the latter bears the risk of overgrading innocuous features of perineurioma as criteria for malignancy.

Glycogen-rich pleomorphic xanthoastrocytoma with clear-cell features: confirmatory report of a rare variant with implications for differential diagnosis

Central nervous system space-occupying lesions with clear-cell features encompass a nosologically heterogeneous array, ranging from reactive histiocytic proliferations to neuroepithelial or meningothelial neoplasms of various grades and to metastases. In the face of such differential diagnostic breadth, recognizing cytoplasmic lucency as part of the morphological spectrum of some low grade gliomas will directly have an impact on patient care. We describe a prevailing clear-cell change in an epileptogenic left temporal pleomorphic xanthoastrocytoma surgically resected from a 36-year-old man. Mostly subarachnoid and focally calcified, the tumor was composed of fascicles of moderately atypical spindle cells with optically lucent cytoplasm that tended to intermingle with a desmoplastic mesh of reticulin fibers. Immunohistochemically, coexpression of S100 protein, vimentin, GFAP, and CD34 was noted. Conversely, neither punctate staining for EMA nor positivity for CD68 was seen. Mitotic activity was absent, and the MIB1 labeling index was 2-3% on average. Diastase-sensitive PAS-positive granula indicated clear-cell change to proceed from glycogen storage. Electron microscopy showed tumor cell cytoplasm to be largely obliterated by non-lysosomal-bound pools of glycogen, while hardly any fat vacuole was encountered. Neither ependymal-derived organelles nor annular lamellae suggesting oligodendroglial differentiation were detected. The latter differential diagnosis was further invalidated by lack of codeletion of chromosomal regions 1p36 and 19q13 on molecular genetic testing. By significantly interfering with pattern recognition as an implicit approach in histopathology, clear-cell change in pleomorphic xanthoastrocytoma is likely to suspend its status as a "classic", and to prompt more deductive differential diagnostic strategies to exclude look-alikes, especially clear-cell ependymoma and oligodendroglioma.

Holocentric chromosomes: convergent evolution, meiotic adaptations, and genomic analysis

In most eukaryotes, the kinetochore protein complex assembles at a single locus termed the centromere to attach chromosomes to spindle microtubules. Holocentric chromosomes have the unusual property of attaching to spindle microtubules along their entire length. Our mechanistic understanding of holocentric chromosome function is derived largely from studies in the nematode Caenorhabditis elegans, but holocentric chromosomes are found over a broad range of animal and plant species. In this review, we describe how holocentricity may be identified through cytological and molecular methods. By surveying the diversity of organisms with holocentric chromosomes, we estimate that the trait has arisen at least 13 independent times (four times in plants and at least nine times in animals). Holocentric chromosomes have inherent problems in meiosis because bivalents can attach to spindles in a random fashion. Interestingly, there are several solutions that have evolved to allow accurate meiotic segregation of holocentric chromosomes. Lastly, we describe how extensive genome sequencing and experiments in nonmodel organisms may allow holocentric chromosomes to shed light on general principles of chromosome segregation.

An anatomical investigation of the cervicothoracic ganglion

Anatomical variability within the autonomic nervous system has long been accepted. This study evaluated the anatomical variability of the cervicothoracic ganglion (CTG) according to its form and, in addition, provided precise measurements between the CTG and the anterior tubercle of the transverse process of the sixth cervical vertebra (C6TP), the first costovertebral articulation, and the vertebral artery. Forty-two adult cadavers were dissected, 22 male and 20 females. Five main forms of CTG were documented; spindle (31.9%), dumbbell (23.2%), truncated (21.7%), perforated (14.5%), and inverted-L (8.7%). The means for length, width, and thickness of the CTG were 18.5 mm, 8.2 mm, and 4.5 mm, respectively. The dimensions were found to be slightly larger in the males than females and on the left sides as compared to the right. The mean shortest distance between the CTGs and the vertebral artery was found to be 2.8 mm, whilst the mean shortest distances to C6TP was 25.7 mm and to the first costovertebral articulation was 1.7 mm. There is great variability in the morphology of the CTG with five common forms consistently seen. The relation to the vertebral artery may influence the form of the ganglion. Two previously undocumented forms are recorded; the truncated which describes the important juxtaposition of the CTG and the vertebral artery and the perforated which describes the piercing of the ganglion itself by the artery. The findings are considered to be of clinical importance to anesthetists, surgeons, neurosurgeons, and anatomists.