Studies on IL-18 in HIV infection : effects of the cytokine on intestinal integrity, and platelets as a new source of the cytokine

L'interleukine IL-18 (IL-18), un membre de la famille de l’IL-1, est une cytokine pro-inflammatoire multifonctionnelle. Elle est produite par les monocytes, les macrophages, les cellules dendritiques, les cellules épithéliales, les kératinocytes et le cortex surrénal dans le corps humain. Cette cytokine est d'abord produite comme une protéine précurseure inactive, qui est par la suite clivée en une forme mature par la caspase-1 activée. La caspase, en elle-même, existe comme précurseur inactif dans les cellules humaines et requiert l'assemblage d'inflammasomes pour son activation. L'IL-18 pour joue un rôle clé dans la médiation des conditions inflammatoires. Notre laboratoire et d'autres ont montré que l'infection par le VIH est accompagnée d'une augmentation des taux circulants d'IL-18 avec une diminution des niveaux de son antagoniste, l'interleukine-18 binding protein (IL-18BP). Dans cette thèse, nous démontrons pour que l'IL-18 est également produite et sécrétée par les plaquettes humaines lors de leur activation. Les plaquettes contiennent des composants de l'inflammasome. Ils assemblent et activent la caspase-1, qui ensuite traite le précurseur de l'IL-18 dans sa forme mature au cours du processus d'activation des plaquettes. La cytokine est synthétisée de novo lors de l'activation des plaquettes. Contrairement à l'IL-18, les plaquettes expriment constitutivement l’IL-18BP, et la libèrent de manière constitutive, ainsi que lors de l'activation. L'IL-18 et l'IL-18BP sont colocalisés avec CD63, un marqueur pour les granules α des plaquettes. L'IL-18 libéré des plaquettes constitue la source principale de cette cytokine dans la circulation humaine chez les individus sains. Nous avons identifié des concentrations faibles de cette cytokine dans les lysats de plaquettes chez les individus infectés par le VIH par rapport à ceux en santé. D'autre part, les concentrations ont été augmentées dans le sérum et le plasma pauvre en plaquettes chez les individus infectés. Des résultats similaires ont été obtenus avec l'IL-18BP dans les lysats de plaquettes d'individus sains et infectés par le VIH. Cependant, des quantités plus faibles de cet antagoniste ont été trouvées dans le sérum et le plasma pauvre en plaquettes d'individus infectés par le VIH par rapport à ceux en santé. Nos résultats ont des implications importantes pour les maladies inflammatoires chroniques dans laquelle une activité accrue de l'IL-18 joue un rôle pathogène. Le VIH est également accompagné par une inflammation intestinale et une diminution de l'intégrité intestinale, mesurée par la réparation de la muqueuse, la régénération et la perméabilité. Cependant, on en sait peu sur la relation entre le niveau élevé de l'IL-18 associé à l'infection au VIH et la perméabilité intestinale: ceci n'a jamais été étudié. Dans cette thèse, nous démontrons le rôle du virus et sa protéine Tat à augmenter la production d'IL-18 chez deux lignées de cellules épithéliales intestinales (HT29 et Caco2) ainsi qu'une diminution de l'IL-18BP. L'IL-18 induit une hyperperméabilité de la barrière épithéliale en perturbant à la fois les jonctions serrées et adhérentes, et ce, en modulant l'expression et la distribution de l'occludine, de claudine-2 et de la bêta-caténine. Une désorganisation de l'actine F a également été observée dans les cellules lors de l'incubation avec l'IL-18. Les mêmes observations ont été faites avec la protéine Tat du VIH-1. Après une incubation prolongée, l'IL-18 a causé la mort des cellules intestinales et induit l'apoptose par l'activation de la caspase-1 et la caspase-3. Fait intéressant, les taux plasmatiques de lipopolysaccharides chez trois catégories différentes de patients au VIH (ART-naïf, ART-traitée et contrôleurs élite) sont en corrélation avec les niveaux plasmatiques de l'IL-18. Enfin, nous avons étudié la voie de signalisation à travers laquelle l'IL-18 induit une perméabilité intestinale accrue. En bref, nos études identifient les plaquettes comme une source importante d'IL-18, et leur activation lors d'une infection à VIH contribue à des concentrations accrues de cette cytokine. Le virus entraine également l'augmentation de la production de cytokines par les cellules épithéliales intestinales. L'activité biologique accrue de ces cytokines contribue à la pathogenèse du sida en augmentant la perméabilité intestinale et en causant la mort des cellules intestinales. L'IL-18 pourrait servir de cible moléculaire pour retarder la progression du sida et réduire l'inflammation chronique dans un stade précoce d'une infection à VIH.

Le GABA comme marqueur de récupération suite à une commotion cérébrale dans le sport ?

L’association démontrée récemment entre les commotions cérébrales dans le sport et le développement possible de maladies neurodégénératives a suggéré la possibilité que des altérations persistantes soient présentes dans le cerveau de l’athlète commotionné. En fait, des altérations neurophysiologiques ont récemment été révélées au sein du cortex moteur primaire (M1) d’athlètes ayant un historique de commotions via la stimulation magnétique transcrânienne (SMT). Plus précisément, la période silencieuse corticale (PSC), une mesure d’inhibition liée aux récepteurs GABAB, était anormalement élevée, et cette hyper-inhibition était présente jusqu’à 30 ans post-commotion. La PSC, et possiblement le GABA, pourraient donc s’avérer des marqueurs objectifs des effets persistants de la commotion cérébrale. Toutefois, aucune étude à ce jour n’a directement évalué les niveaux de GABA chez l’athlète commotionné. Ainsi, les études cliniques et méthodologiques composant le présent ouvrage comportent deux objectifs principaux: (1) déterminer si l’inhibition excessive (GABA et PSC) est un marqueur des effets persistants de la commotion cérébrale; (2) déterminer s’il est possible de moduler l’inhibition intracorticale de façon non-invasive dans l’optique de développer de futurs avenues de traitements. L’article 1 révèle une préservation des systèmes sensorimoteurs, somatosensoriels et de l’inhibition liée au GABAA chez un groupe d’athlètes universitaires asymptomatiques ayant subi de multiples commotions cérébrales en comparaison avec des athlètes sans historique connu de commotion cérébrale. Cependant, une atteinte spécifique des mesures liées au système inhibiteur associé aux récepteurs GABAB est révélée chez les athlètes commotionnés en moyenne 24 mois post-commotion. Dans l’article 2, aucune atteinte des mesures SMT liées au système inhibiteur n’est révélée en moyenne 41 mois après la dernière commotion cérébrale chez un groupe d’athlètes asymptomatiques ayant subi 1 à 5 commotions cérébrales. Bien qu’aucune différence entre les groupes n’est obtenue quant aux concentrations de GABA et de glutamate dans M1 via la spectroscopie par résonance magnétique (SRM), des corrélations différentielles suggèrent la présence d’un déséquilibre métabolique entre le GABA et le glutamate chez les athlètes commotionnés. L’article 3 a démontré, chez des individus en bonne santé, un lien entre la PSC et la transmission glutamatergique, ainsi que le GABA et le glutamate. Ces résultats suggèrent que la PSC ne reflète pas directement les concentrations du GABA mesurées par la SRM, mais qu’un lien étroit entre la GABA et le glutamate est présent. L’article 4 a démontré la possibilité de moduler la PSC avec la stimulation électrique transcrânienne à courant direct (SÉTcd) anodale chez des individus en santé, suggérant l’existence d’un potentiel thérapeutique lié à l’utilisation de cette technique. L’article 5 a illustré un protocole d’évaluation des effets métaboliques de la SÉTcd bilatérale. Dans l’article 6, aucune modulation des systèmes GABAergiques révélées par la SMT et la SRM n’est obtenue suite à l’utilisation de ce protocole auprès d’individus en santé. Cet article révèle également que la SÉTcd anodale n’engendre pas de modulation significative du GABA et du glutamate. En somme, les études incluent dans le présent ouvrage ont permis d’approfondir les connaissances sur les effets neurophysiologiques et métaboliques des commotions cérébrales, mais également sur le mécanisme d’action des diverses méthodologies utilisées.

Modèle cellulaire de carcinogenèse pour les cancers de l’oropharynx induits par le VPH

Problématique: Le virus du papillome humain (VPH) est présent dans près de 50% des cancers de l’oropharynx. Le potentiel oncogénique du VPH est encodé dans les oncoprotéines E6 et E7, qui agissent en modulant différents gènes, dont les gènes suppresseurs de tumeur p53 et pRb. Les cellules VPH positives démontrent une altération au niveau de la signalisation de la réponse aux dommages à l’ADN (RDA), un mécanisme de contrôle dans l’arrêt de la croissance des cellules ayant subit des dommages au niveau de leur ADN. Hypothèse et objectifs : Nous croyons que les défauts au niveau de la RDA des cancers VPH positifs peuvent être exploités afin de sensibiliser préférentiellement les cellules cancéreuses aux traitements de radiothérapie. Cette stratégie de recherche nécessite l’élaboration d’un modèle cellulaire de carcinogenèse isogénique pour le cancer de l’oropharynx que nous proposons de développer et de caractériser. L’étude vise à dériver des lignées isogéniques à partir de kératinocytes primaires et cellules épithéliales de l’oropharynx pour ensuite valider la carcinogenèse de notre modèle in vitro & in vivo Méthodologie : Des lignées cellulaires de kératinocytes primaires et de cellules épithéliales de l’oropharynx ont été successivement modifiées par transduction afin de présenter les mutations associées aux cancers de l’oropharynx induits par le VPH. Les cellules ont été modifiées avec des lentivirus codants pour la télomérase (hTERT), les oncogènes E6, E7 et RasV12. Afin de valider la cancérogenèse in vitro de notre modèle, des études d’invasion en matrigel et de croissance sans ancrage en agar mou ont été réalisées. Les populations cellulaires transformées ont été ensuite introduites dans des souris immunodéficientes afin d’évaluer leur tumorogénicité in vivo. Résultats : À partir des plasmides recombinés construits par méthodes de clonage traditionnelle et de recombinaison « Gateway », nous avons produit des lentivirus codants pour la télomérase humaine (hTERT), les oncogènes viraux E6 et E7 et l’oncogène Ras. Les kératinocytes primaires et cellules épithéliales de l’oropharynx ont été infectés successivement par transduction et sélectionnés. Nous avons validé l’expression de nos transgènes par méthode d’immunofluorescence, de Western Blot et de réaction de polymérisation en chaîne quantitative en temps réel (qRT-PCR). Nous avons établi trois lignées des cellules épithéliales de l’oropharynx (HNOE) à partir d’échantillons tissulaires prélevés lors d’amygdalectomie (HNOE42, HNO45, HNOE46). Les cellules transduites avec le lentivirus exprimant le promoteur fort CMV/TO de l’oncogène RasV12 ont présenté un changement morphologique compatible avec une sénescence prématurée induite par l’oncogène Ras. En exprimant des quantités plus faibles du RasV12 mutant, la lignée cellulaire HEKn hTERT-E6-E7 PGK RasV12 a réussi à échapper à la sénescence induite par l’oncogène Ras. La population cellulaire exprimant HEKn hTERT-E6-E7-PGK RasV12 a présenté un phénotype malin en culture et à l’étude d'invasion, mais n’a pas démontré de résultats positifs à l’étude de croissance sans ancrage en agar mou ni en xénogreffe en souris immunodéficientes. Conclusion : Nos résultats démontrent qu’en présence des oncogènes viraux E6 et E7, il y a un troisième mécanisme suppresseur de tumeur qui médie la sénescence induite par l’oncogène Ras. Nous avons identifié que la présence de E6 seule ne suffit pas à immortaliser les kératinocytes primaires humains (HEKn). Nous n’avons pas réussi à créer un modèle in vitro de carcinogenèse pour les cancers de l’oropharynx induits par le VPH.

Impact de la maladie du greffon contre l’hôte sur la reconstitution immunitaire suite à une transplantation allogénique de cellules souches hématopoïétiques

La transplantation allogénique de cellules souches hématopoïétiques (ASCT) est couramment utilisée pour traiter différents cancers hématologiques. Malheureusement, l’effet bénéfique de cette technique est limité par la réaction du greffon contre l’hôte (GVHD) qui demeure la cause principale de mortalité post-greffe. La GVHD endommage différents organes et retarde la reconstitution immunitaire des lymphocytes T (LT) ce qui augmente les risques d’infection et de rechute. Le développement de nouveaux traitements permettant d’accélérer la reconstitution immunitaire augmenterait donc les chances de survie des patients greffés. Il existe deux façons de régénérer des LT: via la thymopoïèse qui consiste à produire de nouveaux LT, ou par la prolifération homéostatique (PH) qui implique l’expansion rapide des LT matures retrouvés dans le greffon. La PH requiert deux signaux essentiels: l’interleukine-7 (IL-7) et la présentation d’antigènes du soi par les cellules dendritiques (DC) via le complexe majeur d’histocompatibilité (CMH) I pour les LT CD8+ et le CMH II pour les LT CD4+. Dans un contexte d’ASCT, la chimiothérapie et la GVHD endommagent le thymus rendant la thymopoïèse inefficace. Par conséquent, la reconstitution immunitaire repose presque entièrement sur la PH des LT. L’objectif de cette thèse était de comprendre comment la GVHD affecte la reconstitution des LT. Grâce à un modèle murin, nous avons démontré que la PH des LT CD4+ est absente durant la GVHD et ce, dû à de faibles niveaux d’IL-7 et une diminution du nombre de DC. La perte des DC est en grande partie causée par des niveaux réduits de stromal derived factor-1α (SDF-1α) et par l’absence de progéniteurs de DC dans la moelle osseuse des souris en GVHD. Le traitement des souris en GVHD avec du SDF-1α permet d’augmenter le nombre de DC, et lorsqu’administré avec l’IL-7, améliore significativement la PH des LT CD4+. Contrairement aux LT CD4+, l’administration d’IL-7 seule est suffisante pour restaurer la PH des LT CD8+ durant la GVHD et ce, même en absence des DC. Ces différences s’expliquent pour deux raisons : 1) l’expression du CMH I, contrairement au CMH II, n’est pas limitée aux DC mais est également exprimée par les cellules stromales du receveur ce qui est suffisant pour induire la PH des LT CD8+ et 2) les LT CD8+ répondent à des concentrations plus faibles d’IL-7 systémique comparativement aux LT CD4+. En conclusion, l’ensemble de ces résultats permettra de mettre en place des études translationnelles sur le potentiel thérapeutique du SDF-1α et de l’IL-7 dans la reconstitution immunitaire des patients greffés.

Vers une meilleure compréhension de la pathogenèse de la maladie osseuse reliée à la fibrose kystique

Les patients atteints de la fibrose kystique (FK) ont désormais un âge médian de survie dépassant la cinquantaine. Par contre, avec ce vieillissement surviennent de nouvelles complications dont l'une des plus prévalente est la maladie osseuse associée à la FK. Les souris dont le Cftr est invalidé génétiquement présentent une densité osseuse amoindrie qui découle d’un débalancement du remodelage osseux caractérisé par une diminution de la formation et une augmentation de la résorption osseuse. L'observation que plusieurs modèles murins FK ont un phénotype ostéopénique et ce, même en absence de certains facteurs étiologiques (inflammation chronique, prise de glucocorticoïdes, insuffisance pancréatique etc.) laisse croire que le Cftr, le gène muté dans la FK, joue un rôle non-négligeable dans le métabolisme osseux. Le présent projet étudiera l’impact de l’absence du CFTR, sur les ostéoblastes (Ob) et ostéoclastes (Oc) dans un modèle murin de FK, soit les souris Cftr-/- de souche BALB/c. De plus, les Ob, sont reconnus comme ayant un effet modulateur sur le microenvironnement leucocytaire de la moelle osseuse (MO). Ce projet visera également à investiguer l’impact de l’absence du CFTR sur la niche leucocytaire de la MO. Nos résultats de densitométrie osseuse et de microtomographie à rayons X ont confirmé que les souris Cftr -/- ont une densité osseuse et un contenu minéral osseux abaissé, une diminution du volume osseux trabéculaire, un nombre amoindri de travées osseuses et une plus grande séparation entre les travées comparé aux souris Cftr+/+. Afin de mieux comprendre ce phénotype osseux, nous avons vérifié et confirmé que l’expression génique et protéique du CFTR est présente chez des Ob dérivés de la MO, mais est absent au niveau des Oc dérivés de la MO. Ces observations corroborent nos résultats portant sur la différenciation des cellules osseuses où nous avons démontré que seule la différenciation et fonction ostéoblastique sont affectées par l'absence du CFTR. Ce défaut ostéoblastique semble influencer négativement la leucopoïèse puisque nous observons une quantité moindre de cellules T, de macrophages et de cellules dendritiques chez les souris Cftr -/- vs. Cftr +/+. À la lumière de ces résultats, l'absence du CFTR semble avoir un impact important sur les ostéoblastes et la moelle osseuse.

Rôle du microenvironnement apoptotique tissulaire et du MFG-E8 dans la modulation de la réponse inflammatoire

L’inflammation fait partie des processus réactionnels de défense dont dispose l’organisme en réponse aux agressions, assurant l’intégrité de l’hôte. En réponse au dommage tissulaire, plusieurs médiateurs inflammatoires interviennent dans le processus de l’inflammation. Lors de ces dommages, des signaux de dangers provenant de cellules endommagées sont relâchés dans l’environnement tissulaire, pouvant causer des dommages cellulaires et tissulaires. Les macrophages, tout comme d’autres cellules, peuvent être activés par ces signaux de danger, menant à la sécrétion de molécules telles que des cytokines et des chimiokines pouvant modifier le microenvironnement tissulaire. Les insultes au tissu sain peuvent entrainer la mort cellulaire telle que l’apoptose. Les molécules pouvant être relâchées lors de celle-ci contribuent au microenvironnement, notamment de par l’influence de celles-ci sur le macrophage. Parmi ces médiateurs, nous avons identifié le Milk Fat Globule-Epidermal growth factor 8 (MFG-E8), un acteur important dans la résolution de l’inflammation, comme étant relâché spécifiquement par les cellules apoptotiques. Nous avons émis l’hypothèse que le microenvironnement apoptotique tissulaire, via la relâche de MFG-E8, module le phénotype du macrophage, modifiant le microenvironnement, la réponse inflammatoire ainsi que le devenir de l’insulte tissulaire. Nos objectifs sont 1) de caractériser ce microenvironnement apoptotique tissulaire et la cinétique de relâche du MFG-E8 par les cellules apoptotiques, 2) d’en évaluer son rôle dans la modulation du phénotype du macrophage ainsi que 3) d’en étudier, in vivo, son influence sur l’environnement inflammatoire et le devenir tissulaire. Dans le premier article présenté, nous avons démontré que les cellules endothéliales apoptotiques relâchent le MFG-E8 de façon Caspase-3 dépendante. La stimulation des macrophages par l’environnement conditionné par les cellules endothéliales apoptotiques mène à l’adoption d’un profil macrophagien davantage anti-inflammatoire et moindrement pro-inflammatoire. Ce phénotype est réduit par l’inhibition de la Caspase-3 et il dépend de la présence de MFG-E8. De plus, le potentiel du MFG-E8 à la reprogrammation du macrophage pro-inflammatoire a été démontré via un modèle expérimental de péritonite. Ce changement phénotypique médié par MFG-E8 implique une signalisation STAT3. Ayant démontré que les cellules épithéliales apoptotiques, à l’instar des cellules endothéliales apoptotiques, relâchent elles aussi de façon apoptose-dépendante le MFG-E8, nous avons étudié plus exhaustivement un modèle in vivo riche en apoptose épithéliale, l’obstruction urétérale unilatérale. Dans ce deuxième article présenté, nous rapportons l’implication bénéfique de MFG-E8 dans ce modèle de pathologie rénale obstructive. Nous avons constaté que la présence ou l’administration de MFG-E8 réduit le dommage tissulaire et la fibrose. La protection conférée par MFG-E8 est médiée via la modulation de l’activation de l’inflammasome. De plus, nos résultats illustrent l’importance du phénotype anti-inflammatoire du macrophage médié par le MFG-E8 dans la régulation négative de l’activation de l’inflammasome rénal et du dommage tissulaire. Cette thèse présente la première description de la relâche Caspase-3-dépendante de MFG-E8 par les cellules apoptotiques. Elle démontre également l’importance du MFG-E8 dans le microenvironnement apoptotique inflammatoire dans l’atténuation du phénotype pro-inflammatoire du macrophage. De plus, nous avons démontré son rôle protecteur dans des modèles in vivo de transplantation aortique et de réparation tissulaire, de même que dans un modèle de maladie rénale chronique où nous avons montré que cette protection conférée par MFG-E8 est médiée par la régulation négative de l’inflammasome tissulaire. Nos résultats suggèrent ainsi que le MFG-E8 pourrait être considéré comme un interrupteur inflammatoire et ainsi comme une cible potentielle dans la modulation de maladies inflammatoires.

Oligo(p-Phenylenevinylene) Derived Organogels: A Novel Class of Functional Supramolecular Materials

The main objective of the present study is to have a detailed investigation on the gelation properties, morphology and optical properties of small π-conjugated oligomers. For this purpose we have chosen oligo(p-phenylenevinylene)s (OPVs), a class of molecules which have received considerable attention due to their unique optical and electronic properties. Though a large number of reports are available in the literature on the self-assembly properties of tailor made OPVs, none of them pertain to the design of nanostructures based on organogels. In view of this, we aimed at the creation of functional chromophoric assemblies of π-conjugated OPVs through the formation of organogels, with the objective of crafting nanoscopic assemblies of different size and shape thereby modulating their optical and electronic properties.In order to fulfill the above objectives, the design and synthesis of a variety of OPVs with appropriate structural variations were planned. The design principle involves the derivatization of OPVs with weak H-bonding hydroxymethyl end groups and with long aliphatic hydrocarbon side chains. The noncovalent interactions in these molecules were expected to lead the formation of supramolecular assembly and gels in hydrocarbon solvents. In such an event, detailed study of gelation and extensive analysis of the morphology of the gel structures were planned using advanced microscopic techniques. Since OPVs are strongly fluorescent molecules, gelation is expected to perturb the optical properties. Therefore, detailed study on the gelation induced optical properties as a way to probe the nature and stability of the selfassembly was planned. Apart from this, the potential use of the modulation of the optical properties for the purpose of light harvesting was aimed. The approach to this problem was to entrap an appropriate energy trap to the OPV gel matrix which may lead to the efficient energy transfer from the OPV gel based donor to the entrapped acceptor. The final question that we wanted to address in this investigation was the creation of helical nanostructures through proper modification of the OPV backbone With chiral handles.The present thesis is a detailed and systematic approach to the realization of the above objectives which are presented in different chapters of the thesis.

Studies on nitrifying microorganisms in Cochin Estuary and adjacent coastal waters

This thesis entitled “Studies on Nitrifying Microorganisms in Cochin Estuary and Adjacent Coastal Waters” reports for the first time the spatial andtemporal variations in the abundance and activity of nitrifiers (Ammonia oxidizingbacteria-AOB; Nitrite oxidizing bacteria- NOB and Ammonia oxidizing archaea-AOA) from the Cochin Estuary (CE), a monsoon driven, nutrient rich tropicalestuary along the southwest coast of India. To fulfil the above objectives, field observations were carried out for aperiod of one year (2011) in the CE. Surface (1 m below surface) and near-bottomwater samples were collected from four locations (stations 1 to 3 in estuary and 4 in coastal region), covering pre-monsoon, monsoon and post-monsoon seasons. Station 1 is a low saline station (salinity range 0-10) with high freshwater influx While stations 2 and 3 are intermediately saline stations (salinity ranges 10-25). Station 4 is located ~20 km away from station 3 with least influence of fresh water and is considered as high saline (salinity range 25- 35) station. Ambient physicochemical parameters like temperature, pH, salinity, dissolved oxygen (DO), Ammonium, nitrite, nitrate, phosphate and silicate of surface and bottom waters were measured using standard techniques. Abundance of Eubacteria, total Archaea and ammonia and nitrite oxidizing bacteria (AOB and NOB) were quantified using Fluorescent in situ Hybridization (FISH) with oligonucleotide probes labeled withCy3. Community structure of AOB and AOA was studied using PCR Denaturing Gradient Gel Electrophoresis (DGGE) technique. PCR products were cloned and sequenced to determine approximate phylogenetic affiliations. Nitrification rate in the water samples were analyzed using chemical NaClO3 (inhibitor of nitrite oxidation), and ATU (inhibitor of ammonium oxidation). Contribution of AOA and AOB in ammonia oxidation process was measured based on the recovered ammonia oxidation rate. The contribution of AOB and AOA were analyzed after inhibiting the activities of AOB and AOA separately using specific protein inhibitors. To understand the factors influencing or controlling nitrification, various statistical tools were used viz. Karl Pearson’s correlation (to find out the relationship between environmental parameters, bacterial abundance and activity), three-way ANOVA (to find out the significant variation between observations), Canonical Discriminant Analysis (CDA) (for the discrimination of stations based on observations), Multivariate statistics, Principal components analysis (PCA) and Step up multiple regression model (SMRM) (First order interaction effects were applied to determine the significantly contributing biological and environmental parameters to the numerical abundance of nitrifiers). In the CE, nitrification is modulated by the complex interplay between different nitrifiers and environmental variables which in turn is dictated by various hydrodynamic characteristics like fresh water discharge and seawater influx brought in by river water discharge and flushing. AOB in the CE are more adapted to varying environmental conditions compared to AOA though the diversity of AOA is higher than AOB. The abundance and seasonality of AOB and NOB is influenced by the concentration of ammonia in the water column. AOB are the major players in modulating ammonia oxidation process in the water column of CE. The distribution pattern and seasonality of AOB and NOB in the CE suggest that these organisms coexist, and are responsible for modulating the entire nitrification process in the estuary. This process is fuelled by the cross feeding among different nitrifiers, which in turn is dictated by nutrient levels especially ammonia. Though nitrification modulates the increasing anthropogenic ammonia concentration the anthropogenic inputs have to be controlled to prevent eutrophication and associated environmental changes.

Effects of Different Feeding Regimes on the Digestibility and Faecal Excretion of Nitrogen, Soluble Carbohydrates and Fibre Fractions in Water Buffaloes kept under Subtropical Conditions

In the course of the ‘Livestock Revolution’, extension and intensification of, among others, ruminant livestock production systems are current phenomena, with all their positive and negative side effects. Manure, one of the inevitable secondary products of livestock rearing, is a valuable source of plant nutrients and its skillful recycling to the soil-plant interface is essential for soil fertility, nutrient - and especially phosphorus - uses efficiency and the preservation or re-establishment of environmentally sustainable farming systems, for which organic farming systems are exemplarily. Against this background, the PhD research project presented here, which was embedded in the DFG-funded Research Training Group 1397 ‘Regulation of soil organic matter and nutrient turnover in organic agriculture ’ investigated possibilities to manipulate the diets of water buffalo (Bubalus bubalis L.) so as to produce manure of desired quality for organic vegetable production, without affecting the productivity of the animals used. Consisting of two major parts, the first study (chapter 2) tested the effects of diets differing in their ratios of carbon (C) to nitrogen (N) and of structural to non-structural carbohydrates on the quality of buffalo manure under subtropical conditions in Sohar, Sultanate of Oman. To this end, two trials were conducted with twelve water buffalo heifers each, using a full Latin Square design. One control and four tests diets were examined during three subsequent 7 day experimental periods preceded each by 21 days adaptation. Diets consisted of varying proportions of Rhodes grass hay, soybean meal, wheat bran, maize, dates, and a commercial concentrate to achieve a (1) high C/N and high NDF (neutral detergent fibre)/SC (soluble carbohydrate) ratio (HH), (2) low C/N and low NDF/SC ratio (LL); (3) high C/N and low NDF/SC ratio (HL) and (4) low C/N and high NDF/SC (LH) ratio. Effects of these diets, which were offered at 1.45 times maintenance requirements of metabolizable energy, and of individual diet characteristics, respectively, on the amount and quality of faeces excreted were determined and statistically analysed. The faeces produced from diets HH and LL were further tested in a companion PhD study (Mr. K. Siegfried) concerning their nutrient release in field experiments with radish and cabbage. The second study (chapter 3) focused on the effects of the above-described experimental diets on the rate of passage of feed particles through the gastrointestinal tract of four randomly chosen animals per treatment. To this end, an oral pulse dose of 683 mg fibre particles per kg live weight marked with Ytterbium (Yb; 14.5 mg Yb g-1 organic matter) was dosed at the start of the 7 day experimental period which followed 21 days of adaptation. During the first two days a sample for Yb determination was kept from each faecal excretion, during days 3 – 7 faecal samples were kept from the first morning and the first evening defecation only. Particle passage was modelled using a one-compartment age-dependent Gamma-2 model. In both studies individual feed intake and faecal excretion were quantified throughout the experimental periods and representative samples of feeds and faeces were subjected to proximate analysis following standard protocols. In the first study the organic matter (OM) intake and excretion of LL and LH buffaloes were significantly lower than of HH and HL animals, respectively. Digestibility of N was highest in LH (88%) and lowest in HH (74%). While NDF digestibility was also highest in LH (85%) it was lowest in LL (78%). Faecal N concentration was positively correlated (P≤0.001) with N intake, and was significantly higher in faeces excreted by LL than by HH animals. Concentrations of fibre and starch in faecal OM were positively affected by the respective dietary concentrations, with NDF being highest in HH (77%) and lowest in LL (63%). The faecal C/N ratio was positively related (P≤0.001) to NDF intake; C/N ratios were 12 and 7 for HH and LL (P≤0.001), while values for HL and LH were 11.5 and 10.6 (P>0.05). The results from the second study showed that dietary N concentration was positively affecting faecal N concentration (P≤0.001), while there was a negative correlation with the faecal concentration of NDF (P≤0.05) and the faecal ratios of NDF/N and C/N (P≤0.001). Particle passage through the mixing compartment was lower (P≤0.05) for HL (0.033 h-1) than for LL (0.043 h-1) animals, while values of 0.034 h-1 and 0.038 h-1 were obtained for groups LH and HH. At 55.4 h, total tract mean retention time was significantly (P≤0.05) lower in group LL that in all other groups where these values varied between 71 h (HH) and 79 h (HL); this was probably due to the high dietary N concentration of diet LL which was negatively correlated with time of first marker appearance in faeces (r= 0.84, P≤0.001), while the dietary C concentration was negatively correlated with particle passage through the mixing compartment (r= 0.57, P≤0.05). The results suggest that manure quality of river buffalo heifers can be considerably influenced by diet composition. Despite the reportedly high fibre digestion capacity of buffalo, digestive processes did not suppress the expression of diet characteristics in the faeces. This is important when aiming at producing a specific manure quality for fertilization purposes in (organic) crop cultivation. Although there was a strong correlation between the ingestion and the faecal excretion of nitrogen, the correlation between diet and faecal C/N ratio was weak. To impact on manure mineralization, the dietary NDF and N concentrations seem to be the key control points, but modulating effects are achieved by the inclusion of starch into the diet. Within the boundaries defined by the animals’ metabolic and (re)productive requirements for energy and nutrients, diet formulation may thus take into account the abiotically and biotically determined manure turnover processes in the soil and the nutrient requirements of the crops to which the manure is applied, so as to increase nutrient use efficiency along the continuum of the feed, the animal, the soil and the crop in (organic) farming systems.

Genomic architecture of adaptive color pattern divergence and convergence in Heliconius butterflies

Identifying the genetic changes driving adaptive variation in natural populations is key to understanding the origins of biodiversity. The mosaic of mimetic wing patterns in Heliconius butterflies makes an excellent system for exploring adaptive variation using next-generation sequencing. In this study, we use a combination of techniques to annotate the genomic interval modulating red color pattern variation, identify a narrow region responsible for adaptive divergence and convergence in Heliconius wing color patterns, and explore the evolutionary history of these adaptive alleles. We use whole genome resequencing from four hybrid zones between divergent color pattern races of Heliconius erato and two hybrid zones of the co-mimic Heliconius melpomene to examine genetic variation across 2.2 Mb of a partial reference sequence. In the intergenic region near optix, the gene previously shown to be responsible for the complex red pattern variation in Heliconius, population genetic analyses identify a shared 65-kb region of divergence that includes several sites perfectly associated with phenotype within each species. This region likely contains multiple cis-regulatory elements that control discrete expression domains of optix. The parallel signatures of genetic differentiation in H. erato and H. melpomene support a shared genetic architecture between the two distantly related co-mimics; however, phylogenetic analysis suggests mimetic patterns in each species evolved independently. Using a combination of next-generation sequencing analyses, we have refined our understanding of the genetic architecture of wing pattern variation in Heliconius and gained important insights into the evolution of novel adaptive phenotypes in natural populations.

Convergencia de vías de señalización en un modelo de apoptosis

La sepsis es un evento inflamatorio generalizado del organismo inducido por un daño causado generalmente por un agente infeccioso. El patógeno más frecuentemente asociado con esta entidad es el Staphylococcus aureus, responsable de la inducción de apoptosis en células endoteliales debida a la producción de ceramida. Se ha descrito el efecto protector de la proteína C activada (PCA) en sepsis y su relación con la disminución de la apoptosis de las células endoteliales. En este trabajo se analizó la activación de las quinasas AKT, ASK1, SAPK/JNK y p38 en un modelo de apoptosis endotelial usando las técnicas de Western Blotting y ELISA. Las células endoteliales (EA.hy926), se trataron con C2-ceramida (130μM) en presencia de inhibidores químicos de cada una de estas quinasas y PCA. La supervivencia de las células en presencia de inhibidores químicos y PCA fue evaluada por medio de ensayos de activación de las caspasas 3, 7 y 9, que verificaban la muerte celular por apoptosis. Los resultados evidencian que la ceramida reduce la activación de AKT y aumenta la activación de las quinasas ASK, SAPK/JNK y p38, en tanto que PCA ejerce el efecto contrario. Adicionalmente se encontró que la tiorredoxina incrementa la activación/fosforilación de AKT, mientras que la quinasa p38 induce la defosforilación de AKT.

Viewing the body modulates tactile receptive fields

Tactile discrimination performance depends on the receptive field (RF) size of somatosensory cortical (SI) neurons. Psychophysical masking effects can reveal the RF of an idealized "virtual" somatosensory neuron. Previous studies show that top-down factors strongly affect tactile discrimination performance. Here, we show that non-informative vision of the touched body part influences tactile discrimination by modulating tactile RFs. Ten subjects performed spatial discrimination between touch locations on the forearm. Performance was improved when subjects saw their forearm compared to viewing a neutral object in the same location. The extent of visual information was relevant, since restricted view of the forearm did not have this enhancing effect. Vibrotactile maskers were placed symmetrically on either side of the tactile target locations, at two different distances. Overall, masking significantly impaired discrimination performance, but the spatial gradient of masking depended on what subjects viewed. Viewing the body reduced the effect of distant maskers, but enhanced the effect of close maskers, as compared to viewing a neutral object. We propose that viewing the body improves functional touch by sharpening tactile RFs in an early somatosensory map. Top-down modulation of lateral inhibition could underlie these effects.

Electrification of volcanic plumes

Volcanic lightning, perhaps the most spectacular consequence of the electrification of volcanic plumes, has been implicated in the origin of life on Earth, and may also exist in other planetary atmospheres. Recent years have seen volcanic lightning detection used as part of a portfolio of developing techniques to monitor volcanic eruptions. Remote sensing measurement techniques have been used to monitor volcanic lightning, but surface observations of the atmospheric electric Potential Gradient (PG) and the charge carried on volcanic ash also show that many volcanic plumes, whilst not sufficiently electrified to produce lightning, have detectable electrification exceeding that of their surrounding environment. Electrification has only been observed associated with ash-rich explosive plumes, but there is little evidence that the composition of the ash is critical to its occurrence. Different conceptual theories for charge generation and separation in volcanic plumes have been developed to explain the disparate observations obtained, but the ash fragmentation mechanism appears to be a key parameter. It is unclear which mechanisms or combinations of electrification mechanisms dominate in different circumstances. Electrostatic forces play an important role in modulating the dry fallout of ash from a volcanic plume. Beyond the local electrification of plumes, the higher stratospheric particle concentrations following a large explosive eruption may affect the global atmospheric electrical circuit. It is possible that this might present another, if minor, way by which large volcanic eruptions affect global climate. The direct hazard of volcanic lightning to communities is generally low compared to other aspects of volcanic activity.

Seasonal and interannual variability in the Mozambique Channel from moored current observations

Direct observations from an array of current meter moorings across the Mozambique Channel in the south-west Indian Ocean are presented covering a period of more than 4 years. This allows an analysis of the volume transport through the channel, including the variability on interannual and seasonal time scales. The mean volume transport over the entire observational period is 16.7 Sv poleward. Seasonal variations have a magnitude of 4.1 Sv and can be explained from the variability in the wind field over the western part of the Indian Ocean. Interannual variability has a magnitude of 8.9 Sv and is large compared to the mean. This time scale of variability could be related to variability in the Indian Ocean Dipole (IOD), showing that it forms part of the variability in the ocean-climate system of the entire Indian Ocean. By modulating the strength of the South Equatorial Current, the weakening (strengthening) tropical gyre circulation during a period of positive (negative) IOD index leads to a weakened (strengthened) southward transport through the channel, with a time lag of about a year. The relatively strong interannual variability stresses the importance of long-term direct observations.

Impact of the Atlantic Ocean on the multidecadal fluctuation of El Nino–Southern Oscillation–South Asian monsoon relationship in a coupled general circulation model

The multidecadal variability of El Niño–Southern Oscillation (ENSO)–South Asian monsoon relationship is elucidated in a 1000 year control simulation of a coupled general circulation model. The results indicate that the Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO), resulting from the natural fluctuation of the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC), plays an important role in modulating the multidecadal variation of the ENSO-monsoon relationship. The sea surface temperature anomalies associated with the AMO induce not only significant climate impact in the Atlantic but also the coupled feedbacks in the tropical Pacific regions. The remote responses in the Pacific Ocean to a positive phase of the AMO which is resulted from enhanced AMOC in the model simulation and are characterized by statistically significant warming in the North Pacific and in the western tropical Pacific, a relaxation of tropical easterly trades in the central and eastern tropical Pacific, and a deeper thermocline in the eastern tropical Pacific. These changes in mean states lead to a reduction of ENSO variability and therefore a weakening of the ENSO-monsoon relationship. This study suggests a nonlocal mechanism for the low-frequency fluctuation of the ENSO-monsoon relationship, although the AMO explains only a fraction of the ENSO–South Asian monsoon variation on decadal-multidecadal timescale. Given the multidecadal variation of the AMOC and therefore of the AMO exhibit decadal predictability, this study highlights the possibility that a part of the change of climate variability in the Pacific Ocean and its teleconnection may be predictable.