Kurzzeit-Orientierungsstrategien in Drosophila melanogaster

Tiere müssen Nahrung, Fortpflanzungspartner oder eine angenehme Umgebung finden und gleichzeitig eventuellen Gefahren aus dem Weg gehen. Eine effektive Orientierungsstrategie stellt für sie einen enormen Vorteil dar, vor allem wenn sie sich in einer komplexen Umwelt bewegen. Eine bisher unbekannte Art, die Orientierung zu optimieren, wird in dieser Arbeit vorgestellt. Sie analysiert, wie sich Taufliegen in einem Temperatur- Gradienten sowie in einer visuell geprägten Umwelt orientieren. Die dabei gefundene Orientierungsstrategie wird als „Memotaxis“ bezeichnet. Sie basiert auf der Integration von Informationen entlang der Wegstrecke, was dazu führt, dass die eingeschlagene Richtung proportional zum positiven Feedback immer stereotyper beibehalten wird. Obwohl die Memotaxis perfekt für die Orientierung in verrauschten Gradienten geeignet ist, wurde ihre Existenz in Situationen mit wenig Rauschen nachgewiesen. Die Strategie führt im Temperaturgradienten dazu, dass Fliegen umso weiter über ein Temperaturoptimum hinweg laufen, je weiter sie vorher darauf zuliefen. Beim Anlauf visueller Stimuli zeigen sie ein ähnliches Verhalten. Je weiter sie auf eine Landmarke zulaufen, desto länger dauert es, bis sie nach deren Verschwinden von dieser Richtung abweichen. Dies gilt auch dann, wenn man gleichzeitig mit dem Verschwinden der Landmarke der Fliege eine andere anbietet. Memotaxis sollte bei vielen Tieren eine gewichtige Rolle spielen, bei der Taufliege können durch die verfügbaren genetischen Methoden zusätzlich die dafür relevanten Gehirnzentren und die biochemischen Komponenten gefunden werden. Der Ellipsoidkörper des Zentralkomplexes ist für die Memotaxis in visuellen Umgebungen notwendig.rnDas Verhalten auf einem vertikalen Laufband wurde analysiert, vor allem im Hinblick auf die adaptive Termination dieses Verhaltens. Die Fliegen erkannten lange Zeit nicht, dass ihr Verhalten nicht zielführend ist und liefen stereotyp und ohne voranzukommen nach oben. Dieses Verhalten wird sogar noch verstärkt, wenn man das visuelle Feedback für die Bewertung ihres Verhaltens verstärkt. rn

Neuronale Netzwerke des Zentralkomplexes und ein räumliches Arbeitsgedächtnis von Drosophila melanogaster

Zielgerichtete Orientierung ermöglicht es Lebewesen, überlebenswichtige Aufgaben, wie die Suche nach Ressourcen, Fortpflanzungspartnern und sicheren Plätzen zu bewältigen. Dafür ist es essentiell, die Umgebung sensorisch wahrzunehmen, frühere Erfahrungen zu speichern und wiederabzurufen und diese Informationen zu integrieren und in motorische Aktionen umzusetzen.rnWelche Neuronengruppen vermitteln zielgerichtete Orientierung im Gehirn einer Fliege? Welche sensorischen Informationen sind in einem gegebenen Kontext relevant und wie werden diese Informationen sowie gespeichertes Vorwissen in motorische Aktionen übersetzt? Wo findet im Gehirn der Übergang von der sensorischen Verarbeitung zur motorischen Kontrolle statt? rnDer Zentralkomplex, ein Verbund von vier Neuropilen des Zentralhirns von Drosophila melanogaster, fungiert als Übergang zwischen in den optischen Loben vorverarbeiteten visuellen Informationen und prämotorischem Ausgang. Die Neuropile sind die Protocerebralbrücke, der Fächerförmige Körper, der Ellipsoidkörper und die Noduli. rnIn der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass Fruchtfliegen ein räumliches Arbeitsgedächtnis besitzen. Dieses Gedächtnis kann aktuelle visuelle Information ersetzen, wenn die Sicht auf das Zielobjekt verloren geht. Dies erfordert die sensorische Wahrnehmung von Zielobjekten, die Speicherung der Position, die kontinuierliche Integration von Eigen-und Objektposition, sowie die Umsetzung der sensorischen Information in zielgerichtete Bewegung. Durch konditionale Expression von Tetanus Toxin mittels des GAL4/UAS/GAL80ts Systems konnte gezeigt werden, dass die Ringneurone, welche in den Ellipsoidkörper projizieren, für das Orientierungsgedächtnis notwendig sind. Außerdem konnte gezeigt werden, dass Fliegen, denen die ribosomale Serinkinase S6KII fehlt, die Richtung verlieren, sobald keine Objekte mehr sichtbar sind und, dass die partielle Rettung dieser Kinase ausschließlich in den Ringneuronenklassen R3 und R4d hinreichend ist, um das Gedächtnis wieder herzustellen. Bei dieser Gedächtnisleistung scheint es sich um eine idiothetische Form der Orientierung zu handeln. rn Während das räumliche Arbeitsgedächtnis nach Verschwinden von Objekten relevant ist, wurde in der vorliegende Arbeit auch die Vermittlung zielgerichteter Bewegung auf sichtbare Objekte untersucht. Dabei wurde die zentrale Frage bearbeitet, welche Neuronengruppen visuelle Orientierung vermitteln. Anhand von Gehirnstrukturmutanten konnte gezeigt werden, dass eine intakte Protocerebralbrücke notwendig ist, um Laufgeschwindigkeit, Laufaktivität und Zielgenauigkeit bei der Ansteuerung visueller Stimuli korrekt zu vermitteln. Dabei scheint das Horizontale Fasersystem, welches von der Protocerebralbrücke über den Fächerförmigen Körper auf den Zentralkomplex assoziierte Neuropile, die Ventralkörper, projiziert, notwendig für die lokomotorische Kontrolle und die zielgenaue Bewegung zu sein. Letzeres konnte zum einen durch Blockade der synaptischen Transmission anhand konditionaler Tetanus Toxin Expression mittels des GAL4/UAS/GAL80ts Systems im Horizontalen Fasersystem gezeigt werden;. zum anderen auch durch partielle Rettung der in den Strukturmutanten betroffenen Gene. rn Den aktuellen Ergebnissen und früheren Studien folgend, ergibt sich dabei ein Modell, wie zielgerichtete Bewegung auf visuelle Stimuli neuronal vermittelt werden könnte. Nach diesem Modell bildet die Protocerebralbrücke die Azimuthpositionen von Objekten ab und das Horizontale Fasersystem vermittelt die entsprechende lokomotorische Wo-Information für zielgerichtete Bewegungen. Die Eigenposition in Relation zum Zielobjekt wird über die Ringneurone und den Ellipsoidkörper vermittelt. Wenn das Objekt aus der Sicht verschwindet, kann die Relativposition ideothetisch ermittelt werden und integriert werden mit Vorinformation über das Zielobjekt, die im Fächerförmigen Körper abgelegt ist (Was-Information). Die resultierenden Informationen könnten dann über das Horizontale Fasersystem in den Ventralkörpern auf absteigende Neurone gelangen und in den Thorax zu den motorischen Zentren weitergeleitet werden.rn

Higher-order molecular properties and excitation energies in single-reference and multireference coupled-cluster theory

Coupled-cluster (CC) theory is one of the most successful approaches in high-accuracy quantum chemistry. The present thesis makes a number of contributions to the determination of molecular properties and excitation energies within the CC framework. The multireference CC (MRCC) method proposed by Mukherjee and coworkers (Mk-MRCC) has been benchmarked within the singles and doubles approximation (Mk-MRCCSD) for molecular equilibrium structures. It is demonstrated that Mk-MRCCSD yields reliable results for multireference cases where single-reference CC methods fail. At the same time, the present work also illustrates that Mk-MRCC still suffers from a number of theoretical problems and sometimes gives rise to results of unsatisfactory accuracy. To determine polarizability tensors and excitation spectra in the MRCC framework, the Mk-MRCC linear-response function has been derived together with the corresponding linear-response equations. Pilot applications show that Mk-MRCC linear-response theory suffers from a severe problem when applied to the calculation of dynamic properties and excitation energies: The Mk-MRCC sufficiency conditions give rise to a redundancy in the Mk-MRCC Jacobian matrix, which entails an artificial splitting of certain excited states. This finding has established a new paradigm in MRCC theory, namely that a convincing method should not only yield accurate energies, but ought to allow for the reliable calculation of dynamic properties as well. In the context of single-reference CC theory, an analytic expression for the dipole Hessian matrix, a third-order quantity relevant to infrared spectroscopy, has been derived and implemented within the CC singles and doubles approximation. The advantages of analytic derivatives over numerical differentiation schemes are demonstrated in some pilot applications.

Presenza e diffusione della Leishmaniosi e dei suoi vettori in provincia di Rieti

Nel presente studio ci si è proposti di valutare la presenza e diffusione della leishmaniosi in una provincia dell’Italia centrale (Rieti) che, per caratteristiche ambientali (prevalentemente montuosa, clima freddo-secco) poco sembra prestarsi al ciclo della malattia. A questo scopo sono stati calcolati: i) sieroprevalenza grezza nella popolazione canina (2006-2013) e prevalenza media annuale ii) casi di leishmaniosi viscerale (LV) e cutanea (LC) (2000-2013). Catture di flebotomi sono state effettuate per due stagioni consecutive (2011-2012) per ogni sito sono stati registrati i dati climatici (temperatura, umidità etc.) ed altitudine. I flebotomi sono stati sottoposti a ricerca di Leishmania mediante PCR. La sieroprevalenza grezza per leishmania varia da 0 a 76,9% e la prevalenza media annuale non presenta un trend lineare. Sono stati registrati 6 casi di LV tutti in pazienti italiani tutti residenti in provincia di Rieti. I flebotomi sono stati rilevati in 5 dei 6 siti monitorati fino agli 800 m s.l.m., seppur con basse densità. Sono state identificate le seguenti specie: P. perniciosus (6,4 %), P. perfiliewi (1,8%), P. mascittii (0,1%) e S. minuta (91,7 %). E’ stata rilevata una correlazione statisticamente significativa (r=0,69, p<0,001) tra numero di flebotomi e temperatura giornaliera (Tmed°C) ed una correlazione negativa significativa (r= -0,51, p<0,05) con l’umidità relativa (Umed%). La ricerca di leishmania ha dato esito negativo in tutti i flebotomi analizzati. Questi rilievi suggeriscono l’endemia della leishmaniosi nella provincia di Rieti.

Eine ökologische Landeskunde der Rhön

Die Ökologische Landeskunde der Rhön – mit einem Schwerpunkt auf dem hessischen Teil – behandelt als moderne Landeskunde neben der Geostruktur und der humangeographischen Struktur im Besonderen die ökologische Struktur, denn nur durch diese Pointierung können Räume in ihrer Gesamtheit und Komplexität beschrieben werden. Das gilt im Besonderen für ökologisch bedeutsame Schutzräume wie die Rhön. Der Mittelgebirgsraum Rhön ist eine über Jahrhunderte gewachsene Kulturlandschaft mit einem weitgehend intakten, aber fragilen Ökosystem, das eine einzigartige und schützenswerte floristische und faunistische Ausstattung aufweist. Durch die weitreichenden mittelalterlichen Rodungen und die anschließende extensive Weidenutzung haben sich unter dem Eingriff des Menschen besonders auf den Höhenlagen im Laufe der Zeit artenreiche und ökologisch bedeutsame Ökosystemtypen, wie Borst- und Kalkmagerrasen, entwickelt. Um das naturräumliche und touristische Potential des Untersuchungsraums langfristig erhalten zu können, haben ökologische und nachhaltige Entwicklungen in den einzelnen Wirtschaftssektoren eine überragende Funktion. Im primären, sekundären und tertiären Sektor zeigen sich deutliche Entwicklungen hin zu ökologischen Erzeugnissen und Dienstleistungen. Der Ökolandbau gewinnt in der Rhön zunehmend an Bedeutung, Betriebe spezialisieren sich immer mehr auf Bio-zertifizierte und regionale Produkte und werben verstärkt mit ökologischen und rhöntypischen Begrifflichkeiten. Vor allem der für die Rhön wirtschaftlich bedeutende Tourismussektor, der im Spannungsfeld zwischen Ökonomie und Ökologie steht, entwickelt sich ebenfalls in Richtung nachhaltiger und umweltfreundlicher Formen. Am Beispiel des Milseburgradwegs konnte anhand einer Besucherbefragung auf Basis standardisierter Fragestellungen mit vornehmlich geschlossenen Fragen gezeigt werden, wie wichtig den Nutzern eine intakte Natur ist und wie Ökotourismus, Wirtschaftlichkeit und Naturschutz koexistieren können. Die Prämierung der Rhön zum Biosphärenreservat Rhön durch die UNESCO im Jahre 1991 erwies sich als Glücksfall und konnte dem strukturschwachen ländlichen Raum wichtige ökologische und wirtschaftliche Impulse geben, vor allem in Richtung ökologischer und nachhaltiger Erzeugnisse und Dienstleistungen. Die Auszeichnung kann dabei als Synthese zwischen Geostruktur und humangeographischer Struktur angesehen werden und ist Würdigung, Mahnung und Pflicht zugleich. Zusätzlich verdeutlicht sie auf eindringliche Weise die Fragilität und Schutzwürdigkeit des Ökosystems. Gegenwärtig zeichnen sich im Untersuchungsraum einige Entwicklungen ab, die die ökologische Raumstruktur gefährden und zusätzlich zur Aberkennung des Titels Biosphärenreservat führen könnten, weshalb sie kritisch gesehen werden müssen. Hier stechen der Bau der geplanten Bundesstraße B 87n von Fulda nach Meiningen oder das Kernzonendefizit hervor. Die Arbeit ist deshalb ein Plädoyer für den unbedingten Erhalt des identitätsstiftenden Titels Biosphärenreservat sowie für eine aktive Umweltbildung, denn eine erfolgreiche Zukunft und Identifikation der Bewohner mit ihrem Heimatraum ist unmittelbar an das Prädikat gekoppelt. Ökologische Landeskunden verstehen sich als aktive Elemente in der Umweltbildung und richten sich an die Menschen, die immer mehr zum prägenden Faktor von Räumen und ihren Ökosystemen werden. In der Rhön können sie sogar als Ausgangspunkt für die Herausbildung aufgefasst werden. Trotz der begrenzten Aussagekraft der Arbeit und der Komplexität des Untersuchungsraums zeigen sich vielfältige, ökologisch relevante Entwicklungen, die jedoch durch weitere sozialwissenschaftliche und wirtschaftswissenschaftliche Arbeiten erweitert, vertieft und stetig abgeglichen werden müssen.

Physiologie eines erlernten Körpermodells in Drosophila melanogaster

In der vorliegenden Dissertation wird ein Körpergrößengedächtnis untersucht. Es wird dargestellt, wie diese Information über die Reichweite der Fliege beim Lückenklettern unter kotrollierten Umweltbedingungen erworben und prozessiert wird. Zusätzlich wird geklärt, welche biochemischen Signale benötigt werden, um daraus ein lang anhalten-des Gedächtnis zu formen. Adulte Fliegen sind in der Lage, ihre Körperreichweite zu lernen. Naive Fliegen, die in der Dunkelheit gehalten wurden, versuchen erfolglos, zu breite Lücken zu überqueren, während visuell erfahrene Fliegen die Kletterversuche an ihre Körpergröße anpassen. Erfahrene kleine Fliegen scheinen Kenntnis ihres Nachteils zu haben. Sie kehren an Lückenbreiten um, welche ihre größeren Artgenos-sen durchaus noch versuchen. Die Taufliegen lernen die größenabhängige Reichweite über die visuelle Rückmeldung während des Laufens (aus Parallaxenbewegung). Da-bei reichen 15 min in strukturierter, heller Umgebung aus. Es gibt keinen festgelegten Beginn der sensiblen Phase. Nach 2 h ist das Gedächtnis jedoch konsolidiert und kann durch Stress nicht mehr zerstört oder durch sensorische Eingänge verändert werden. Dunkel aufgezogene Fliegen wurden ausgewählten Streifenmustern mit spezifischen Raumfrequenzen ausgesetzt. Nur die Insekten, welche mit einem als „optimal“ klassi-fizierten Muster visuell stimuliert wurden, sind in der Lage, die Körperreichweite einzu-schätzen, indem die durchschnittliche Schrittlänge in Verbindung mit der visuellen Wahrnehmung gebracht wird. Überraschenderweise ist es sogar mittels partieller Kompensation der Parallaxen möglich, naive Fliegen so zu trainieren, dass sie sich wie kleinere Exemplare verhalten. Da die Experimente ein Erlernen der Körperreich-weite vermuten lassen, wurden lernmutante Stämme beim Lückenüberwinden getes-tet. Sowohl die Ergebnisse von rut1- und dnc1-Mutanten, als auch das defizitäre Klet-tern von oc1-Fliegen ließ eine Beteiligung der cAMP-abhängigen Lernkaskade in der Protocerebralbrücke (PB) vermuten. Rettungsexperimente der rut1- und dnc1-Hinter-gründe kartierten das Gedächtnis in unterschiedliche Neuronengruppen der PB, wel-che auch für die visuelle Ausrichtung des Kletterns benötigt werden. Erstaunlicher-weise haben laterale lokale PB-Neurone und PFN-Neurone (Projektion von der PB über den fächerförmigen Körper zu den Noduli) verschiedene Erfordernisse für cAMP-Signale. Zusammenfassend weisen die Ergebnisse darauf hin, dass hohe Mengen an cAMP/PKA-Signalen in den latero-lateralen Elementen der PB benötigt werden, wäh-rend kolumnäre PFN-Neurone geringe oder keine Mengen an cAMP/PKA erfordern. Das Körperreichweitengedächtnis ist vermutlich das am längsten andauernde Ge-dächtnis in Drosophila. Wenn es erst einmal konsolidiert ist hält es länger als drei Wo-chen.rnAußerdem kann die Fruchtliege Drosophila melanogaster trainiert werden, die kom-plexe motorische Aufgabe des Lückenkletterns zu optimieren. Die trainierten Fliegen werden erfolgreicher und schneller beim Überqueren von Lücken, welche größer sind als sie selbst. Dabei existiert eine Kurzeitkomponente (STM), die 40 min nach dem ersten Training anhält. Nach weiteren vier Trainingsdurchläufen im Abstand von 20 min wird ein Langzeitgedächtnis (LTM) zum Folgetag geformt. Analysen mit Mutati-onslinien wiesen eine Beteiligung der cAMP-abhängigen Lernkaskade an dieser Ge-dächtnisform auf. Rettungsexperimente des rut2080-Hintergrunds kartierten sowohl das STM, als auch das LTM in PFN-Neuronen. Das STM kann aber ebenso in den alpha- und beta- Loben der Pilzkörper gerettet werden.rnLetztendlich sind wildtypische Fliegen sogar in der Lage, sich an einen Verlust eines Mittelbeintarsuses und dem einhergehenden Fehlen des Adhäsionsorgans am Tarsusende anzupassen. Das Klettern wird zwar sofort schlechter, erholt sich aber bis zum Folgetag wieder auf ein normales Niveau. Dieser neue Zustand erfordert ein Ge-dächtnis für die physischen Möglichkeiten, die nur durch plastische Veränderungen im Nervensystem des Insekts erreicht werden können.

Skin-infiltrating T cells and cytokine expression in Icelandic horses affected with insect bite hypersensitivity: a possible role for regulatory T cells

Equine insect bite hypersensitivity (IBH) is a seasonally recurrent, pruritic skin disorder caused by an IgE-mediated reaction to salivary proteins of biting flies, predominantly of the genus Culicoides. The aim of this study was to define T cell subsets and cytokine profile in the skin of IBH-affected Icelandic horses with particular focus on the balance between T helper (Th) 1, Th2 and T regulatory (Treg) cells. Distribution and number of CD4+, CD8+ and Forkhead box P3 (FoxP3)+ T cells were characterized by immunohistochemical staining in lesional and non-lesional skin of moderately and severely IBH-affected horses (n=14) and in the skin of healthy control horses (n=10). Using real-time quantitative reverse transcription-polymerase chain reaction, mRNA expression levels of Th2 cytokines (Interleukin (IL)-4, IL-5, IL-13), Th1 cytokines (Interferon-gamma), regulatory cytokines (Transforming Growth Factor beta1, IL-10) and the Treg transcription factor FoxP3 were measured in skin and blood samples. Furthermore, Culicoides nubeculosus specific serum IgE levels were assessed. Lesions of IBH-affected horses contained significantly higher numbers of CD4+ cells than skin of healthy control horses. Furthermore, the total number of T cells (CD4+ and CD8+) was significantly increased in lesional compared to non-lesional skin and there was a tendency (p=0.07) for higher numbers of CD4+ cells in lesional compared to non-lesional skin. While the number of FoxP3+ T cells did not differ significantly between the groups, the ratio of Foxp3 to CD4+ cells was significantly lower in lesions of severely IBH-affected horses than in moderately affected or control horses. Interestingly, differences in FoxP3 expression were more striking at the mRNA level. FoxP3 mRNA levels were significantly reduced in lesional skin, compared both to non-lesional and to healthy skin and were also significantly lower in non-lesional compared to healthy skin. Expression levels of IL-13, but not IL-4 or IL-5, were significantly elevated in lesional and non-lesional skin of IBH-affected horses. IL-10 levels were lower in lesional compared to non-lesional skin (p=0.06) and also lower (p=0.06) in the blood of IBH-affected than of healthy horses. No significant changes were observed regarding blood expression levels of Th1 and Th2 cytokines or FoxP3. Finally, IBH-affected horses had significantly higher Culicoides nubeculosus specific serum IgE levels than control horses. The presented data suggest that an imbalance between Th2 and Treg cells is a characteristic feature in IBH. Treatment strategies for IBH should thus aim at restoring the balance between Th2 and Treg cells.

A venom-derived neurotoxin, CsTx-1, from the spider Cupiennius salei exhibits cytolytic activities

CsTx-1, the main neurotoxic acting peptide in the venom of the spider Cupiennius salei, is composed of 74 amino acid residues, exhibits an inhibitory cysteine knot motif, and is further characterized by its highly cationic charged C terminus. Venom gland cDNA library analysis predicted a prepropeptide structure for CsTx-1 precursor. In the presence of trifluoroethanol, CsTx-1 and the long C-terminal part alone (CT1-long; Gly-45-Lys-74) exhibit an α-helical structure, as determined by CD measurements. CsTx-1 and CT1-long are insecticidal toward Drosophila flies and destroys Escherichia coli SBS 363 cells. CsTx-1 causes a stable and irreversible depolarization of insect larvae muscle cells and frog neuromuscular preparations, which seem to be receptor-independent. Furthermore, this membranolytic activity could be measured for Xenopus oocytes, in which CsTx-1 and CT1-long increase ion permeability non-specifically. These results support our assumption that the membranolytic activities of CsTx-1 are caused by its C-terminal tail, CT1-long. Together, CsTx-1 exhibits two different functions; as a neurotoxin it inhibits L-type Ca(2+) channels, and as a membranolytic peptide it destroys a variety of prokaryotic and eukaryotic cell membranes. Such a dualism is discussed as an important new mechanism for the evolution of spider venomous peptides.

Squared Extrapolation Methods (SQUAREM): A New Class of Simple and Efficient Numerical Schemes for Accelerating the Convergence of the EM Algorithm

We derive a new class of iterative schemes for accelerating the convergence of the EM algorithm, by exploiting the connection between fixed point iterations and extrapolation methods. First, we present a general formulation of one-step iterative schemes, which are obtained by cycling with the extrapolation methods. We, then square the one-step schemes to obtain the new class of methods, which we call SQUAREM. Squaring a one-step iterative scheme is simply applying it twice within each cycle of the extrapolation method. Here we focus on the first order or rank-one extrapolation methods for two reasons, (1) simplicity, and (2) computational efficiency. In particular, we study two first order extrapolation methods, the reduced rank extrapolation (RRE1) and minimal polynomial extrapolation (MPE1). The convergence of the new schemes, both one-step and squared, is non-monotonic with respect to the residual norm. The first order one-step and SQUAREM schemes are linearly convergent, like the EM algorithm but they have a faster rate of convergence. We demonstrate, through five different examples, the effectiveness of the first order SQUAREM schemes, SqRRE1 and SqMPE1, in accelerating the EM algorithm. The SQUAREM schemes are also shown to be vastly superior to their one-step counterparts, RRE1 and MPE1, in terms of computational efficiency. The proposed extrapolation schemes can fail due to the numerical problems of stagnation and near breakdown. We have developed a new hybrid iterative scheme that combines the RRE1 and MPE1 schemes in such a manner that it overcomes both stagnation and near breakdown. The squared first order hybrid scheme, SqHyb1, emerges as the iterative scheme of choice based on our numerical experiments. It combines the fast convergence of the SqMPE1, while avoiding near breakdowns, with the stability of SqRRE1, while avoiding stagnations. The SQUAREM methods can be incorporated very easily into an existing EM algorithm. They only require the basic EM step for their implementation and do not require any other auxiliary quantities such as the complete data log likelihood, and its gradient or hessian. They are an attractive option in problems with a very large number of parameters, and in problems where the statistical model is complex, the EM algorithm is slow and each EM step is computationally demanding.

Rapid diagnosis and quantification of Francisella tularensis in organs of naturally infected common squirrel monkeys (Saimiri sciureus)

Francisella tularensis, a small Gram-negative facultative intracellular bacterium, is the causative agent of tularaemia, a severe zoonotic disease transmitted to humans mostly by vectors such as ticks, flies and mosquitoes. The disease is endemic in many parts of the northern hemisphere. Among animals, the most affected species belong to rodents and lagomorphs, in particular hares. However, in the recent years, many cases of tularaemia among small monkeys in zoos were reported. We have developed a real-time PCR that allows to quantify F. tularensis in tissue samples. Using this method, we identified the spleen and the kidney as the most heavily infected organ containing up to 400 F. tularensis bacteria per simian host cell in two common squirrel monkeys (Saimiri sciureus) from a zoo that died of tularaemia. In other organs such as the brain, F. tularensis was detected at much lower titres. The strain that caused the infection was identified as F. tularensis subsp. holarctica biovar I, which is susceptible to erythromycin. The high number of F. tularensis present in soft organs such as spleen, liver and kidney represents a high risk for persons handling such carcasses and explains the transmission of the disease to a pathologist during post-mortem analysis. Herein, we show that real-time PCR allows a reliable and rapid diagnosis of F. tularensis directly from tissue samples of infected animals, which is crucial in order to attempt accurate prophylactic measures, especially in cases where humans or other animals have been exposed to this highly contagious pathogen.

A family of stage-specific alanine-rich proteins on the surface of epimastigote forms of Trypanosoma brucei

A 'two coat' model of the life cycle of Trypanosoma brucei has prevailed for more than 15 years. Metacyclic forms transmitted by infected tsetse flies and mammalian bloodstream forms are covered by variant surface glycoproteins. All other life cycle stages were believed to have a procyclin coat, until it was shown recently that epimastigote forms in tsetse salivary glands express procyclin mRNAs without translating them. As epimastigote forms cannot be cultured, a procedure was devised to compare the transcriptomes of parasites in different fly tissues. Transcripts encoding a family of glycosylphosphatidyl inositol-anchored proteins, BARPs (previously called bloodstream alanine-rich proteins), were 20-fold more abundant in salivary gland than midgut (procyclic) trypanosomes. Anti-BARP antisera reacted strongly and exclusively with salivary gland parasites and a BARP 3' flanking region directed epimastigote-specific expression of reporter genes in the fly, but inhibited expression in bloodstream and procyclic forms. In contrast to an earlier report, we could not detect BARPs in bloodstream forms. We propose that BARPs form a stage-specific coat for epimastigote forms and suggest renaming them brucei alanine-rich proteins.

Automated optimization of polymer extrusion dies using finite element analysis

An extrusion die is used to continuously produce parts with a constant cross section; such as sheets, pipes, tire components and more complex shapes such as window seals. The die is fed by a screw extruder when polymers are used. The extruder melts, mixes and pressures the material by the rotation of either a single or double screw. The polymer can then be continuously forced through the die producing a long part in the shape of the die outlet. The extruded section is then cut to the desired length. Generally, the primary target of a well designed die is to produce a uniform outlet velocity without excessively raising the pressure required to extrude the polymer through the die. Other properties such as temperature uniformity and residence time are also important but are not directly considered in this work. Designing dies for optimal outlet velocity variation using simple analytical equations are feasible for basic die geometries or simple channels. Due to the complexity of die geometry and of polymer material properties design of complex dies by analytical methods is difficult. For complex dies iterative methods must be used to optimize dies. An automated iterative method is desired for die optimization. To automate the design and optimization of an extrusion die two issues must be dealt with. The first is how to generate a new mesh for each iteration. In this work, this is approached by modifying a Parasolid file that describes a CAD part. This file is then used in a commercial meshing software. Skewing the initial mesh to produce a new geometry was also employed as a second option. The second issue is an optimization problem with the presence of noise stemming from variations in the mesh and cumulative truncation errors. In this work a simplex method and a modified trust region method were employed for automated optimization of die geometries. For the trust region a discreet derivative and a BFGS Hessian approximation were used. To deal with the noise in the function the trust region method was modified to automatically adjust the discreet derivative step size and the trust region based on changes in noise and function contour. Generally uniformity of velocity at exit of the extrusion die can be improved by increasing resistance across the die but this is limited by the pressure capabilities of the extruder. In optimization, a penalty factor that increases exponentially from the pressure limit is applied. This penalty can be applied in two different ways; the first only to the designs which exceed the pressure limit, the second to both designs above and below the pressure limit. Both of these methods were tested and compared in this work.

Pollinator responses to variation in floral display and flower size in dioecious Sagittaria latifolia (Alismataceae)

In animal-pollinated plants with unisexual flowers, sexual dimorphism in floral traits may be the consequence of pollinator-mediated selection. Experimental investigations of the effects of variation in flower size and floral display on pollinator visitation can provide insights into the evolution of floral dimorphism in dioecious plants. Here, we investigated pollinator responses to experimental arrays of dioecious Sagittaria latifolia in which we manipulated floral display and flower size. We also examined whether there were changes in pollinator visitation with increasing dimorphism in flower size. In S. latifolia, males have larger flowers and smaller floral displays than females. Visitation by pollinators, mainly flies and bees, was more frequent for male than for female inflorescences and increased with increasing flower size, regardless of sex. The number of insect visits per flower decreased with increasing floral display in males but remained constant in females. Greater sexual dimorphism in flower size increased visits to male inflorescences but had no influence on the number of visits to female inflorescences. These results suggest that larger flower sizes would be advantageous to both females and males, and no evidence was found that females suffer from increased flower-size dimorphism. Small daily floral displays may benefit males by allowing extended flowering periods and greater opportunities for effective pollen dispersal.

Major surface glycoproteins of insect forms of Trypanosoma brucei are not essential for cyclical transmission by tsetse

Procyclic forms of Trypanosoma brucei reside in the midgut of tsetse flies where they are covered by several million copies of glycosylphosphatidylinositol-anchored proteins known as procyclins. It has been proposed that procyclins protect parasites against proteases and/or participate in tropism, directing them from the midgut to the salivary glands. There are four different procyclin genes, each subject to elaborate levels of regulation. To determine if procyclins are essential for survival and transmission of T. brucei, all four genes were deleted and parasite fitness was compared in vitro and in vivo. When co-cultured in vitro, the null mutant and wild type trypanosomes (tagged with cyan fluorescent protein) maintained a near-constant equilibrium. In contrast, when flies were infected with the same mixture, the null mutant was rapidly overgrown in the midgut, reflecting a reduction in fitness in vivo. Although the null mutant is patently defective in competition with procyclin-positive parasites, on its own it can complete the life cycle and generate infectious metacyclic forms. The procyclic form of T. brucei thus differs strikingly from the bloodstream form, which does not tolerate any perturbation of its variant surface glycoprotein coat, and from other parasites such as Plasmodium berghei, which requires the circumsporozoite protein for successful transmission to a new host.

Systematic Functional Analysis of BicD Serine Phosphorylation and Intragenic Suppression of a Female Sterile Allele of BicD

Protein phosphorylation is involved in posttranslational control of essentially all biological processes. Using mass spectrometry, recent analyses of whole phosphoproteomes led to the identification of numerous new phosphorylation sites. However, the function of most of these sites remained unknown. We chose the Drosophila Bicaudal-D protein to estimate the importance of individual phosphorylation events. Being involved in different cellular processes, BicD is required for oocyte determination, for RNA transport during oogenesis and embryogenesis, and for photoreceptor nuclei migration in the developing eye. The numerous roles of BicD and the available evidence for functional importance of BicD phosphorylation led us to identify eight phosphorylation sites of BicD, and we tested a total of 14 identified and suspected phosphoserine residues for their functional importance in vivo in flies. Surprisingly, all these serines turned out to be dispensable for providing sufficient basal BicD activity for normal growth and development. However, in a genetically sensitized background where the BicD(A40V) protein variant provides only partial activity, serine 103 substitutions are not neutral anymore, but show surprising differences. The S103D substitution completely inactivates the protein, whereas S103A behaves neutral, and the S103F substitution, isolated in a genetic screen, restores BicD(A40V) function. Our results suggest that many BicD phosphorylation events may either be fortuitous or play a modulating function as shown for Ser(103). Remarkably, amongst the Drosophila serines we found phosphorylated, Ser(103) is the only one that is fully conserved in mammalian BicD.