Molecular phylogenetic inferences on the position of the Mollusca within the Lophotrochozoa

Die phylogenetische Position der Mollusken innerhalb der Trochozoa sowie die interne Evolution der Klassen der Mollusca sind weitgehend unbekannt und wurden in meiner Arbeit anhand molekularer Merkmale untersucht. Phylogenomische Analysen zeigten in der Vergangenheit eine gute Auflösung für ursprüngliche Speziationsereignisse. Daher wurden hier drei neue EST Datensätze generiert: für Sipunculus nudus (Sipuncula), Barentsia elongata (Kamptozoa) und Lepidochitona cinerea, (Polyplacophora, Mollusca). Zusätzlich wurden gezielt Gene verschiedener Mollusken mittels RT-PCR amplifiziert. rnSowohl Kamptozoen als auch Sipunculiden wurden aufgrund morphologischer Kriterien bisher als mögliche Schwestergruppe der Mollusken gehandelt, aber die hier erzielten Ergebnisse zur Evolution der Hämerythrine, Gen-Anordnungen der mitochondrialen Genome und phylogenetische Analysen der ribosomalen und der mitochondriellen Proteine stützen diese Hypothese nicht. Die Position der Kamptozoa erwies sich hier generell als unbeständig; phylogenomische Analysen deuten eine Nähe zu den Bryozoen an, aber diese Position wird stark durch die Auswahl der Taxa beeinflusst. Dagegen weisen meine Analysen klar auf eine nähere Beziehung zwischen Annelida und Sipuncula hin. Die ribosomalen Proteine zeigen Sipuncula (und Echiura) sogar als Subtaxa der Anneliden. Wie den Mollusken fehlt den Sipunculiden jegliche Segmentierung und meine Ergebnisse legen hier die Möglichkeit des Verlusts dieses Merkmals innerhalb der Anneliden bei den Sipunculiden nahe. Innerhalb der Mollusken wurden die Solenogastren bereits als Schwestergruppe aller rezenten Mollusken vorgeschlagen. Im Rahmen meiner Arbeit wurden von drei verschiedenen Solenogastren-Arten die ersten zuverlässigen 18S rRNA-Sequenzen ermittelt, und es zeigte sich, dass alle bisher veröffentlichten 18S-Sequenzen dieser Molluskenklasse höchst unvollständig oder fehlerhaft sind. rnRibosomale Proteine sind gute phylogenetische Marker und hier wurden die Auswahl und Anzahl dieser Gene für phylogenetische Analysen optimiert. Über Sonden-basierte Detektion wurde eine sampling-Strategie getestet, die im Vergleich mit standard-phylogenomischen Ansätzen zukünftige molekulare Stammbaumrekonstruktionen mit größerem Taxonsampling ermöglicht.rn

Molecular phylogeny and historical zoogeography of four genera of Eastern Atlantic skates (Rajiformes, Rajidae)

The aim of this study was to reconstruct a solid phylogeny of four genera of the Rajidae family (Chondrichthyans: Batoidea) using a concatenated alignment of mtDNA genes. Then use the resultant tree to estimate divergence time between taxa based on molecular clock and fossil calibration and conduct biogeographic analysis. The intent was to prove that the actual distribution of species of Eastern Atlantic and Mediterranean skates is due to a series of vicariant events. The species considered belongs to two different tribe: Rajini (Raja and Dipturus) and Amblyrajini (Leucoraja and Rajella). The choice of this genera is due to their high presence in the area of interest and to the richness of endemic species. The results show that despite the ancient origin of Rajidae (97 MYA), the Eastern Atlantic and Mediterranean faunas originated more recently, during Middle Miocene-Late Pliocene, after the closure of connection between these areas and the Indo-Pacific ocean (15 MYA). The endemic species of the Mediterranean (Raja asterias, R. radula, R. polystigma and Leucoraja melitensis) originated after the Messinian salinity crisis (7-5 MYA), when the recolonization of the basin occurred, and are still maintained in allopatric distribution by the presence of biogeographic barriers. Moreover from 4 to 2.6 MYA we can observe the formation of sister species for Raja, Leucoraja and Rajella, one of which has a Northern distribution, and the other has a Southern distribution (R. clavata vs R. straeleni, L. wallacei vs L. naevus, R. fyllae vs R. caudaspinosa and R. kukujevi vs R. leopardus + R. barnardi). The Quaternary and present oceanographic discontinuities that occur along the western African continental shelf (e.g., Cape Blanc and the Angola–Benguela Front) might contribute to the maintenance of low or null levels of gene flow between these closely related siblings species. Also sympatric speciation must be invoked to explain the evolution of skates, for example for the division between R. leopardus and R. barnardi. The speciation processes followed a south-to-north pathways for Dipturus and a north-to-south pathways for Raja, Leucoraja and Rajella underling that the evolution of the genera occurred independently. In the end, it is conceivable that the evolutionary pathways of the tribes followed the costal line during the gondwana fragmentation. The results demonstrate that the evolution of this family is characterized by a series of parallel and independent speciation events, strictly correlated to the tectonic movement of continental masses and paleogeographic and paleoclimatic events and so can be explained by a panbiogeographical (vicariance) model.

The evolution of massive clumps in star forming regions

In this thesis two related arguments are investigated: - The first stages of the process of massive star formation, investigating the physical conditions and -properties of massive clumps in different evolutionary stages, and their CO depletion; - The influence that high-mass stars have on the nearby material and on the activity of star formation. I characterise the gas and dust temperature, mass and density of a sample of massive clumps, and analyse the variation of these properties from quiescent clumps, without any sign of active star formation, to clumps likely hosting a zero-age main sequence star. I briefly discuss CO depletion and recent observations of several molecular species, tracers of Hot Cores and/or shocked gas, of a subsample of these clumps. The issue of CO depletion is addressed in more detail in a larger sample consisting of the brightest sources in the ATLASGAL survey: using a radiative tranfer code I investigate how the depletion changes from dark clouds to more evolved objects, and compare its evolution to what happens in the low-mass regime. Finally, I derive the physical properties of the molecular gas in the photon-dominated region adjacent to the HII region G353.2+0.9 in the vicinity of Pismis 24, a young, massive cluster, containing some of the most massive and hottest stars known in our Galaxy. I derive the IMF of the cluster and study the star formation activity in its surroundings. Much of the data analysis is done with a Bayesian approach. Therefore, a separate chapter is dedicated to the concepts of Bayesian statistics.

Neurodegenerative diseases: molecular mechanisms and new strategies for neuroprotection

The term neurodegeneration defines numerous conditions that modify neuron’s normal functions in the human brain where is possible to observe a progressive and consistent neuronal loss. The mechanisms involved in neurodegenerative chronic and acute diseases evolution are not completely understood yet, however they share common characteristics such as misfolded proteins, oxidative stress, inflammation, excitotoxicity, and neuronal loss. Many studies have shown the frequency to develop neurodegenerative chronic diseases several years after an acute brain injury. In addition, many patients show, after a traumatic brain injury, motor and cognitive manifestations that are close to which are observed in neurodegenerative chronic patients. For this reason it is evident how is fundamental the concept of neuroprotection as a way to modulate the neurodegenerative processes evolution. Neuroinflammation, oxidative stress and the apoptotic process may be functional targets where operate to this end. Taking into account these considerations, the aim of the present study is to identify potential common pathogenetic pathways in neurodegenerative diseases using an integrated approach of preclinical studies. The goal is to delineate therapeutic strategies for the prevention of neuroinflammation, neurodegeneration and dysfunctions associated to Parkinson’s disease (PD) and cerebral ischemia. In the present study we used a murine model of PD treated with an isothiocyanate, 6-MSITC, able to quench ROS formation, restore the antioxidant GSH system, slow down the apoptotic neuronal death and counteract motor dysfunction induced by 6-OHDA. In the second study we utilized a transgenic mouse model knockout for CD36 receptor to investigate the inflammation involvement in a long term study of MCAo, which shows a better outcome after the damage induced. In conclusion, results in this study allow underlying the connection among these pathologies, and the importance of a neuroprotective strategy able to restore neurons activity where current drugs therapies have shown palliative but not healing abilities.

Molecular plating of thin lanthanide layers with improved material properties for nuclear applications

In der vorliegenden Arbeit werden Experimente beschrieben, die zu einem vertieften Verständnis fundamentaler Prozesse bei der elektrochemischen Herstellung von Dünnschichten, sog. Targets, für kernphysikalische und -chemische Studien führten. Targets wurden mittels 'Molecular Plating' (MP) hergestellt, indem eine Elektrodeposition aus organischem Medium in der Regel bei konstantem Strom in Zwei-Elektroden-Zellen. Die Resultate erlaubten, optimierte Herstellungs-bedingungen zu ermitteln, welche die Produktion deutlich verbesserter Targets erlaubten. MP bei konstantem Strom ist ein massentransportkontrollierter Prozess. Der angelegte Strom wird durch einen konstanten Fluss elektroaktiver Spezies zur Kathode – auf der die Schicht wächst – und Anode aufrechterhalten. Die Untersuchungen zeigten, dass das Zellenpotential des Elektrodepositionsystems immer durch den Ohm'schen Spannungsabfall auf Grund des Widerstandes der verwendeten Lösung dominiert wurde. Dies erlaubte die Herleitung einer Beziehung zwischen dem Zellenpotential und der Konzentration der elektroaktiven Spezies. Die Beziehung erlaubt die Erklärung des gemessenen zeitlichen Verlaufs des Zellenpotentials während der Abscheidung als Funktion der Elektrolytkonzentration. Dies dient als Basis, auf der nun ein umfassenderes Bild der Prozesse, die für die charakteristischen Minima im Potentialverlauf einer Abscheidung verantwortlich sind, gewonnen werden kann. Es konnte gezeigt werden, dass die Minima mit der fast vollständigen Entfernung (durch Abscheidung) der aus einem gelösten Salz erzeugten Nd-Ionen korrespondieren. Die abgeschiedene Spezies wurde als Nd3+ identifiziert, vermutlich als Carboxylat, Oxid oder Hydroxid, was auf Grund der hohen negative Werte des Standardredoxpotentials der Lanthanide verständlich erscheint. Von den vorliegenden elektroaktiven Spezies tragen die Nd3+ Ionen nur zu knapp 20% zum Gesamtstrom bei. Durch Elektrolyse tragen auch die Lösungsmittelkomponenten zu diese Strom bei. Die Gegenwart von elektrolysiertem Lösungsmittel wurde in Analysen der Dünnschichten bestätigt. Diese waren immer mit chemi- und physisorbierten Lösungsmittelmolekülen bedeckt. Die Analyse der Dünnschichten zeigte, dass die Oberflächen von einem furchenartiges Netz durchzogen waren, und dass diese während des Trocknen der Schichten nach dem MP entstanden. Ob die Schichten an Luft oder in inerter Atmosphäre trockneten, hatte keinen Einfluss. Es wurden Experimente mit mehreren Lösungsmitteln durchgeführt, die sich deutlich in ihren physikalischen Eigenschaften, v.a. dem Siedepunkt, unterschieden. Furchenfreie Dünnschichten konnten insbesondere bei MP in N,N-dimethylformamide (DMF) erzeugt werden. Die Verwendung von DMF in Kombination mit einer Abscheidung auf sehr glatten Substraten erlaubte die Produktion von sehr homogenen, glatten und defektfreien Schichten. Diese waren vermutlich geringeren inneren Spannungen während des Trocknens ausgesetzt, als Schichten auf raueren Substraten oder solche, die aus flüchtigeren Lösungsmitteln hergestellt wurden. Die Oberflächenrauigkeit des Substrats und das gewählte Lösungsmittel wurden so als Schlüsselfaktoren für die Produktion hochqualitativer Schichten identifiziert. Es konnte gezeigt werden, dass mit MP eine sehr effiziente Methode zur Herstellung homogener Schichten mit exzellenter Ausbeute ist. In weiteren Experimenten mit dem primordialen Alpha-Emitter 147Sm als Modellisotop wurde die Eignung solcher Schichten als Alpha-Quelle untersucht. Sowohl die Energieauflösung als auch der Anteil der Alpha-Teilchen, die den Detektor erreichten, waren von den Quelleneigenschaften abhängig. Die Effekte wurden verschiedenen Variablen der Dünnschicht zugeordnet, welche die Alpha-Spektren beeinflussten. Dominant war die Wahl des Lösungsmittels und die Rauigkeit des Substrats. Dies beeinflusste Schichtdicke und -morphologie sowie die Art des Schichtwachstums und veränderte die Detektionseffizienz in Alpha-Messungen bis zu 15%. Nur homogene, ebene Schichten, die aus DMF auf glatten Substraten abgeschieden wurden, eignen sich optimal als Alpha-Quelle. Die gewonnenen Ergebnisse erlauben die optimierte Herstellung nuklearer Targets durch MP. Künftige Anwendungen beinhalten insbesondere die Herstellung von Targets für neutroneninduzierte Spaltexperimente und untergrundarmeAlpha-Messungen sehr kleiner Aktivitäten.

Evolution von Miniaturisierung in arktisch-alpinen Lebensräumen in Petasites Mill., Endocellion Turcz. ex Herder, Homogyne Cass. und Tussilago L. (Asteraceae) sowie Soldanella L. (Primulaceae)

Hintergrund: Miniaturisierung ist ein häufig beobachtetes Phänomen bei Pflanzen in arktisch-alpinen Lebensräumen und wird als Anpassung an niedrige Jahresmitteltemperaturen und eine kurze Vegetationsperiode interpretiert. Ziele: In der vorliegenden Arbeit wird im Petasites-Clade (Petasites Mill., Endocellion Turcz. ex Herder, Homogyne Cass., Tussilago L.; Asteraceae) und in Soldanella (Primulaceae) die Evolution der Miniaturisierung arktisch-alpiner Arten untersucht. Zudem wird innerhalb von Homogyne untersucht, ob unterschiedliche edaphische Präferenz von H. alpina (variabel) und H. discolor (kalkliebend) genetisch fixiert ist. rnMethoden: Molekulare Phylogenien des Petasites-Clades und von Soldanella wurden mit nukleären und plastidären Markern erstellt, und mit den in den Alpen vorkommenden Soldanella-Arten wurde zudem eine Fingerprint-Studie (AFLPs) gemacht. Zur Datierung der Diversifizierungsereignisse im Petasites-Clade diente eine molekulare Uhr, und die Evolution von Miniaturisierung wurde rekonstruiert. Mit H. alpina und H. discolor wurde ein vergleichendes Kulturexperiment durchgeführt.rnErgebnisse: Miniaturisierung entstand mehrere Male unabhängig voneinander in den arktisch-alpinen Vertretern des Petasites-Clade, aber nicht alle arktisch-alpinen Arten sind klein. Das Alter der arktisch-alpinen Arten deutet darauf hin, dass diese Taxa ihren Ursprung in der arkto-tertiären Flora haben. In Soldanella sind reduzierte Blütenmorphologie sowie Kleinwüchsigkeit der beiden alpinen Arten zweimal parallel entstanden. Homogyne alpina und H. discolor zeigen keine edaphischen Unterschiede hinsichtlich des Keimverhaltens, aber in Kultur zeigt sich, dass die Präferenz von H. discolor für Kalk wahrscheinlich genetisch fixiert ist.rnSchlussfolgerungen: Miniaturisierung von Pflanzen in größerer Höhe und höherer geographischer Breite kann in der Regel beobachtet werden. Allerdings kann die Evolution arktisch-alpiner Arten auch durch Faktoren wie Nährstoffverfügbarkeit, Konkurrenz und Störung beeinflusst werden, die dem Effekt der Temperatur entgegenwirken, so dass nicht alle Pflanzen in arktisch-alpinen Habitaten klein sind. Blütenmorphologische Reduktion in Soldanella kann als Anpassung an einen höheren Grad an Selbstbestäubung interpretiert werden, um eine geringere Bestäuberaktivität im alpinen Lebensraum zu kompensieren.

Die Bedeutung von molekularem Sauerstoff für die Evolution des genetischen Codes

Die Entstehung und Evolution des genetischen Codes, der die Nukleotidsequenz der mRNA in die Aminosäuresequenz der Proteine übersetzt, zählen zu den größten Rätseln der Biologie. Die ersten Organismen, die vor etwa 3,8 Milliarden Jahren auf der Erde auftraten, nutzten einen ursprünglichen genetischen Code, der vermutlich ausschließlich abiotisch verfügbare Aminosäuren terrestrischer oder extraterrestrischer Herkunft umfasste. Neue Aminosäuren wurden sukzessive biosynthetisiert und selektiv in den Code aufgenommen, welcher in der modernen Form aus bis zu 22 Aminosäuren besteht. Die Ursachen für die Selektion und die Chronologie ihrer Aufnahme sind bis heute unbekannt und sollten im Rahmen der vorliegenden Arbeit erforscht werden. Auf Grundlage quanten-chemischer Berechnungen konnte in dieser Arbeit zunächst ein Zusammenhang zwischen der HOMO-LUMO-Energiedifferenz (H-L-Distanz), die ein inverses quanten-chemisches Korrelat für allgemeine chemische Reaktivität darstellt, und der chronologischen Aufnahme der Aminosäuren in den genetischen Code aufgezeigt werden. Demnach sind ursprüngliche Aminosäuren durch große H-L-Distanzen und neue Aminosäuren durch kleine H-L-Distanzen gekennzeichnet. Bei einer Analyse des Metabolismus von Tyrosin und Tryptophan, bei denen es sich um die beiden jüngsten Standard-Aminosäuren handelt, wurde ihre Bedeutung als Vorläufer von Strukturen ersichtlich, die sich durch eine hohe Redox-Aktivität auszeichnen und deren Synthese gleichzeitig molekularen Sauerstoff erfordert. Aus diesem Grund wurden die Redox-Aktivitäten der 20 Standard-Aminosäuren gegenüber Peroxylradikalen und weiteren Radikalen getestet. Die Untersuchungen ergaben eine Korrelation zwischen evolutionärem Auftreten und chemischer Reaktivität der jeweiligen Aminosäure, die sich insbesondere in der effizienten Reaktion zwischen Tryptophan bzw. Tyrosin und Peroxylradikalen widerspiegelte. Dies indizierte eine potentielle Bedeutung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) bei der Konstituierung des genetischen Codes. Signifikante Mengen an ROS wurden erst zu Beginn der Oxygenierung der Geobiosphäre, die als Great Oxidation Event (GOE) bezeichnet wird und vor circa 2,3 Milliarden Jahren begann, gebildet und müssen zur oxidativen Schädigung vulnerabler, zellulärer Strukturen geführt haben. Aus diesem Grund wurde das antioxidative Potential von Aminosäuren beim Prozess der Lipidperoxidation untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass lipophile Derivate von Tryptophan und Tyrosin befähigt sind, die Peroxidation von Rattenhirnmembranen zu verhindern und humane Fibroblasten vor oxidativem Zelltod zu schützen. Daraus gründete sich das in dieser Arbeit aufgestellte Postulat eines Selektionsvorteils primordialer Organismen während des GOEs, die Tryptophan und Tyrosin als redox-aktive Aminosäuren in Membranproteine einbauen konnten und somit vor Oxidationsprozessen geschützt waren. Demzufolge wurde die biochemische Reaktivität als Selektionsparameter sowie oxidativer Stress als prägender Faktor der Evolution des genetischen Codes identifiziert.

Control over microstructure evolution and device performance in solution processable organic field-effect transistors

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Kontrolle von Selbstorganisation und Mikrostruktur von organischen Halbleitern und deren Einsatz in OFETs. In Kapiteln 3, 4 und 5 eine neue Lösungsmittel-basierte Verabeitungsmethode, genannt als Lösungsmitteldampfdiffusion, ist konzipiert, um die Selbstorganisation von Halbleitermolekülen auf der Oberfläche zu steuern. Diese Methode als wirkungsvolles Werkzeug erlaubt eine genaue Kontrolle über die Mikrostruktur, wie in Kapitel 3 am Beispiel einer D-A Dyad bestehend aus Hexa-peri-hexabenzocoronene (HBC) als Donor und Perylene Diimide (PDI) als Akzeptor beweisen. Die Kombination aus Oberflächenmodifikation und Lösungsmitteldampf kann die Entnetzungseffekte ausgleichen, so dass die gewüschte Mikrostruktur und molekulare Organisation auf der Oberfläche erreicht werden kann. In Kapiteln 4 und 5 wurde diese Methode eingesetzt, um die Selbstorganisation von Dithieno[2, 3-d;2’, 3’-d’] benzo[1,2-b;4,5-b’]dithiophene (DTBDT) und Cyclopentadithiophene -benzothiadiazole copolymer (CDT-BTZ) Copolymer zu steuern. Die Ergebnisse könnten weitere Studien stimulieren und werfen Licht aus andere leistungsfaähige konjugierte Polymere. rnIn Kapiteln 6 und 7 Monolagen und deren anschlieβende Mikrostruktur von zwei konjugierten Polymeren, Poly (2,5-bis(3-alkylthiophen-2-yl)thieno[3,2-b]thiophene) PBTTT und Poly{[N,N ′-bis(2-octyldodecyl)-naphthalene-1,4,5,8-bis (dicarboximide)-2,6-diyl]-alt-5,5′- (2,2′-bithiophene)}, P(NDI2OD-T2)) wurden auf steife Oberflächen mittels Tauchbeschichtung aufgebracht. Da sist das erste Mal, dass es gelungen ist, Polymer Monolagen aus der Lösung aufzubringen. Dieser Ansatz kann weiter auf eine breite Reihe von anderen konjugierten Polymeren ausgeweitet werden.rnIn Kapitel 8 wurden PDI-CN2 Filme erfolgreich von Monolagen zu Bi- und Tri-Schichten auf Oberflächen aufgebracht, die unterschiedliche Rauigkeiten besitzen. Für das erste Mal, wurde der Einfluss der Rauigkeit auf Lösungsmittel-verarbeitete dünne Schichten klar beschrieben.rn

The evolution of antennal courtship in diplazontine parasitoid wasps (Hymenoptera, Ichneumonidae, Diplazontinae)

Background As predicted by theory, traits associated with reproduction often evolve at a comparatively high speed. This is especially the case for courtship behaviour which plays a central role in reproductive isolation. On the other hand, courtship behavioural traits often involve morphological and behavioural adaptations in both sexes; this suggests that their evolution might be under severe constraints, for instance irreversibility of character loss. Here, we use a recently proposed method to retrieve data on a peculiar courtship behavioural trait, i.e. antennal coiling, for 56 species of diplazontine parasitoid wasps. On the basis of a well-resolved phylogeny, we reconstruct the evolutionary history of antennal coiling and associated morphological modifications to study the mode of evolution of this complex character system. Results Our study reveals a large variation in shape, location and ultra-structure of male-specific modifications on the antennae. As for antennal coiling, we find either single-coiling, double-coiling or the absence of coiling; each state is present in multiple genera. Using a model comparison approach, we show that the possession of antennal modifications is highly correlated with antennal coiling behaviour. Ancestral state reconstruction shows that both antennal modifications and antennal coiling are highly congruent with the molecular phylogeny, implying low levels of homoplasy and a comparatively low speed of evolution. Antennal coiling is lost on two independent occasions, and never reacquired. A zero rate of regaining antennal coiling is supported by maximum parsimony, maximum likelihood and Bayesian approaches. Conclusions Our study provides the first comparative evidence for a tight correlation between male-specific antennal modifications and the use of the antennae during courtship. Antennal coiling in Diplazontinae evolved at a comparatively low rate, and was never reacquired in any of the studied taxa. This suggests that the loss of antennal coiling is irreversible on the timescale examined here, and therefore that evolutionary constraints have greatly influenced the evolution of antennal courtship in this group of parasitoid wasps. Further studies are needed to ascertain whether the loss of antennal coiling is irreversible on larger timescales, and whether evolutionary constraints have influenced courtship behavioural traits in a similar way in other groups.

Telomeres: Linking stress and survival, ecology and evolution.

Telomeres are protective structures at the ends of eukaryotic chromosomes. The loss of telomeres through cell division and oxidative stress is related to cellular aging, organismal growth and disease. In this way, telomeres link molecular and cellular mechanisms with organismal processes, and may explain variation in a number of important life-history traits. Here, we discuss how telomere biology relates to the study of physiological ecology and life history evolution. We emphasize current knowledge on how telomeres may relate to growth, survival and lifespan in natural populations. We finish by examining interesting new connections between telomeres and the glucocorticoid stress response. Glucocorticoids are often employed as indices of physiological condition, and there is evidence that the glucocorticoid stress response is adaptive. We suggest that one way that glucocorticoids impact organismal survival is through elevated oxidative stress and telomere loss. Future work needs to establish and explore the link between the glucocorticoid stress response and telomere shortening in natural populations. If a link is found, it provides an explanatory mechanism by which environmental perturbation impacts life history trajectories.

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.

"Pseudo-Beijing": evidence for convergent evolution in the direct repeat region of Mycobacterium tuberculosis

Background Mycobacterium tuberculosis has a global population structure consisting of six main phylogenetic lineages associated with specific geographic regions and human populations. One particular M. tuberculosis genotype known as “Beijing” has repeatedly been associated with drug resistance and has been emerging in some parts of the world. “Beijing” strains are traditionally defined based on a characteristic spoligotyping pattern. We used three alternative genotyping techniques to revisit the phylogenetic classification of M. tuberculosis complex (MTBC) strains exhibiting the typical “Beijing” spoligotyping pattern. Methods and Findings MTBC strains were obtained from an ongoing molecular epidemiological study in Switzerland and Nepal. MTBC genotyping was performed based on SNPs, genomic deletions, and 24-loci MIRU-VNTR. We identified three MTBC strains from patients originating from Tibet, Portugal and Nepal which exhibited a spoligotyping patterns identical to the classical Beijing signature. However, based on three alternative molecular markers, these strains were assigned to Lineage 3 (also known as Delhi/CAS) rather than to Lineage 2 (also known as East-Asian lineage). Sequencing of the RD207 in one of these strains showed that the deletion responsible for this “Pseudo-Beijing” spoligotype was about 1,000 base pairs smaller than the usual deletion of RD207 in classical “Beijing” strains, which is consistent with an evolutionarily independent deletion event in the direct repeat (DR) region of MTBC. Conclusions We provide an example of convergent evolution in the DR locus of MTBC, and highlight the limitation of using spoligotypes for strain classification. Our results indicate that a proportion of “Beijing” strains may have been misclassified in the past. Markers that are more phylogenetically robust should be used when exploring strain-specific differences in experimental or clinical phenotypes.

Sarcomatous evolution of oligodendroglioma ("oligosarcoma"): confirmatory report of an uncommon pattern of malignant progression in oligodendroglial tumors

By analogy to gliosarcoma, the neologism "oligosarcoma" is to describe an uncommon form of biphasic central nervous system tumor composed of contiguous neuroepithelial and mesenchymal elements, each of which individually meet the criteria of oligodendroglioma and sarcoma, respectively. By virtue of its distinctive genotype (codeletion 1p/19q), oligodendroglioma is a particularly inviting paradigm to test the assumption that such mixed tumors are clonally derived from a glial primary. We observed this constellation in a 41-year-old male who underwent two resection procedures for a recurring right frontal tumor at five years' interval. On imaging, both lesions were contrast-enhancing, and measured 7 cm × 7 cm × 6.8 cm and 7 cm × 6.5 cm × 4cm, respectively. Following the first operation, temozolomide monotherapy was administered. Whereas initial histology showed conventional anaplastic oligodendroglioma, the recurrence consisted mostly of a fibrosarcoma-like, fascicular neoplasm that was immunoreactive for vimentin, smooth muscle actin, S100 protein, and focally epithelial membrane antigen. In between, a subset of otherwise indistinguishable spindle cells expressed GFAP, and focally merged with residues of oligodendroglioma. Molecular testing for loss of heterozygosity confirmed codeletion of 1p/19q in both the primary tumor and the sarcomatous recurrence. Similarly, generalized immunoreactivity for the mutant R132H form of isocitrate dehydrogenase in both lesions indicated an identical mutation of the IDH1 gene. By the above standards, biologically consistent "oligosarcomas" are felt to be exceedingly rare, and possibly participate of a nosologically heterogeneous group of combined glial/mesenchymal lesions that may also include iatrogenically induced second malignancies as well as true collision tumors.

Evolution of bombesin conjugates for targeted PET imaging of tumors

Bombesin receptors are under intense investigation as molecular targets since they are overexpressed in several prevalent solid tumors. We rationally designed and synthesized a series of modified bombesin (BN) peptide analogs to study the influence of charge and spacers at the N-terminus, as well as amino acid substitutions, on both receptor binding affinity and pharmacokinetics. This enabled development of a novel (64/67)Cu-labeled BN peptide for PET imaging and targeted radiotherapy of BN receptor-positive tumors. Our results show that N-terminally positively charged peptide ligands had significantly higher affinity to human gastrin releasing peptide receptor (GRPr) than negatively charged or uncharged ligands (IC(50): 3.2±0.5 vs 26.3±3.5 vs 41.5±2.5 nM). The replacement of Nle(14) by Met, and deletion of D-Tyr(6), further resulted in 8-fold higher affinity. Contrary to significant changes to human GRPr binding, modifications at the N-terminal and at the 6(th), 11(th), and 14(th) position of BN induced only slight influences on affinity to mouse GRPr. [Cu(II)]-CPTA-[βAla(11)] BN(7-14) ([Cu(II)]-BZH7) showed the highest internalization rate into PC-3 cells with relatively slow efflux because of its subnanomolar affinity to GRPr. Interestingly, [(64/67)Cu]-BZH7 also displayed similar affinities to the other 2 human BN receptor subtypes. In vivo studies showed that [(64/67)Cu]-BZH7 had a high accumulation in PC-3 xenografts and allowed for clear-cut visualization of the tumor in PET imaging. In addition, a CPTA-glycine derivative, forming a hippurane-type spacer, enhanced kidney clearance of the radiotracer. These data indicate that the species variation of BN receptor plays an important role in screening radiolabeled BN. As well, the positive charge from the metallated complex at the N-terminal significantly increases affinity to human GRPr. Application of these observations enabled the novel ligand [(64/67)Cu]-BZH7 to clearly visualize PC-3 tumors in vivo. This study provides a strong starting point for optimizing radiopeptides for targeting carcinomas that express any of the BN receptor subtypes.

Evolution of gene expression changes in newborn rats after mechanical ventilation with reversible intubation

Mechanical ventilation (MV) is life-saving but potentially harmful for lungs of premature infants. So far, animal models dealt with the acute impact of MV on immature lungs, but less with its delayed effects. We used a newborn rodent model including non-surgical and therefore reversible intubation with moderate ventilation and hypothesized that there might be distinct gene expression patterns after a ventilation-free recovery period compared to acute effects directly after MV. Newborn rat pups were subjected to 8 hr of MV with 60% oxygen (O(2)), 24 hr after injection of lipopolysaccharide (LPS), intended to create a low inflammatory background as often recognized in preterm infants. Animals were separated in controls (CTRL), LPS injection (LPS), or full intervention with LPS and MV with 60% O(2) (LPS + MV + O(2)). Lungs were recovered either directly following (T:0 hr) or 48 hr after MV (T:48 hr). Histologically, signs of ventilator-induced lung injury (VILI) were observed in LPS + MV + O(2) lungs at T:0 hr, while changes appeared similar to those known from patients with chronic lung disease (CLD) with fewer albeit larger gas exchange units, at T:48 hr. At T:0 hr, LPS + MV + O(2) increased gene expression of pro-inflammatory MIP-2. In parallel anti-inflammatory IL-1Ra gene expression was increased in LPS and LPS + MV + O(2) groups. At T:48 hr, pro- and anti-inflammatory genes had returned to their basal expression. MMP-2 gene expression was decreased in LPS and LPS + MV + O(2) groups at T:0 hr, but no longer at T:48 hr. MMP-9 gene expression levels were unchanged directly after MV. However, at T:48 hr, gene and protein expression increased in LPS + MV + O(2) group. In conclusion, this study demonstrates the feasibility of delayed outcome measurements after a ventilation-free period in newborn rats and may help to further understand the time-course of molecular changes following MV. The differences obtained from the two time points could be interpreted as an initial transitory increase of inflammation and a delayed impact of the intervention on structure-related genes.