Latest documents http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/index/index/ Wed, 27 Mar 2013 09:22:53 +0100 Wed, 27 Mar 2013 09:22:53 +0100 http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/1127 Die Stärkung des Umweltbewusstseins in der Bevölkerung ist heute notwendiger denn je. Um Umweltprobleme zu lösen und vorzubeugen, soll adäquate Umweltbildung unter anderem darauf abzielen, Motivation, Einstellungen und Wissen für den Schutz und Erhalt der natürlichen Umwelt zu fördern (IUCN, UNEP & WWF, 1991; Potter, 2010). Naturverbundenheit stellt eine wichtige Motivation für den Umweltschutz dar und wird durch direktes, affektives Naturerleben gestärkt (z.B. Kaiser, Roczen & Bogner, 2008; Davis, Green & Reed, 2009). Diese Verbundenheit kann sich, ebenso wie Umwelteinstellungen, im Laufe des Lebens verändern, was sich wahrscheinlich auf die Effizienz von Umweltbildung bezüglich der unterschiedlichen Altersgruppen auswirkt (Bruni & Schultz, 2010; Ernst & Theimer, 2011). Frick und Kollegen (2004) gehen von drei kognitiven Wissensarten aus, die für ökologisch-nachhaltiges Handeln essentiell sind: System-, Handlungs- und Wirksamkeitswissen, welche bewusst in Bildungsaktionen integriert werden sollten. Bis heute ist nicht genau untersucht, wie sich Schüler/innen ungleichen Alters hinsichtlich ihrer Naturverbundenheitswerte und Umwelteinstellungen unterscheiden. Es ist ebenfalls unklar, ob Kinder und vorpubertäre Jugendliche durch Umweltbildung in den genannten Aspekten unterschiedlich beeinflusst werden, und ob ein erzielter Effekt über einen längeren Zeitraum nach einer Intervention bestehen bleibt. Eine systematische Integration der drei Umweltwissensarten in ein Umweltbildungsprojekt stellt eine zusätzliche Herausforderung dar, durch die eine Zunahme der spezifischen Umweltwissensarten und deren Konvergenz nachgewiesen werden kann. Aus diesem Grund befasst sich die vorliegende Studie zunächst mit dem Ist-Zustand der Naturverbundenheit und den Umwelteinstellungen von 9 bis 13-Jährigen. Anschließend wird der Effekt eines umfassenden viertägigen Umweltbildungsprogramms auf Naturverbundenheit, Umwelteinstellungen und Umweltwissen untersucht. Am Schullandheim-Projekt zum Thema „Wasser im Leben - Leben im Wasser“ nahmen rund 200 Schüler/innen teil. Die Naturverbundenheit wurde mit der INS-Skala ermittelt (Inclusion of Nature in Self; Schultz, 2002), die Umwelteinstellungen mit den Subskalen preservation und utilisation nach dem 2-MEV-Modell (Two Major Environmental Values; z.B. Bogner & Wiseman 2006) und die Wissensarten mit drei neu entwickelten Skalen. Alle Skalen waren in einem Fragebogen eingebettet, welcher als Vor-, Nach- und Behaltenstest eingesetzt wurde. Eine externe Kontrollgruppe, die nicht am Projekt teilnahm, füllte ausschließlich die Fragebögen aus. Die Ergebnisse zeigen für 9 bis 10-Jährige (Klasse 4) eine stärkere Naturverbundenheit und bessere Umwelteinstellungen als für 11 bis 13-Jährige (Klasse 6). Der Effekt des Umweltbildungsprojekts auf die Naturverbundenheit und Umwelteinstellungen ist bei den jüngeren Schüler/innen größer als bei den älteren. Beide Altersgruppen zeigen direkt nach der Teilnahme eine größere Naturverbundenheit, die jedoch nur bei den jüngeren Teilnehmer/innen auch über vier Wochen nach dem Projekt bestehen bleibt. Ein ähnliches Bild zeigt sich bezüglich der Umwelteinstellungen: Beide Einstellungen der jüngeren Schüler/innen verbessern sich durch die Programmteilnahme, jedoch bleibt nur preservation auch nach dem Projekt verbessert. Im Vergleich dazu zeigt die preservation-Einstellung der älteren Schüler/innen nur eine kurzfristige Verbesserung, die utilisation-Einstellung wurde nicht beeinflusst. Der Beginn der Pubertät bei den älteren Schüler/innen könnte der Grund für die geringere Naturverbun¬denheit und die ungünstigeren Umwelteinstellungen sein. Aufgrund ihres Alters streben die vorpubertären Schüler/innen wahrscheinlich bereits nach Unabhängigkeit und erleben emotionale Distanz zu anderen (Parra & Oliva, 2009; Steinberg & Silverberg, 1986) und möglicherweise auch zur Natur. Die neuen Skalen zur Messung der Umweltwissensarten erwiesen sich als reliabel und homogen. Das Umweltwissensniveau und die Wissenskonvergenz der Schüler/innen nehmen durch die Projektteilnahme zu und beide bleiben größtenteils über den Zeitraum von vier Wochen nach dem Projekt erhalten. Wirksamkeitswissen zeigt den geringsten Wissenszuwachs, was durch die hierarchische Abhängigkeit der Umweltwissensarten erklärt werden kann. Zusammenfassend war das viertägige Umweltbildungsprojekt bezüglich Naturverbundenheit, Umwelteinstellungen und Umweltwissen vor allem bei den 9 bis 10-jährigen Schüler/innen erfolgreich. Die Befunde werden abschließend bezüglich ihrer Herausforderungen für die Bildungsforschung und ihrer Konsequenzen für die schulische Umweltbildung beleuchtet. Anne K. Liefländer doctoralthesis http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/1127 Wed, 27 Mar 2013 09:22:53 +0100 http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/993 Under global climate change, extreme weather events, such as heat waves, drought or heavy rain spells, are projected to increase in magnitude and frequency. As these may affect vegetation and ecosystems more than gradual shifts in mean climatic parameters, investigating the consequences of extreme weather events recently became an important issue in climate change research. The main focus of most experiments investigating effects of extreme weather events on vegetation is on primary productivity. In our experiment in artificially planted communities, even an extreme drought of 1000-year recurrence did not have effects on above- or below-ground biomass production from 2005-2010. Thus, the main objectives of this thesis were (1) to investigate if extreme weather events have an effect on ecosystem functions beyond productivity, (2) to test if such a high resistance or resilience in response to drought regarding productivity also exists in more naturally grown plant communities and (3) to further elucidate possible mechanisms of the surprisingly large stability of the plant communities. To investigate these objectives, several experimental studies were conducted in artificially planted, as well as in naturally grown grassland communities and consequences of extreme weather events for ecosystem processes, such as decomposition and herbivory were investigated. In a pot experiment, it was studied, if grass plants react improved towards repeated drought when compared to a first drought and thus reveal a kind of drought memory. Such a memory might be one possible, but up until now widely neglected mechanism of resilience. Even though biomass production remained stable in our experiment in artificially planted communities, biomass quality was severely affected by extreme drought, thereby strongly affecting the development of a herbivore caterpillar feeding on drought-exposed leaves. Further, plant compounds of the host plant depended on the composition of the plant community it was grown in. This in turn resulted in strong effects on the larval mortality of herbivores feeding on such plants. In contrast to the study in artificially planted communities, aboveground net primary productivity (ANPP) was reduced in naturally composed grassland in response to extreme rainfall variability, including an extreme drought followed by heavy rainfall. Forage quality was altered by drought. Furthermore, mowing frequency strongly altered forage quality and biomass production, but did not interact with rainfall variability and thus did neither buffer, nor amplify effects of extreme rainfall variability. Despite effects of rainfall variability on ANPP, grassland showed high resilience after drought followed by heavy rain, as effects were large shortly after the extreme event, but did not persist until a second harvest later in the year. In natural grassland, rainfall variability and drought also affected ecosystem processes, here litter decomposition, beyond productivity. Drought followed by heavy rain pulses decreased decomposition rates. Decomposition in more frequently mown meadows was more vulnerable towards drought exposure. Winter warming and additional winter rain had no long-term effect on decomposition. To conclude, projected increases in drought frequency under climate change may inhibit decomposition and alter nutrient and carbon cycling along with soil quality in temperate grassland, whereas a reduction of snow cover leading to more variable soil surface temperatures may counteract increased decomposition under winter warming. In this thesis, an ecological stress memory as one possible mechanism of resilience is defined as any response of a single plant after a stress experience that improves the reaction of the plant towards future stress experience and which is assessed on a whole plant level. This thesis further provides evidence of a drought memory in grass plants: Plants repeatedly subjected to drought showed improved photo-protection and a higher rate of living biomass when compared to plants faced with their first drought. Similarly, tree seedlings exposed to drought in summer revealed higher frost resistance during winter, providing evidence of a long-lasting “cross-stress-memory” . To sum up, the thesis shows that extreme weather events, even though neither severely affecting biomass production in artificially composed, nor in naturally growing communities in the long-term, exert strong influence on physiological or biogeochemical parameters, such as plant compounds or soil biotic activity. These changes in turn modify ecosystem functions beyond productivity, for example herbivory or decomposition, possibly altering biotic interactions and nutrient cycling. Furthermore, the findings imply that plants exhibit a stress memory after stress exposure, which may be one mechanisms leading to a high stability and resilience upon frequent stress. Julia Walter doctoralthesis http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/993 Mon, 12 Nov 2012 10:13:43 +0100 http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/782 The polysaccharide cellulose is a major component of organic matter in terrestrial ecosystems and its mineralization drives carbon fluxes in soil. The degradation of plant-derived saccharides (e.g., cellulose, cellobiose, and glucose) is catalysed by a huge diversity of aerobic and anaerobic microorganisms (including Bacteria, fungi, and protists), but there is limited information about their phylogenetic identities and their in situ relevance in soil. Soil is a heterogeneous habitat in which oxic and anoxic microzones co-occur, and in which the distribution of O2 can change rapidly. Hence, the availability of O2 is an important factor that determines the activity of the saccharide-degrading community in microzones of aerated soil. Likewise, the accumulation of potential toxic pesticides in agricultural ecosystems might influence microbial activity. It is not resolved how active cellulolytic and saccharolytic taxa respond to rapid changes in the availabilities of O2. Furthermore, it is unclear if pesticides impact on the degradation of cellulose and cellulose-linked processes, and influence the activity of active saccharide-utilizing microorganisms. Hence, this study first identified cellulolytic and saccharolytic aerobic and anaerobic Prokaryotes that catalyzed the degradation of supplemented [13C]-labeled saccharides by 16S rRNA stable isotope probing. The metabolic response of major bacterial taxa to pesticides and fluctuating availabilities of O2 was further analyzed with taxon-specific qPCR assays. Eukaryotes that contributed to soil carbon flux were identified by targeting 18S rRNA genes by the collaborative group of Dr. A. Chatzinotas at the Helmholtz Centre (UFZ) in Leipzig. Cellulose, cellobiose, and glucose were mineralized to carbon dioxide under oxic conditions, whereas different fermentation products accumulated under anoxic conditions. Fermentations occurred concomitant with the apparent reduction of nitrate and ferric iron. The degradation of supplemented saccharides was stable under oxic and anoxic conditions. Archaea were no active constituents of the cellulose-degrading community in the investigated soil. [13C]-cellulose was mainly degraded by Kineosporiaceae (Actinobacteria), the cellulolytic taxon Cluster III Clostridiaceae (Firmicutes), and the new family-level taxon 'Cellu1-3' (Bacteroidetes) under anoxic conditions. Under oxic conditions, the new family-level taxa 'Sphingo1-4' (Bacteroidetes) and 'Deha1' (Chloroflexi), and Planctomycetaceae (Planctomycetes) were involved. Active community members in [13C]-cellobiose and [13C]-glucose treatments differed from those in [13C]-cellulose treatments, and were selectively activated by O2. Twenty-eight of the 48 labeled bacterial family-level taxa did not closely affiliate with cultured species. Labeled Eukaryotes belonged to the families Bodonidae, Eustigmataceae, Mallomonadaceae, Opistonectidae, unclassified Chrysophyceae, and unclassified Stramenopiles. These families inhabit autotrophic algae and bacteriovorus flagellates. It is likely that these active Eukaryotes were labeled by incorporation of [13C]-carbon derived from grazing on active cellulolytic and saccharolytic soil bacteria. Fungi were not labeled in stable isotope probing experiments. The pesticides Bentazon, MCPA and Nonylphenol impaired cellulose-linked microbial processes only at pesticide concentrations far above the recommended rate. The impairment was most pronounced under anoxic conditions. Planctomycetaceae and the new family-level taxon 'Sphingo1-4' were sensitive to pesticide addition under oxic conditions, whereas Cluster I Clostridiaceae and the new family-level taxon 'Cellu1-3' were reduced under anoxic conditions. Nevertheless, the impact of pesticides on the degradation of saccharides at in situ-relevant concentrations seems to be minimal. These collective findings suggest that (i) a large uncultured diversity of Bacteria was involved in the degradation of cellulose, (ii) O2 selectively activates different cellulolytic and saccharolytic taxa, (iii) Cluster III Clostridiaceae, and the new family-level taxa 'Sphingo1-4' and 'Cellu1-3' represent the major cellulolytic constituents of the microbial community in the investigated agricultural soil, whereas Cluster I Clostridiaceae, Intrasporangiaceae and Micrococcaceae are saccharolytic satellite organisms that utilize cellulose-derived carbon, and (iv) the degradation of plant-derived saccharides is a community function that is stabilized by the rapid response of active bacterial taxa and independent of fluctuating availabilities of O2 and of pesticide application. Stefanie Schellenberger doctoralthesis http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/782 Thu, 28 Jun 2012 08:39:35 +0200 http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/795 Der Gram-positive Modellorganismus Bacillus subtilis besitzt 17 alternative Sigmafaktoren, von denen 7 zur Gruppe der ECF (extra-cytoplasmic function) -Sigmafaktoren gehören. Einer dieser ECF-Sigmafaktoren, SigX, und sein entsprechender Anti-Sigmafaktor, RsiX, sind Gegenstand dieser Arbeit. Dabei handelt es sich bei RsiX um ein Transmembranprotein, während SigX im Cytoplasma lokalisiert ist und von der N-terminalen RsiX-Domäne von einer Interaktion mit der RNA-Polymerase abgehalten wird. SigW, ein weiterer ECF-Sigmafaktor, und RsiW, der dazugehörende Anti-Sigmafaktor, sind bereits sehr gut untersucht. Aufgrund struktureller Ähnlichkeiten zwischen SigX/RsiX und SigW/RsiW wurde angenommen, dass die Aktivierung des SigX-Regulons in vergleichbarer Weise erfolgt, wie es für das SigW-Regulon aufgrund intensiver Analysen sehr gut untersucht ist. Die in dieser Arbeit verwendete Methode der Transposonmutagenese lieferte entscheidende Hinweise über die Regulation des sigX-rsiX-Operons. Es konnte gezeigt werden, dass das sigX-rsiX-Operon einer Regulation durch den Transkriptionsterminator Rho unterliegt. Damit wurde das erst dritte Beispiel für eine Termination der Transkription durch den Faktor Rho in B. subtilis bekannt. Als wichtiges Element für die faktorabhängige Termination der Transkription gilt das Vorhandensein einer rut-site, der Bindestelle des Faktors Rho in der naszierenden mRNA. In dieser Arbeit wurden verschiedene Analysetechniken angewandt, um mit Hilfe eines GFP-RsiX-Reporters erstmals eine rut-site in B. subtilis zu kartieren. Die hier identifizierte rut-site von rsiX ist am 5´-Ende dieses Gens lokalisiert. Bei diesen Analysen wurde außerdem deutlich, dass es im sigX-rsiX-Operon zu einer faktorabhängigen intragenischen Termination der Transkription kommt, bei welcher nicht nur die Transkription von rsiX, sondern auch die Expression des stromaufwärts liegenden sigX beeinflusst wird. Punktmutationen in der Sequenz für die rut-site von rsiX zerstörten den Einfluss des Faktors Rho auf das sigX-rsiX-Operon, so dass keine Termination der Transkription mehr stattfand und die detektierbare Menge an sigX-rsiX-Transkript deutlich anstieg. Nur so war es möglich, einen rsiX-Knockout zu komplementieren. Messungen der beta-Galaktosidase-Aktivität eines lacZ-Reporters belegten zudem die Funktion von RsiX als Anti-Sigmafaktor von SigX. Der Verlust des Einflusses von Rho auf das sigX-rsiX-Operon aufgrund einer mutierten rut site machte auch immunologische Nachweise des Anti-Sigmafaktors möglich. Infolgedessen konnte der Frage einer möglichen RsiX-Proteolyse nach dem Vorbild der RsiW-Proteolyse nachgegangen werden. Für RsiW wurde bereits gezeigt, dass ein bestimmtes Stress-Signal den Abbau des Anti-Sigmafaktors einleitet. Die Proteolyse von RsiW erfolgt dann nach dem Mechanismus der regulierten intramembranen Proteolyse (RIP) unter der Beteiligung mehrerer Proteasen. Neben der Beteiligung der Protease RasP an der RsiW-Proteolyse konnte hier auch die Beteiligung von RasP an der RsiX-Proteolyse nachgewiesen werden. Gleichzeitig wurde aber ausgeschlossen, dass die Protease PrsW, welche auch an der RsiW-Proteolyse beteiligt ist, in die RsiX-Proteolyse involviert ist. Demnach können die einzelnen Schritte der RsiW-Proteolyse nicht einfach auf die RsiX-Proteolyse übertragen werden, obwohl es sich bei beiden Transmembranproteinen um Anti-Sigmafaktoren ihrer jeweiligen ECF-Sigmafaktoren handelt. Katharina Schäfer doctoralthesis http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/795 Mon, 11 Jun 2012 22:01:43 +0200 http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/773 FtsH is an ATP- and Zn2+-dependent metalloprotease anchored in the cytoplasmic membrane by two transmembrane segments. It is the unique membrane-bound AAA-protease in bacteria that performs a variety of regulatory functions. In B. subtilis, an ftsH knockout exhibits a pleiotropic phenotype such as filamentous growth, sensitivity towards heat, osmotic shock and cells are unable to sporulate. Recently, it has been shown that ftsH knockout cells fail to entry sporulation stage II due to lack of a sufficient amount of Spo0A~P and the first substrate of FtsH identified in B. subtilis is the Spo0E phosphatase, a negative regulator that dephosphorylates Spo0A~P. However, the sporulation frequency in a spo0E ftsH double mutant strain was only partly restored, we hypothesized that FtsH might degrade additional substrate proteins involved in sporulation. To identify these proteins, two different strategies were applied. By using the 2D gel technique, the proteomes of an ftsH wild-type strain was compared with an ftsH null mutant. Several proteins were identified to be either up- or down-regulated in the absence of FtsH. One of them up-regulated about 4-fold was identified as Spo0M. Since ftsH did not interfere with transcription of spo0M, an in vitro proteolysis assay was established using purified components. It was shown that Spo0M was degraded by FtsH in an ATP- and time-dependent way. In the second strategy, an ftsHtrap mutant was constructed and tested for loss of its proteolytic activity. Protease trap mutants are still able to bind substrate proteins, but are unable to degrade them. By using FtsHtrap fused to a GST-tag, YwnF, a membrane protein, was trapped and identified as a substrate of FtsH by mass spectrometry. However, further experiments will be required to confirm YwnF as a target of FtsH. The last part of this thesis was focused on the eag gene, which forms a bicistronic operon with Spo0E. Construction and analysis of an eag insertion mutant exhibited a slight increase in the sporulation frequency and in the amount of Spo0A. A transcriptional fusion between the promoter of the spo0E-eag operon and the lacZ reporter gene revealed an increase in the beta-galactosidase activity from t0 when the cells were grown in sporulation medium. Since the Eag protein may be an integral membrane protein, it may bind excess Spo0E thereby preventing it from dephosphorylating Spo0A~P. Alternatively, Eag may bind Spo0E and present it as a modulator to FtsH for degradation. Hue Bach Thi Nguyen doctoralthesis http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/773 Wed, 06 Jun 2012 11:16:21 +0200 http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/758 Tropical forests are well known for their exceptional species richness – high diversity of plant species constitutes the basis for an equivalently rich fauna. An astonishing variety of plant life strategies has evolved, manifesting itself also in different compositions of life history traits in trees. This thesis investigates the role of tree life history traits (growth, mortality and recruitment) on different processes structuring species-rich forests. Our study system is a montane rainforest located in the Tropical Andes hotspot of biodiversity in southern Ecuador. Here, we find a mosaic of steep ridges and deeply incised valleys, covered with predominantly broadleaf forest. Forest structure and species composition differ considerably depending on altitude and topographic position. The forest cover is frequently interrupted by scars of landslides, which constitute an important type of natural disturbance in this ecosystem. We utilize ecological models as tools to gain deeper insights into key processes driving the maintenance of tree species richness and affecting forest recovery after landslides. The first part of this thesis concerns the question of species coexistence. We develop a theoretical model to analyze how different trade-offs between life history traits (tree growth, seed dispersal, tree mortality) affect tree species coexistence. We find that the considered trade-offs alone are not sufficient to explain long-term species coexistence. Additional 'stabilizing' mechanisms seem to be indispensable to facilitate coexistence in species-rich forests. Such mechanisms could result from biotic interactions that alter the relation between inter- and intra-specific competition depending on (local) species abundances (e.g. density-dependent mortality). Other possible coexistence mechanisms likely to be relevant to our particular study system are driven by external, abiotic factors like a complex topography resulting in locally differing habitat types (each supporting a different set of species), or the character of a prevailing disturbance regime (e.g. shallow landslides). In the second part of the thesis, we investigate the growth dynamics of the ridge forest in our study system. To this end, we utilize the process-based forest growth model FORMIND. We show that after calibration, the model successfully reproduces forest dynamics on different levels of complexity (e.g. basal area and stem size distribution). We then use this forest model to investigate the influence of landslide disturbances on forest dynamics both on the local scale of a single landslide and on the landscape scale. On landslide sites, changes in environmental conditions might lead to changes in different tree life history traits. We analyze scenarios with changes in different traits (tree recruitment, tree growth, tree mortality) and find that while tree biomass can recover within the first hundred years after a landslide, the time until forest structure and species composition is restored is considerably longer (approximately 200 years). Changes in different traits result in differing spatial distributions of tree biomass: reduced tree growth leads to a more homogeneous distribution of biomass, whereas reduced recruitment and increased mortality yield a more heterogeneous biomass distribution ('patchy' vegetation). On the landscape level, overall forest biomass is substantially reduced by landslides (8-14%), compared to only 2-3% of the area marked by visible traces of landslides. Thus this particular type of disturbance considerably influences the total forest carbon balance. In a complementary investigation we study abiotic and biotic factors that potentially trigger landslide occurrence in our study system. For this, we develop an extension of a standard physically-based model of slope stability. We find that due to the predominantly shallow tree roots, some of the observed landslides might be triggered by the vegetation itself. This thesis demonstrates that ecological models are useful tools to gain deeper insights into important processes shaping forest communities. They can be applied for theoretical questions such as the question of species coexistence, as well as for more applied, management related questions like predicting forest recovery after disturbances. Claudia Dislich doctoralthesis http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/758 Tue, 10 Apr 2012 11:13:01 +0200 http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/750 Climate change will pose entirely new challenges for nature conservation. A literature study of 852 publications (between 2003 and 2010) illuminates this topic, examines driving research forces as well as focal points and shows recent research gaps. Here could be shown that changes in species distribution, diverse consequences for habitats, changing communities as well as biotic interactions and general aspects of diversity are the major challenges. The potential climatic modifications can alter deeply the distribution of animals and plants. Range changes due to recent climate change already exist and are traceable. In order to quantify such changes, environmental envelope modelling can be used. In addition to individual species, changes in distribution of more complex units are also conceivable. The present work mainly focuses on habitat types listed in the Annex I of the European Habitats Directive. To reveal the potential range changes of habitat types, two principally different modelling approaches have been developed. An indirect approach modelling the distribution of a habitat type using the distribution of its characteristic plant species and a direct approach, using the distribution of the habitat type itself. These two approaches were tested by modelling five grassland habitat types. Looking at the modelled results all habitats are projected to lose between 22% and 93% of their range in the ‘no dispersal’ scenario. Both approaches produce reasonable results. However, modelling an extensive set of habitat types using the indirect approach is currently not possible, because of the required but actually lacking amount of plant distribution data. Therefore, the direct approach is an appropriate instrument for modelling habitat types. Here, all 127 widespread terrestrial habitat types defined in the Annex I of the Habitats Directive were modelled and, resulting from this, a map of terrestrial habitat type diversity was calculated. Several habitat types are projected to lose many of their actually suitable areas, in particular bogs, rocky habitats, grassland and in part forests. Due to their developmental time or rather due to their special abiotic requirements, bogs and rocky habitats even lose under the assumption of a full dispersal scenario. However, most heath and grassland habitats are also projected to lose in the full dispersal scenario. Pooling all modelled results together, terrestrial habitat type diversity is shifting partly to mountain regions and the atlantic biogeographical region is projected to decrease in habitat type diversity. According to the Habitats Directive habitat types listed in Annex I are protected in ‘sites of community interest’ aiming to maintain or restore them at a favourable conservation status. Due to the projected changes a static nature conservation concept could face problems which particularly concern the coherence of the protected area network. This could lead to a loss of protective goods in spite of protected areas. To illustrate the potential problems and difficulties emerging with respect to spatial coherence of habitat types between protected areas, an analysis of spatial coherence under future conditions for a variety of habitat types in Germany was conducted. Here, a combination of environmental envelope modelling and graph theory is presented to assess the coherence of nature conservation networks. The possible incapacity of species to reach all climatically suitable areas is currently debated. Therefore, spatial scales are not only crucial for the coherence of protected areas but also for the question if future projected suitable areas could be colonized. Dispersal movements of species are only infrequently possible in our highly fragmented landscape. To answer this raising question, Odonata listed in the Habitats Directive with known dispersal distances were contemplated. The species Coenagrion ornatum, C. mercuriale and Ophiogomphus cecilia are projected to lose range when incorporating specific dispersal distances, while they are projected to extend their range in the unrestricted dispersal scenario. Furthermore, suitable climatic conditions tend to decline for Leucorrhinia albifrons and L. caudalis, whereas L. pectoralis is projected to gain distribution area assuming either species-specific or unrestricted dispersal. The nature conservation measure of translocation is an at least 100 years old methodology with pros and cons. In this thesis, the emerging problems and opportunities of this species preservation strategy are presented. Further, a new question about the ‘focal unit’ is pointed out as well as the problem of genetic variability and the aspect of pre-adopted subspecies. Moreover, a selective assisted colonisation not by moving species but ecotypes is referred. Torsten Bittner doctoralthesis http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/750 Mon, 27 Feb 2012 13:24:15 +0100 http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/737 In der eukaryotischen und archaealen DNA-Replikation spielen MCM-Proteine eine bedeutende Rolle. Ein heterohexamerer Komplex der Proteine MCM2-7 stellt in eukaryotischen Zellen die replikative Helikase dar, welche den DNA-Doppelstrang entwindet und so für die Replikation durch die DNA-Polymerasen zugänglich macht. In den Archaea übernimmt diese Aufgabe ein homohexamerer MCM-Komplex. Ein weiteres Mitglied der eukaryotischen MCM2-7-Familie ist MCM8. Es gibt Hinweise, dass MCM8 als homohexamere Helikase in der eukaryotischen DNA-Replikation involviert ist, die tatsächliche Funktion des Proteins ist jedoch noch weitgehend unbekannt. Durch Untersuchungen von Tumorgeweben wurde gezeigt, dass humanes MCM8 in den entsprechenden Zellen akkumuliert oder mutiert vorliegt. Dies lässt darauf schließen, dass MCM8 an der Entwicklung von Tumoren beteiligt sein könnte. Für das Verständnis der Krebsentstehung ist daher die Erforschung seiner Funktion von großer Wichtigkeit. Ziel dieser Arbeit war zunächst, ein geeignetes Expressionssystem zu etablieren, in welchem rekombinantes humanes MCM8 löslich exprimiert und aufgereinigt werden kann. Hierfür wurden Expressionsstudien in Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae sowie Sf9- und High-Five-Insektenzellen durchgeführt. In S. cerevisiae konnte keine Expression von MCM8 detektiert werden, da das Protein hier möglicherweise toxisch wirkt. In E. coli konnte MCM8 nach einer Co-Expression mit dem Chaperon E. coli Triggerfakor bei einer Expressionstemperatur von 15°C teilweise löslich exprimiert werden. In Insektenzellen konnte MCM8 sowohl in plasmidbasierter transienter Expression als auch in einer Baculovirus-basierten Expression vollständig löslich exprimiert werden. Das lösliche rekombinante MCM8 wurde mittels Affinitäts-, Heparin- sowie Ionenaustausch- chromatographie aufgereinigt und auf enzymatische Aktivität untersucht. Es war bekannt, dass die anderen MCM-Proteine eine DNA-abhängige ATPase-Aktivität besitzen, und dass diese durch die Mutation eines konservierten Lysinrests im aktiven Zentrum des Proteins ausgeschaltet werden kann. Um eine eventuelle ATPase-Aktivität MCM8 zuordnen zu können, wurde die Aktivität des Wildtyp-Proteins sowie die Aktivität der mutmaßlichen ATPase-Motiv-defekten Mutante MCM8 K460E überprüft. Weder für das in E. coli noch für das in Insektenzellen exprimierten rekombinanten Protein konnte eine ATPase-Aktivität nachgewiesen werden. Auch durch Zugabe von DNA konnte diese Aktivität nicht stimuliert werden. Dies ließ darauf schließen, dass humanes MCM8 alleine in vitro keine enzymatische Aktivität besitzt. Vermutlich benötigt MCM8 wie der MCM2-7-Komplex in vivo Cofaktoren zur Ausübung seiner Funktion. CDC45 und der GINS-Proteinkomplex gelten als essentielle Cofaktoren der Helikase MCM2-7, welche zusammen als CMG-Komplex den DNA-Doppelstrang entwinden. Wenn MCM8 als Helikase in die DNA-Replikation der eukaryotischen Zelle involviert ist, ist eine Interaktion mit CDC45 wahrscheinlich. Daher wurde in dieser Arbeit die Interaktion von MCM8 mit humanem CDC45 nach Co-Expression der rekombinanten Proteine in High Five-Insektenzellen untersucht. Hinweise auf eine Interaktion von MCM8 und CDC45 ergaben sich zunächst durch eine Co-Aufreinigung der rekombinanten Proteine Strep_MCM8 und His_CDC45 mittels Talon- und anschließender Strep-Tactin-Chromatographie, in welchen beide Proteine in beiden Aufreinigungs-schritten co-eluierten. Einen weiteren Hinweis lieferte die Co-elution der Konstrukte MCM8_H10 und CDC45 in einer Gelfiltration. Durch Immunopräzipitation von MCM8_H10 und CDC45 aus High-Five-Zellextrakten, wo beide Proteine mit dem jeweiligen Interaktionspartner co-präzipitierten, konnte gezeigt werden, dass MCM8 und CDC45 in vitro interagieren. Eine in vivo-Interaktion der beiden Proteine wurde in HeLa-Zellen untersucht. Hier ergab sich ein Hinweis auf die Interaktion durch Immunopräzipitationen von CDC45 mit einem MCM8-Antikörper aus Zellextrakten logarithmisch wachsender HeLa-Zellen. Die Untersuchung fraktionierter Zellextrakte synchronisierter HeLa-Zellen lieferte Informationen über den Zeitpunkt und den Ort der Interaktion von MCM8 und CDC45 im Zellzyklus. Es ist bekannt, dass die Proteine MCM2-7 vor allem zu Beginn der Synthese-Phase chromatingebunden vorliegen. Hier konnte gezeigt werden, dass MCM8 und CDC45 gegen Ende der Synthese-Phase und am Übergang der G2- zur Mitose-Phase verstärkt chromatingebunden vorliegen. Dies lässt darauf schließen, dass das humane MCM8 eher in die Elongation als in die Initiation der eukaryotischen DNA-Replikation involviert ist. Es ist ebenfalls denkbar, dass MCM8 eine bisher noch nicht untersuchte regulatorische Funktion besitzt. Die tatsächliche Rolle von MCM8 im eukaryotischen Zellzyklus bleibt weiterhin unklar, bedarf jedoch gerade im Hinblick auf seinen potenziellen Wert als Tumor-Marker weiterer Aufklärung. Linda Holtkamp doctoralthesis http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/737 Wed, 21 Dec 2011 12:05:21 +0100 http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/800 The universal triggering event of eukaryotic chromosome segregation is the proteolytic cleavage of chromosomal cohesin by separase. The activity of this essential but potentially also very dangerous protease must be tightly controlled. Prior to the onset of anaphase separase is kept inactive by association with either securin or cyclin-dependent kinase 1 (Cdk1) in conjunction with cyclin B1. Only when all chromosomes interact properly with the mitotic spindle apparatus does the anaphase promoting complex or cyclosome (APC/C), a multisubunit E3 ligase, mediate the ubiquitylation of securin and cyclin B1. Their subsequent proteasomal degradation then releases active separase. Murine embryonic stem cells, which lack securin and express a Cdk1-resistant phosphorylation site mutant separase are viable. Thus, additional regulations of sister chromatid separation by separase must exist. It was reported that human separase cleaves not only cohesin but also itself and, furthermore, that it interacts with protein phosphatase 2A (PP2A). However, the functions of separase's auto-cleavage and PP2A-interaction remain enigmatic. Moreover, securin was reported to also interact with PP2A but, strangely, with a different isoform of the phosphatase. Thus, the question needs clarification of whether separase or securin or both interact with which isoform of PP2A. In this study, further insights into the relationship between separase auto-cleavage and PP2A binding are presented. Phosphorylation of a serine residue in close proximity to the major cleavage site of separase was found to stimulate auto-cleavage of separase. Interestingly, a quantitative mass-spectrometric approach (SILAC) identified this serine residue as a substrate of separase-bound PP2A. Furthermore, a point mutation within separase was identified, which totally abolishes PP2A binding and which maps to the immediate vicinity of the auto-cleavage sites. Thus, PP2A prevents the auto-cleavage of separase both catalytically and sterically. It could further be shown that non-cleavable separase exhibits increased association with PP2A and that forced cleavage of separase displaces PP2A. Taken together, these results demonstrate that auto-cleavage and PP2A binding constitute two antagonistic mechanisms of separase regulation. Evidence is provided that the interaction of PP2A with securin is indirect and bridged by separase, and that it is the B56- and not the B55-isoform of PP2A which associates with the separase-securin complex. Moreover, free securin is shown to be degraded in early mitosis in a phosphorylation- and APC/C-dependent manner, while separase-associated securin is kept dephosphorylated and, thus, protected by PP2A. Securin levels are frequently increased in tumors. In normal cells, the early removal of excessive securin might later ensure swift separase activation and anaphase onset, thereby contributing to faithful chromosome segregation. Franziska Böttger doctoralthesis http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/800 Thu, 01 Dec 2011 16:50:11 +0100 http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/719 •The effect of rearing conditions and different diets on larvae and adults of the two-spotted cricket, Gryllus bimaculatus de Geer (Orthoptera: Gryllidae), was studied. •The percent increase in body and ovary mass of adult females reared under crowded conditions was higher than that of those reared under isolated conditions. •Higher population density increased reproductive investment in adult females, regardless of the presence or absence of adult males. •The presence or absence of adult males appeared to have no significant effect on the pronotum width, increase in body mass, DLM mass and ovary mass of adult females. •Not only the population density plays an important role in morphological, physiological and behavioural changes, but also the absolute number of animals in a population may influence the above-mentioned parameters. •A strong positive correlation was found between increase in body and ovary mass and decrease in flight muscle and fat body mass; the loss of flight muscle and fat body mass is due to a high egg production. •Five different diets were used: standard diet (ca. 20 % protein, 4.5 % lipid, 45.5 % carbohydrate), modified standard diet (ca. 22 % protein, 6 % lipid, 42 % carbohydrate), and three semi-artificial diets, all containing 30 % protein but differing amounts of lipid (A: normal, B: low, C: high). •The amount of diet consumed highly depends on the type of diet given. •Weak relationships were obtained between increase in body mass and different amounts of diets consumed. •The amount of the different storage products in the fat body of 5-day-old adult females can be arranged in the following order: lipid, protein, glycogen and free carbohydrate. •The total lipid concentration in the haemolymph was generally much higher than carbohydrate concentration. •When fed on a high calory diet, the amount of food consumed was reduced. •When crickets were fed on artificial diets from penultimate larval stage, they displayed a lower increase in body mass and some reduction in flight muscle and ovary mass compared with crickets fed on artificial diet from the day of the adult moult only. •With respect to body and ovary mass, when fed to adult females modified standard diet was heartier, followed by diet A, B, C and standard diet. •When fed to penultimate larvae onwards, however, diets B and C resulted in a significantly reduced body and ovary mass. This indicates that when diets too low or too high in lipid content are fed for a longer period, cricket cannot compensate for it. •The development and reproductive investment of Gryllus bimaculatus shows a high degree of dependence on diet availability, diet quality and quantity, and food intake. Therefore, crickets raised on the different diets did not grow at equal rates. •The results unambiguously show that population density dramatically alters cricket behavioural, morphological and physiological characteristics; as a matter of fact there was a strong correlation between crowded conditions and an increase in metabolic rate, which in turn had an influence on the effects of different diets. Hassan Ibraik Hassan EL-Damanhouri doctoralthesis http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/719 Tue, 11 Oct 2011 11:26:45 +0200 http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/715 Der Regenwurmverdauungstrakt ist eine einzigartige Mikrozone in belüfteten Böden, die ideale Bedingungen für mit der Nahrung aufgenommene Bodenmikroorganismen bietet. In vorangegangenen Studien wurde gezeigt, dass die Emission von N2O durch europäische Regenwürmer auf die Aktivierung von aufgenommenen Boden-Denitrifikanten zurückzuführen ist. Bisher ist nicht bekannt, ob die Emission von N2O ein universelles Merkmal von Regenwürmern ist. Zudem ist nicht vollständig geklärt, welche Gärungsprozesse im Verdauungstrakt des Regenwurms relevant und welche gärenden Taxa dort aktiv sind. Ziel dieser Arbeit war es, die Fähigkeit zur N2O-Emission bei neuseeländischen Regenwurmarten zu untersuchen sowie die Diversität potentieller Denitrifikanten im Verdauungstrakt und im umgebenden Boden zu bestimmen. Weitere Ziele waren, die in situ-Bedingungen entlang des Verdauungstrakts von Lumbricus terrestris mit den mikrobiellen C- und N-Transformationen in Verbindung zu setzen sowie metabolisch aktive und Glucose-verwertende Bacteria im Verdauungstraktinhalt zu identifizieren. Die in Neuseeland eingeführten Arten Lumbricus rubellus und Aporrectodea rosea (beide Familie Lumbricidae) emittierten N2O, während die eingeführte Art Octolasion cyaneum (Familie Lumbricidae) nur teilweise und die einheimische Art Octochaetus multiporus (Familie Megascolecidae) kein N2O unter in situ-Bedingungen emittierten. Das N2O-Emissionspotential des einheimischen Wurms war deutlich schwächer ausgeprägt als das der eingeführten Würmer. Die Diversität der Denitrifikantenpopulationen in Verdauungstrakten und umgebenden Böden von L. rubellus und O. multiporus wurden anhand der Analyse von N2O-Reduktasegenen (nosZ) bestimmt. NosZ Sequenzen aus den Verdauungstrakten waren sehr ähnlich zu nosZ Sequenzen aus den umgebenden Böden und verwandt zu unkultivierten Bodenbakterien. N2O und H2 wurden von europäischen Würmern emittiert. Höchste in situ-Konzentrationen von N2O wurden im Kropf/Magen und im Enddarm detektiert, während H2 im Vorder- und Mitteldarm höchste Konzentrationen aufwies. Analog dazu waren eine hohe N2O-Bildung von Wurmabschnitten der Kropf/Magen- und Enddarmregion und eine hohe H2-Bildung von Abschnitten der Mitteldarmregion zu verzeichnen. Diese Ergebnisse deuten an, dass Denitrifikation vornehmlich im Kropf/Magen und Enddarm stattfindet, während H2-freisetzende Gärungen im Vorder- und Mitteldarm dominieren. In situ-Mikrosensormessungen wiesen darauf hin, dass der komplette Verdauungstrakt sauerstofffrei ist. Das Redoxpotential lag im Verdauungstrakt zwischen -203 und +388 mV. Im Verdauungstraktinhalt kamen Saccharide und organische Säuren in hohen Konzentrationen vor. Monosaccharide nahmen entlang des Verdauungstrakts ab. Die höchste Konzentration und die größte Diversität an organischen Säuren wurden im Mitteldarm nachgewiesen. Diese Ergebnisse zeigen, dass mit der Nahrung aufgenommene Mikroorganismen während der Darmpassage sich ändernden Bedingungen ausgesetzt sind und unterstützen die Annahme, dass im Verdauungstrakt verschiedene anaerobe mikrobielle Prozesse in räumlicher und damit auch in zeitlicher Abfolge aktiv sind. In anoxischen Inkubationen von Verdauungstraktinhalt mit Glucose wurden Gase und lösliche organische Verbindungen gebildet, was auf die Aktivität verschiedener Gärungsprozesse im Verdauungstrakt hinweist. Mit Hilfe der 16S rRNA basierten Stabilen-Isotopenbeprobung wurden Clostridiaceae und Enterobacteriaceae als dominante Glucose-Verwerter des Regenwurmverdauungstrakts identifiziert. Weiterhin ergab die Analyse von 16S rRNA aus frisch entnommenem Darminhalt, dass 79 Familien metabolisch aktiv waren, wovon 17 als neue Familien-ähnliche Gruppen definiert wurden. Diese Ergebnisse (a) bestätigen frühere Erkenntnisse, welche die Emission von N2O und N2 durch Regenwürmer auf aktive Denitrifikation in deren Verdauungstrakt zurückführen und (b) zeigen, dass die Fähigkeit zur N2O-Emission auch bei Regenwürmern der südlichen Hemisphäre auftritt, jedoch unterschiedlich stark ausgeprägt sein kann. Weiterhin wurde demonstriert, (c) dass diverse und teilweise unbekannte Taxa im Regenwurmverdauungstrakt aktiv sind, (d) dass dort Clostridiaceae und Enterobacteriaceae sehr wahrscheinlich an der Verwertung von Sacchariden beteiligt sind und (e) dass aufgenommene obligate Anaerobier und fakultative Aerobier gleichzeitig dieselbe Kohlenstoffquelle nutzen können. Prozessorientierte Inkubationsversuche, in situ-Messungen mit Mikrosensoren, die Charakterisierung der in situ-Bedingungen entlang des Verdauungstrakts sowie die molekularbiologische Analyse der Glucose-verwertenden und denitrifizierenden Bakterien aus dem Verdauungstrakt legen die Schlussfolgerung nahe, dass Regenwürmer durch anaerobe mikrobielle Aktivitäten in ihrem Verdauungstrakt zum terrestrischen C- und N-Kreislauf in belüfteten Böden beitragen und eine bedeutende mobile Elektronenquelle (in Form von emittiertem H2) für die Mikrobiota in diesen Böden darstellen. Pia Katharina Wüst doctoralthesis http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/715 Mon, 19 Sep 2011 15:08:26 +0200 http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/697 All proteins being translocated through the cytoplasmic membrane of bacteria cells as well as some proteins that are inserted into the cytoplasmic membrane contain a signal sequence at their N-terminus that is recognized by and targeted to the translocation machinery. Three translocation pathways have been described, so far in E. coli to allow secretion of proteins: The Sec, the Tat and the SRP (Signal Recognition Particle) pathway. While the Sec and the Tat pathway act post-translationally and accept unfolded and correctly folded polypeptides, respectively, the SRP pathway acts co-translationally. For proteins secreted through the cytoplasmic membrane via the Sec pathway, the ATP-dependent motor protein SecA is required for translocation. The translocation process of some proteins following the SRP pathway has also shown to be enhanced by the presence of SecA. The Sec and the SRP pathway share the heterotrimeric protein-conducting channel translocon complex composed of the SecYEG proteins. Based on the known characteristics of both pathways, the goal of this PhD project was to construct an efficient secretion system for recombinant proteins in Bacillus subtilis using an a-amylase as a reporter enzyme, which is secreted into the medium using the Sec pathway. Its gene amyQ was fused to an IPTG-inducible promoter. It turned out that increasing amounts of IPTG did not result in a concomitant increase of secreted a-amylase. Overproduction either formed aggregates within the cytoplasm or preproteins targeted to the translocon jammed the membrane. To release the accumulated protein within the cells two different experiments were carried out: i) a co-production and overexpression of SecA, and; ii) overexpression of an artificial secYEG operon. First, increased production of SecA showed significantly decrease in the total synthesis and secretion of a-amylase and did not reduce cytoplasmatic accumulation or membrane jamming. Second, the artificial operon enhanced expression of secY, secE and secG genes resulted in a higher amount of reporter enzyme secreted into the medium. Furthermore, two different experiments using the transposon mutagenesis strategy were carried out in order to screen for B. subtilis mutants able to increase secretion of α-amylase. Transposon mutagenesis was performed with the mariner-based transposon to inactivate gene(s) whose product might regulate directly or indirectly the secretion of α-amylase. No mutant strain presenting a higher secretion of α-amylase on indicator plates was found. In addition, I devised a modified transposon containing a xylose-expression cassette. To test the efficiency of the modified transposon, the promoter-less cat gene was used as a reporter gene and integrated into the B. subtilis chromosomal DNA. After transposon mutagenesis, mutants expressing the promoter-less cat gene were isolated. This result indicates that the modified transposon might lead to increased production of a gene in the presence of xylose and that this product might then enhance secretion of α-amylase to be detected on indicator plates. In the third part of my thesis, a terminator-test vector was constructed which should allow the identification of strong terminators acting as 5'-stabilizing element. This vector consists of an artificial bicistronic operon containing the two reporter genes bgaB and gfp allowing the insertion of the terminators between the two genes. Insertion of a terminator should lead to a reduction of the amount of GFP. The system was verified with the known sinIR transcriptional terminator. It turned out that the vector with the two reporter genes already exhibited instability in E. coli. Kelly Cristina Leite doctoralthesis http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/697 Thu, 14 Jul 2011 11:40:16 +0200 http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/669 Gentechnik ist ein aktuelles Thema des Biologieunterrichtes der 10. Jahrgangsstufe des Lehrplans der sechsstufigen Realschule in Bayern. Um eine praktische Auseinandersetzung mit dieser Thematik zu ermöglichen, wurde das Demonstrationslabor Bio-/ Gentechnik des Lehrstuhls Didaktik der Biologie an der Universität Bayreuth seit 2007 erstmals auch für dieses Schülerklientel zugänglich gemacht. In einem mehrstündigen Praktikumsunterricht wurden 293 Schülerinnen und Schülern aus 13 nordbayerischen Realschulklassen Grundlagen der Gentechnik näher gebracht, indem Experimente zu den einzelnen Schritten eines Klonierungsversuchs (Restriktion und Ligation von DNA, Transformation von E. coli- Bakterien, Ausplattieren von Bakterien) durchgeführt wurden. Gleichzeitig zu den Praktika wurden drei Begleitstudien durchgeführt, deren Zweck die Evaluation des Unterrichtserfolgs war: Hierbei sollte überprüft werden, welche Auswirkungen der Praktikumsbesuch auf verschiedene kognitive Faktoren, wie den Wissenserwerb oder die geistige Anstrengung, aber auch auf affektive Faktoren, wie situationsbezogene Emotionen (z.B. Interesse und Wohlbefinden), hat. Weiterhin sollte der Frage nachgegangen werden, ob ein Konzeptwechsel in diesem Rahmen möglich ist. Ein Schwerpunkt lag dabei auf der Beobachtung der Auswirkungen einer Berücksichtigung von Schülervorstellungen im Unterricht. Zu diesem Zweck wurden die Schülerinnen und Schüler klassenweise auf zwei Interventionsgruppen (I-1, I-2) verteilt. Beide Gruppen erhielten im Demonstrationslabor denselben experimentellen Unterricht mit dem Unterschied, dass die Lernenden in I-2 zusätzlich mit Schülervorstellungen zur Gentechnik konfrontiert wurden. Dazu wurden in einer zuvor durchgeführten Studie die Vorstellungen von 144 Schülerinnen und Schülern zu acht Begriffen und Prozessen der Gentechnik erfasst und kategorisiert sowie anschließend in die Unterrichtskonzeption integriert. Die unterrichtliche Umsetzung orientierte sich dabei an einem konstruktivistischen Lehrmodell. Die Ergebnisse der drei Begleitstudien ergaben, dass sich die Behandlung von Schülervorstellungen im Unterricht in vielerlei Hinsicht positiv auf die Lernenden auswirkte: So zeigten sich die Schülerinnen und Schüler der Gruppe I-2 interessierter und fühlten sich wohler. Auch erzielten sie signifikant bessere Ergebnisse im Wissenstest, der im Anschluss an den Unterricht durchgeführt wurde, bei gleichzeitig verringerter geistiger Anstrengung. Es ist auch in dieser Gruppe gelungen, einen Konzeptwechsel zugunsten der fachwissenschaftlichen Vorstellungen zu erzielen. Hervorzuheben war die besondere Wirkung der Konfrontationsmethode auf die Schüler, die sich durch die Berücksichtigung ihrer Vorstellungen - im Gegensatz zu Schülerinnen - verstärkt angesprochen fühlten. Ausgehend von diesen positiven Ergebnissen empfiehlt es sich, die Erfassung von Schülervorstellungen auf weitere Themen auszudehnen, um es den Lehrern zu ermöglichen, in vielen Unterrichtssituationen auf diese zurückgreifen zu können. Gaitano Franke doctoralthesis http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/669 Mon, 18 Apr 2011 11:31:28 +0200 http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/667 Surface display has attracted the attention of researchers in developing efficient display systems expressing heterologous polypeptides on the surface of bioparticles such as phages, bacterial and eukaryotic cells and bacterial spores. Among these bioparticles, the endospore from B. subtilis has advantages, including feasibility of production, safety feature, the robustness of the bacterial spore allowing storage in the desiccated form, a technological platform supported by extensive tools for genetic manipulation and less size restrictions of the displayed proteins compared to cell- and phage-based systems. A strategy to engineer B. subtilis spores to display heterologous protein on their surface is to use outer spore coat proteins (CotB, CotC, CotG) or an inner-coat protein (OxdD) with the coat genes’ transcriptional and translational signals as carriers (Isticato et al., 2001; Mauriello et al., 2004; Hinc et al., 2010; Zhou et al., 2008a; Potot et al., 2010; Kim et al., 2005a; Kwon et al., 2007). This strategy guarantees the timing for fusion protein synthesis during coat formation, but the amount of produced fusion proteins cannot be controlled. Therefore, the first aim of this doctoral thesis focused on construction of more effective expression systems for spore surface protein anchoring. A novel approach of substitution of native promoter by two different IPTG-inducible promoters to the increase the production of fusion protein is presented here. CotB was used and the expression of the cotB gene was regulated by either its own promoter, the Pgrac and the PSgrac promoter in a series of plasmids which can be integrated into or replicated independently of the B. subtilis chromosomal DNA. Two reporter proteins, α-amylase Q from B. amyloliquefaciens (AmyQ) (Palva, 1982) and GFPuv – an enhanced version from the GFP protein of the jellyfish Aequorea victoria (Crameri et al., 1996), were fused downstream of the CotB protein. To assess the enhancement of GFPuv displayed on the spore surface, CotC and CotG were similarly examined. The results indicated that the Pgrac promoter is a suitable, hence recommended as a promoter of choice. Substitution of the native promoter by Pgrac promoter, the amount of proteins displayed per spore can be increased two-fold. Furthermore, the display of heterologous proteins on the spore surface when using different carriers is gene dosage dependent. And for the first time, the tendency of the three Cot proteins’ localization on the spore coat compartment is reported using the GFPuv tag. Second, a new B. subtilis spore-based system for protein expression and purification was developed. Using this system, proteins prone to form inclusion bodies can be anchored on the spore surface, separated by a mini-intein derived from the SSp DnaB, which was then used as self-cleaving tag for purification by shifting the pH and/or temperature conditions, with no addition of any proteases or thiol reagent (Mathys et al., 1999). To construct the system, the mini-intein was fused downstream of the CotB protein, followed by the reporter protein AmyQ. By changing the pH of the buffer, the mini-intein self-cleaving process was induced followed by the release of α-amylase into the supernatants. This observation suggests the use of the B. subtilis spores as an effective and low cost tool for protein purification. However, concerns related to premature of the pH-inducible mini-intein and auto-release of coat protein raise the question about the stability of the fusion coat-heterologous protein on the spore surface using the system. Hence, further investigation is needed to achieve a usable spore-based purification system. The last aim of the thesis was to apply the newly constructed B. subtilis spore display and the cell surface display systems (Nguyen and Schumann, 2006) to generate cellulose chips, in which enzymes were immobilized on the surface of microorganism cells or spores. The cellulase A (CelA) from C. thermocellum (Beguin et al., 1985) was utilized as a model enzyme. Unfortunately, the results showed an ineffective anchoring of CelA on the cell wall. This indicates the unsuccessful creation of cell-based cellulase chip when using the SrtA transpeptidase. In contrast, CelA was verified to be successfully displayed on the spore surface using CotB and CotG, but not CotC, as carriers. In general, a large volume of culture (up to one liter) must be prepared containing both cells and spores displaying CelA on the surface to assure sufficient CMC degradation. This might indicate a low activity of CelA. Further works should be done in selection of cellulase and improvement of the systems to generate the more effective cellulase chips. Quynh Anh Nguyen doctoralthesis http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/667 Thu, 07 Apr 2011 11:18:11 +0200 http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/798 Faithful segregation of genetic material is an essential hallmark of cell division. In eukaryotic cells, the DNA is replicated during S phase into two identical copies, which reside intimately paired (cohesed) in the nucleus as dispersed and entangled interphase chromatin fibers. At the onset of mitosis, the chromatin fibers start to resolve and by the end of metaphase they are compacted and individualized into a pair of cylindrical structures called sister chromatids, which remain connected until anaphase onset by residual sister chromatid cohesion in their centromeric regions. The compaction process is known as chromosome condensation, which is a prerequisite for accurate segregation of sister chromatids in anaphase. Chromosome condensation and sister chromatid cohesion require multisubunit protein complexes, the condensin and the cohesin complexes, respectively. Both complexes are composed of two core SMC subunits and a set of non-SMC subunits, which are conserved among most eukaryotes. In the first part of my thesis, I have analyzed the localization and dynamic behavior of a functional, EGFP-fused variant of CapG, one of the non-SMC subunits of the condensin I complex in Drosophila melanogaster. In vivo fluorescence microscopy of early embryonic mitotic divisions revealed that CapG-EGFP is mainly nuclear during interphase and that it starts to enrich at centromeric proximal regions in late interphase. Thereafter, CapG-EGFP spreads onto the chromosome arms concomitantly with the initiation of chromosome condensation (ICC) and loading is complete already in prophase at the time of nuclear envelope breakdown. Furthermore, FRAP analyses revealed that a major proportion of CapG-EGFP is stably bound to chromatin during metaphase and only a minor fraction shows a dynamic association with chromatin. These results are similar, but not identical, to findings previously obtained for another non-SMC subunit, CapH/Barren, suggesting interactions of the individual non-SMC subunits with chromatin outside a bona fide condensin complex. Since a non-SMC cohesin subunit homologous to the typical meiotic Rec8 protein found in other eukaryotes appears to be missing in Drosophila, I have assessed in the second part of my thesis a possible cohesive role for the mitotic subunit Rad21 during female meiosis. Furthermore, a potential redundancy during oogenesis between Rad21 and another candidate cohesin subunit, C(2)M, was analyzed. Forced proteolysis of Rad21 during oogenesis resulted in delocalization of the canonical cohesin core subunit Smc1 from oocyte chromatin. Furthermore, immunofluorescence and fluorescence in situ hybridization analyses revealed a high proportion of premature homolog disjunction and premature sister chromatid separation in the developing mutant oocytes and also during the meiotic divisions. Moreover, it was established that Rad21 has a role in the maintenance of the synaptonemal complex (SC), as shown by delocalization of the transversal SC component C(3)G. Taken together, these results suggest that Rad21 is indeed involved in sister chromatid cohesion during female meiosis in D. melanogaster. Since in the absence of Rad21 and the concomitant presence of C(2)M meiotic sister chromatid cohesion is compromised, Rad21 appears to play the major role in meiotic sister chromatid cohesion in D. melanogaster and a functional redundancy between C(2)M and Rad21 is unlikely. Sonal Nagarkar doctoralthesis http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/798 Tue, 22 Mar 2011 16:44:00 +0100 http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/602 Mitochondrien üben viele essentielle Funktionen in eukaryotischen Organismen aus. Ihre Aufgaben bestehen zum Beispiel in der Bereitstellung von Energie in Form von ATP durch die oxidative Phosphorylierung sowie in der Bildung von Eisen-Schwefel-Clustern. Mitochondrien bilden ein Netzwerk, dessen Form sich hochdynamisch an spezifische Bedingungen und Änderungen im Metabolismus anpassen kann. Die Bedeutung einer intakten Dynamik wird dann offensichtlich, wenn man die Auswirkungen der Fehlregulierung dieses Prozesses betrachtet. Die Störung der mitochondrialen Fusion geht in Säugern mit einer Reihe von schweren Erkrankungen, wie Charcot-Marie-Tooth Neuropathie Typ 2A oder Dominanter Optischer Atrophie einher. Zudem spielen Mitochondrien und die mitochondriale Dynamik eine zentrale Rolle beim programmierten Zelltod (Apoptose). Die Fragmentierung der Mitochondrien ist dabei ein entscheidender Schritt beim Ablauf dieses Prozesses. Auch in der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae, einem fakultativ anaeroben eukaryotischen Organismus, spielen mitochondriale Teilung und Fusion eine wichtige Rolle bei der Apoptose. Bis heute sind jedoch kaum negative Auswirkungen fehlgesteuerter mitochondrialer Dynamik auf andere Prozesse wie Zelldifferenzierung oder Alterung in Hefezellen bekannt. In dieser Arbeit wurde der Effekt von gestörter mitochondrialer Teilung und Fusion auf die Sporulation von Hefezellen sowie auf deren Lebensdauer untersucht. Dabei wurde auch der Zusammenhang zwischen Apoptose und Zellalterung in Hefekulturen näher betrachtet. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigten, dass die Deletion von Mdm30 (mitochondrial distribution und morphology protein 30), einem Regulator des mitochondrialen Fusionsproteins Fzo1 (fuzzy onions homolog 1), zu einer eingeschränkten Sporulationseffizienz sowie zu mitochondrialen Vererbungsdefekten in den einzelnen Sporen führt. Des Weiteren zeigten die Untersuchungen, dass eine intakte mitochondriale Dynamik ausschlaggebend für die Alterung von Hefekulturen ist. Die gleichzeitige Blockade der mitochondrialen Fusion und Teilung durch Deletion der Fusionskomponente Fzo1 und des mitochondrialen Teilungsproteins Dnm1 (dynamin-related protein 1) hat negative Auswirkungen auf das Wachstum und die Fitness der Hefekulturen. Der mitochondriale Fusionsdefekt führt zudem zu einer stark herabgesetzten chronologischen Lebensdauer verbunden mit verstärkter Apoptose der Hefezellen. Eine direkte Blockade der Apoptose durch die Deletion des proapoptotischen Faktors Yca1 (yeast caspase 1) führt ebenfalls zu einer Reduktion der chronologischen Lebensdauer von Hefekulturen. Interessanterweise verlängert die gleichzeitige Inkubation der Mutante mit wildtypischen Zellen die Lebensdauer der Δyca1-Zellen. Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten darauf hin, dass Hefekulturen vom programmierten Zelltod einzelner Zellen profitieren können, was zu einer Verlängerung der chronologischen Lebensspanne führt. Obwohl Sinn und Nutzen des programmierten Zelltodes für S. cerevisiae immer noch kontrovers diskutiert werden, liefern die in dieser Arbeit erzielten Erkenntnisse weitere Argumente für die Notwendigkeit der Apoptose für diese einzelligen Organismen. Mark Dürr doctoralthesis http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/602 Thu, 20 Jan 2011 12:47:24 +0100 http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/599 Die mikrobielle Oxidation atmosphärischen Methans ist in Nadelwaldböden bis zu drei Mal niedriger als in Laubwaldböden. Ziel dieser Dissertation war es, anhand von drei deutschen Waldstandorten (Solling, Steigerwald und Unterlüß) mit jeweils benachbarten Beständen der Rotbuche (Fagus sylvatica L.) und der Gemeinen Fichte (Picea abies L.), die Umweltparameter zu identifizieren, die diese unterschiedlichen Methanoxidationsraten hervorrufen, und deren Auswirkungen auf die Diversität und Abundanz der methanotrophen Lebensgemeinschaft zu bestimmen. Die Aufnahme von Michaelis-Menten-Kinetiken an intakten Bodenkernen bei konstanter Methankonzentration, Temperatur sowie konstantem Matrixpotenzial ergab, dass die kinetischen Parameter Vmax(app) und KM(app) in Fichtenwaldböden bis zu 65% niedriger waren als in entsprechenden Buchenwaldböden. In situ Methanaufnahmeraten und atmosphärische Methanoxidationsraten gestörter Bodenproben waren in Böden unter Fichte ebenfalls niedriger. Die maximale methanotrophe Aktivität war im Oa-Horizont (Buche) oder in den ersten fünf Zentimetern des Mineralbodens lokalisiert. Unter Fichte wurde im Oa-Horizont keine Methanoxidation detektiert. Im Oi- und Oe-Horizont wurde in keinem der beiden Waldbodentypen methanotrophe Aktivität verzeichnet. Die Gasdiffusion durch die organische Auflage der Böden, der pH-Wert und die Ammoniumkonzentration waren in beiden Waldbodentypen ähnlich und schieden somit als regulierende Faktoren für die atmosphärische Methanoxidation in Laub- und Nadelwaldböden aus. Die Produktion von Ethylen unter oxischen Bedingungen war vernachlässigbar, so dass Ethylen ebenfalls ausgeschlossen werden konnte. β-Pinen, welches in Fichtennadeln und -wurzeln vorkommt und eine sehr hohe inhibitorische Wirkung auf die Methanoxidation zeigt, inhibierte die Oxidation von Methan in Bodenaufschlämmungen des Steigerwalds vollständig bei einer Konzentration, die dem Fünffachen der in situ Konzentration entsprach. Die von Fichten freigesetzten Monoterpene können die verminderte Methanaufnahme in Fichtenwaldböden erklären. Der Einfluss der Baumart auf die Zusammensetzung der methanotrophen Lebensgemeinschaft wurde durch vergleichende Analyse der Gene der partikulären Methanmonooxygenase (pmoA) untersucht. Von den insgesamt 366 analysierten pmoA-Genen waren 82% Upland Soil Cluster alpha (USCα) zuzuordnen, dem global am häufigsten detektierten pmoA-Genotyp in Waldböden. Durch Vergleich der PmoA-Sequenzen mit den entsprechenden 16S rRNA-Gensequenzen bekannter methanotropher Isolate wurde ein distanzbasierter „Cut-off“ von 7% auf Proteinebene zur Differenzierung methanotropher OTUs auf Artenebene kalkuliert. Unter Anwendung dieses „Cut-offs“ konnten in Buchenwaldböden sieben OTUs innerhalb von USCα unterschieden werden. Außerdem wurden zwei tiefabzweigende Genotypen (Cluster 6 und Cluster 7) detektiert, die nur entfernt verwandt zu bekannten PmoA-/AmoA-Sequenzen waren. In Fichtenwaldböden waren dagegen nur vier USCα-OTUs sowie Cluster 6 detektierbar. Die erniedrigte Diversität Methanotropher in Fichtenwaldböden wurde durch statistische Analysen bestätigt. Genfragmente von mmoX und der pmoA von methanotrophen Verrucomicrobia wurden nicht detektiert. amoA-Gene mit hoher Verwandtschaft zur amoA von Nitrosospira briensis wurden gelegentlich kodetektiert. Die Abundanz der pmoA-Gene von USCα, der Anteil von USCα an der bakteriellen Gemeinschaft sowie die zellspezifische Aktivität von USCα waren in Böden unter Fichte niedriger als unter Buche. Die ermittelten Werte für die zellspezifische Aktivität von USCα lagen unterhalb des theoretischen Mindestwerts, der für das Überleben einer methanotrophen Zelle bei Oxidation von atmosphärischem Methan notwendig ist. Dies lässt vermuten, dass USCα neben atmosphärischem Methan auf alternative Kohlenstoff- und Energiequellen angewiesen sein könnte. Zusammenfassend lassen die Ergebnisse dieser Disseration den Schluss zu, dass von Fichten freigesetzte Monoterpene die Aktivität, Diversität und Abundanz atmosphärischer Methanoxidierer reduzieren und so die atmospherische Methanaufnahme von Fichtenwaldböden verringern. Daniela Degelmann doctoralthesis http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/599 Tue, 11 Jan 2011 11:57:51 +0100 http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/592 Höher entwickelte Pflanzen enthalten eine Superfamilie von non-Häm Oxygenasen, deren Mitglieder über identische, konservierte Rieske- und mononukleare Fe-Bindungsdomänen verfügen. Diese Familie umfasst Tic55, PAO, CAO, CMO und ein 52 kDa schweres Protein (PTC52), welches in Assoziation mit dem Präkursor NADPH:Protochlorophyllid (Pchlid) Oxidoreduktase A (pPORA) Translocon vorliegt. Die Expression von AtCAO cDNA in Synechocystis, welches kein CAO-Gen enthält, führte zur Bildung von Chlorophyll b (Chl b) und geringen Mengen an Pchlid b. Pulse labeling Experimente mit dem isolierten PTC-Komplex und dem Pchlid Präkursor 5-Aminolävulinsäure (5-ALA) zeigten, dass PTC52 als Pchlid a Oxygenase agiert. Die gekoppelte in vitro Transkription/Translation von Arabidopsis CAO (AtCAO) bzw. PTC52 (AtPTC52) cDNAs führte zur Bildung von katalytisch aktiven Proteinen, wobei CAO Chlid a in Chlid b umwandelte, wohingegen PTC52 die Umwandlung von Pchlid a zu Pchlid b katalysierte. In Kotyledonen von Gerste und Arabidopsis ist der Import von pPORA von Pchlid abhängig. Während der Membran-Passage interagiert pPORA mit Komponenten des PTC-Komplexes und bildet dabei sog. „junction“-Komplexe zwischen äußerer und innerer Plastidenhülle. CAO wird als größeres Präkursor-Protein synthetisiert, über den Standard-Import-Komplex in den Intermembran-Raum importiert und liegt in seiner prozessierten Form als intrinsisches Protein der Thylakoid-Membranen bzw. der inneren Plastidenhülle vor, wo es mit Tic40, Tic22 und Tic20 interagiert und einen neuen Tic-Subkomplex bildet. Weitere Analysen mit Chloroplasten der Chlorina Mutanten ch1-3 (kein funktionelles CAO-Gen; keine Akkumulation von Chl b bzw. LHC-Proteinen) zeigten keinen Import von pLhcb1 (= Präkursor des LHCII-Apoproteins) bzw. pLhcb4 (= Präkursor des CP29-Apoproteins). PTC52 wird als größeres, ca. 57 kDa schweres Vorstufenprotein synthetisiert, in Chloroplasten importiert und zur endgültigen Größe prozessiert. Das reife, 52 kDa schwere Protein wurde als intrinsisches Membranprotein der inneren Plastidenhülle identifiziert, wo es mit PTC130, PTC90, PTC16/Oep16 und PTC33/Toc33 interagiert und einen funktionellen Protein-Import-Komplex (PTC-Komplex) bildet. Während des substratabhängigen Imports von pPORA katalysiert PTC52 die Oxygenierung von Pchlid a zu Pchlid b. DEPC agiert, indem es konservierte His-Reste im Rieske-Fe-S-Cluster ethoxyformyliert. Während bei geringen DEPC-Konzentrationen allein der Import von pPORA inhibiert war, war dieser in Anwesenheit von 1 mM DEPC nicht nachweisbar, wohingegen die Translokation von Tic55-Import-Substraten um ca. 10 % verringert war. Dies bestätigte die Beteiligung der His-Reste am katalytischen Mechanismus von PTC52 und Teil des PTC-Komplexes. Anhand von zwei PTC52-knockout-Linien (SALK_011945 und SAIL_148.HC5) wurde gezeigt, dass loss-of-function-Mutationen im Arabidopsis PTC52-Gen zu einem embryoletalen Phänotyp führten, so dass heterozygote AtPTC52/Atptc52-Pflanzen zur Analyse der Bedeutung von PTC52 in planta herangezogen wurden. Diese Keimlinge waren empfindlicher gegenüber einer Belichtung, was durch die geringeren Mengen an „light-harvesting“ POR-Pchlid (LHPP) – Komplexen im Prolamellarkörper der Etioplasten erklärbar war. Durch Pigmentanalysen konnte sowohl Pchlid a als auch Pchlid b in Wildtyp-Keimlingen identifiziert werden, wobei deren relative Anteile in AtPTC52/Atptc52-Pflanzen in Richtung Pchlid a verschoben waren. Zusätzlich waren ein Rückgang der Chl-Akkumulation, ein verändertes Chl b/Chl a-Verhältnis und eine Verringerung der LHCII-Mengen während des frühen Ergrünens erkennbar. Mittels Affinitätschromatographie wurden Tic55, PTC52 und PAO als Thioredoxin (Trx)-Targets in der inneren Plastidenhülle identifiziert. Abgesehen von konservierten Rieske- und [2Fe-2S]-Clustern weisen diese Proteine ein CxxC-Motiv auf. Aktivitätsmessungen in An- bzw. Abwesenheit von stromalem Trx f bzw. Trx m lassen darauf schließen, dass PTC52 und PAO aus Gerste reversiblen Oxidations/Reduktionsvorgängen, vermittelt durch redox-aktive SH-Gruppen, unterliegen, wobei die reduzierte Form eine höhere Aktivität aufweist. Um zu verifizieren, ob Trx die Aktivität von Tic55, PTC52 und PAO als Reaktion auf die Licht-Dunkel-Regulation und/oder oxidativen Stress regulieren könnte, verglichen wir die In-Vitro-Import-Kapazitäten der verschiedenen Import-Komplexe in tigrina d12 – Chloroplasten, die aus Pflanzen stammten, die entweder unter kontinuierlichem Weiß-Licht angezogen oder vor der Plastiden-Isolierung verdunkelt bzw. einem Dunkel-Licht-Shift unterworfen worden waren. Tic55, PTC52 und PAO reagierten sensitiv gegenüber einer oxidativen Kontrolle und waren in wiederbelichteten tigrina d12 – Pflanzen inaktiv. In CAO ist kein CxxC-Motiv vorhanden, so dass CAO weder auf das Thioredoxin-System noch auf oxidativen Stress reagiert. Sandra Bartsch doctoralthesis http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/592 Fri, 26 Nov 2010 11:46:56 +0100 http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/588 Sister chromatids are embraced and held together by a ring-shaped multiprotein complex called cohesin, from the time of their generation in S-phase until their separation in M-phase. Shugoshins protect centromeric cohesin from premature dissociation and, hence, are important regulators of genome stability. This work demonstrates that hSgo2, one of the two shugoshins in humans, first binds to kinetochores in prophase, then localizes to centromeres in prometaphase before finally traveling back to kinetochores in metaphase. It is further shown that (1) chromatin binding requires the C-terminus of hSgo2, (2) the catalytic activity of the aurora B kinase is essential to focus hSgo2 at centromeres, and (3) attachment of microtubules to kinetochores is not only necessary for the metaphase-specific re-localization of hSgo2 but also sufficient; pulling forces are not required. These newly discovered regulations allow to formulate a mechanistic model that explains shugoshin’s dynamic subcellular localization. An existing conflict in the literature concerns the relative importance of mammalian Sgo1 and Sgo2 in mitosis. Cell biological analyses now demonstrate unambiguously that, contrary to earlier claims, hSgo2 is dispensable for several aspects of mitotic cell divisions. Thus, shugoshin functions are strictly separated, being fulfilled by hSgo1 in mitosis and by hSgo2 in meiosis. Initially, it was unclear how shugoshins exert their cohesin protective function at the molecular level. Using a biochemical approach, protein phosphatase 2A (PP2A) was identified as a prominent interactor of shugoshins in this thesis. Shortly thereafter, it was reported that shugoshins protect cohesin by mediating PP2A-dependent dephosphorylation. Nevertheless, it is shown here for the first time that hSgo2 binds PP2A via its N-terminus. A Sgo2 point mutant deficient in PP2A binding is created and characterized by cell biological experiments. Importantly, biochemical assays demonstrate that hSgo2 greatly stimulates PP2A’s enzymatic activity. Shugoshin function therefore extends beyond simple provision of a linkage between cohesin and PP2A. Mitosis and meiosis are chiefly controlled by the spindle assembly checkpoint (SAC), which allows anaphase to take place only after all chromosomes have become properly attached to the mitotic spindle. Central to SAC signaling, kinetochore bound Mad1-Mad2 complex catalyzes a conformational switch of soluble Mad2, thereby allowing its inhibitory binding to the downstream effector protein Cdc20. SAC-dependent inhibition of anaphase correlates well in timing with shugoshin-dependent protection of cohesin. Here, Mad2 is identified as another novel interactor of hSgo2. Precise mapping reveal a conserved Mad2 interaction motif (MIM) in hSgo2, which is shared by the known Mad2 interactors Mad1 and Cdc20. In fact, several lines of evidence show that the Sgo2-Mad2 complex is structurally very similar to the Mad1-Mad2 and the Cdc20-Mad2 complexes. These biochemical studies challenge the current “one source (kinetochore bound Mad1) – one target (Cdc20)” dogma in the field of SAC research. Mad2 binding is conserved in the only Xenopus laevis shugoshin, xSgo1, indicating an important function of this interaction during vertebrate meiosis. Bernd Mayer doctoralthesis http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/588 Mon, 18 Oct 2010 08:09:12 +0200 http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/582 Die Morphologie und die Dynamik von Mitochondrien spielen eine wichtige Rolle bei der Funktion und Vererbung dieser Organellen. Zum besseren Verständnis der beteiligten Prozesse müssen alle dazugehörigen Komponenten identifiziert und charakterisiert werden. Die Erforschung von zwei Proteinen, Mdm35 und Mdm36, die die mitochondriale Morphologie und Verteilung beeinflussen, und ihre mögliche Eingliederung in den Morphogenesapparat der Mitochondrien war Gegenstand dieser Arbeit. Der erste Teilabschnitt der Arbeit beschäftigte sich mit der Charakterisierung und Ermittlung der Funktion von Mdm36 in der Gestaltgebung von Mitochondrien. Die Dynamik der Mitochondrien wird maßgeblich von den beiden antagonistischen Prozessen Fusion und Teilung bestimmt. Dnm1, eine Dynamin-verwandte GTPase, stellt die Schlüsselkomponente der mitochondrialen Teilung in Hefe dar, die in Zusammenarbeit mit weiteren Komponenten agiert. Teilungsmutanten besitzen netzartige Mitochondrien, die aufgrund der gestörten Teilung bei fortlaufender Fusion entstehen. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass Deletionsmutanten von MDM36 stark verzweigte mitochondriale Netzwerke aufweisen, die denen der Teilungsmutanten sehr ähneln. Doppeldeletionsstudien mit den Fusionskomponenten Fzo1 und Mdm30 lassen annehmen, dass Mdm36 der Fusion entgegengesetzt wirkt. Außerdem ist in delta-mdm36-Mutanten die durch die Depolymerisation des Aktinzytoskeletts induzierte mitochondriale Teilung blockiert und die Anzahl an teilungsaktiven Dnm1-Komplexen reduziert. Das Zellkortex-assoziierte Protein Num1 interagiert mit mitochondrial assembliertem Dnm1 und fördert über die dadurch geschaffene Verankerung der Mitochondrien am Zellkortex die mitochondriale Teilung. Der mitochondriale Phänotyp der delta-mdm36-Mutanten und delta-num1-Mutanten ist fast identisch. Beide Mutanten besitzen netzähnliche, kompakte Mitochondrien, die wenig Nähe zur Zellperipherie aufweisen und hoch dynamisch sind. Durch die Abwesenheit von Mdm36 wird die Kolokalisation von Dnm1 und Num1 aufgehoben. Diese Ergebnisse liefern weitere Einblicke in die mitochondriale Teilungsmaschinerie und legen ein Modell nahe, in dem Mdm36 für die Bildung des Num1/Dnm1-Komplexes und folglich für die Verankerung der Mitochondrien am Zellkortex benötigt wird. Über diesen wird dann die notwendige Spannung entlang des Mitochondrientubulus für die Dnm1-abhängige Teilung erzeugt. Im zweiten Teilabschnitt der vorliegenden Arbeit wurde zunächst die mitochondriale Morphologie der Mutanten der kürzlich identifizierten Twin Cx9C-Protein-Familie analysiert. Anschließend wurde das dabei und durch eine vorhergehende systematische Durchmusterung einer Hefedeletionsstammsammlung auffällig gewordene Protein Mdm35 näher untersucht. Mdm35 ist ein mitochondriales Protein des Intermembranraums, dessen Deletionsmutante zum Großteil sphärische Mitochondrien besitzt und einen Wachstumsdefekt bedingt durch den Verlust von mitochondrialer DNA aufweist. Die Mitochondrien und das instabile mitochondriale Genom der delta-mdm35-Mutante zeigen Ähnlichkeiten zu Zellen auf, denen entweder die mitochondrialen Innenmembranproteine Mdm31 bzw. Mdm32 fehlen, oder die mitochondrialen Außenmembranproteine Mmm2, Mdm10, Mdm12 bzw. das integrale Membranprotein des Endoplasmatischen Retikulums Mmm1. Die gleichzeitige Deletion von MDM35 und MDM31 bzw. MDM32 ist synthetisch letal, was ein Hinweis darauf ist, dass die Proteine an demselben zellulären Prozess beteiligt sind. Für die Deletion von MDM31 und MDM32 konnte bereits eine synthetische Letalität mit MMM1, MMM2, MDM10 und MDM12 gezeigt werden. Mmm1, Mmm2, Mdm10 und Mdm12 bilden einen Komplex aus, der eine Bindung zwischen dem Endoplasmatischen Retikulum und den Mitochondrien herstellt und vermutlich für den Austausch von Calcium und Phospholipiden zuständig ist. Dieser Komplex befindet sich außerdem in Nachbarschaft aktiv replizierender mitochondrialer DNA. Die erhaltenen Ergebnisse deuten darauf hin, dass Mdm35 möglicherweise als Protein des Intermembranraums eine Funktion bei der Vermittlung zwischen dem Mmm1/Mmm2/Mdm10/Mdm12-Proteinkomplex und den Innenmembranproteinen Mdm31/Mdm32 besitzt und so ein koordiniertes mitochondriales Wachstum ermöglicht durch Kopplung der Replikation des mitochondrialen Genoms und der Aufrechterhaltung der mitochondrialen Membranen über den Lipidtransport. Miriam Hammermeister doctoralthesis http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/582 Fri, 01 Oct 2010 09:32:33 +0200 http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/577 Information communication technology (ICT) nowadays provides innovative learning systems which although routinely available needs adjustment to real educational environments. Due to the complexity of the task an appropriate integration into everyday classrooms is an important global research challenges focusing on its utilization and effects in both, classroom and non-classroom settings. By rigorous collecting data on teaching methods, classroom characteristics and students learning effects needs analysis by concentrating on selected variables that may determine effectiveness as well as teachers characteristics such as teacherspreparation and professional development. Therefore, the aim of the four presented research papers focuses on envision the science classroom of the future, by constructing a framework for improving current educational practices and learning processes in science and mathematics through the effective implementation of advanced technological tools and applications. Overall this work presents a vision for the science classroom of the future: It will not be an island, a self-contained campus, a counter-world. The classroom of the future will be able to emit and absorb along different wavelengths, be immersed in contemporary culture, be open to the emotions, facts and news of its time. It will be permeated by society, but not unprotected: the relationship between school and society will be one of osmosis, where the pedagogical tools and applications act as a membrane and interface. For this purpose, four empirical studies were carried out in real school environments, based on the use of advanced educational systems. (i) The first system under study is the COSMOS Portal, which is an educational repository that offers access to a network of robotic telescopes across the world. At the same time it offers access to more than 85,000 educational resources. The behaviour of the teachers who are using this system was mapped through the log files of the system database for a period of one year. (ii) The second system, called Lab of Tomorrow, is a wearable device that allows high school students to use their every day life as the field where they will conduct sophisticated experiments and thus will deepen their understanding of the science concepts involved in the activities. The impact of the system on students learning and to the lesson profile was studied for a period of one school year. (iii) The third system, called CONNECT, is also a wearable device that includes an advanced visualization system that augments additional information to the optical view of the user. The system is used in the framework of educational visits in science centres and museums enriching the experiences of the visitors. The effectiveness of the system in supporting the students conceptual change was studied in this case. (iv) The fourth system, called EXPLOAR, evolved from the described CONNECT system to a much more user-friendly handheld device. Taking into account the school curriculum we have designed a series of scenarios of use of these tools. The scenarios of use include classroom activities, field trips in science centres and museums, informal learning activities, professional development opportunities and community building. In all four studies, students cognitive learning is analysed as well as selected teachers tasks on the job. By applying different assessment methods and tools (questionnaires, video captures of lessons, log files and web based data) we monitored the implementation procedure across different European countries. Our working hypothesis is that amending the traditional scientific methodology for experi¬mentation with visualization applications and model building tools will help students to articulate their mental models, make better predictions, and reflect more effectively. Additionally, working to reconcile the gaps and inconsistencies within their mental models, system models, predictions and results, will provide the learners with a powerful, explicit representation of their misconceptions and a means to repair them. Additionally our aim is to support teachers professional development. Apart from the purely technical training, in order for teachers to introduce ICT-enhanced learning methods into their everyday practice, they will have to perform a change in behaviour and to adapt a new culture and philosophy. The use of the new tools asks for systematic and detailed lesson planning procedures and use of student centred approaches. In our work we are demonstrating methods for involving teachers in this process but also tools to monitor this behavioural change. Sofoklis A. Sotiriou doctoralthesis http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/577 Wed, 15 Sep 2010 09:11:02 +0200 http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/574 Data that describe organisms in a structured form are indispensable not only for taxonomic and identification purposes, but also many phylogenetic, genetic, or ecological analyses. By analyzing existing information models and performing selected fundamental requirement analyses, the present work contributes to a broadening of the understanding of these forms of data. It falls into an interdisciplinary area between biology and information science. The term “descriptive data” is understood here in a broad sense: As descriptions of individuals, populations, or taxa, intended for various purposes (e. g., genetic, phylogenetic, diagnostic, taxonomic, or ecological), and covering a wide array of observation methods and data types (e. g., morphological, anatomical, genetic, physiological, molecular, or behavioral data). The position of descriptive data in the context of biodiversity framework concepts (covering, e. g., nomenclatural data, specimen collection data, or resource management) is discussed. A number of fundamental problems arise when modeling biological descriptive data. The ways in which existing data exchange formats, information models, and software applications address them are studied and future possible solutions are outlined. One such solution, the information model for the software “DiversityDescriptions (DeltaAccess)” is one of the results of this thesis and fully documented (Ch. 7). This entity relationship model fully supports the concepts of the traditional DELTA data exchange format (Description Language for Taxonomy; TDWG standard since 1986). If further improves on DELTA by introducing “modifiers” as a new terminology class, by introducing a more flexible system of handling statistical measures, by improving the handling of multilingual data sets, by supporting subset and filter features for concurrent collaborative editing (instead of supporting these for report-generation purposes alone), by supporting improved character attributes to create natural language descriptions from structured descriptions, and by adding metadata for a data set to improve the ability of data exchange without external documentation. In preparation of a future improved information model for descriptive data, the results of three requirement analyses are presented: a data-centric analysis of general concepts, a process-centric analysis of identification tools, and a high-level use case analysis. The first analysis (Ch. 4) is a structured inventory of fundamental approaches and problems involved in collecting and summarizing scientific descriptions of organisms. It is informed in part by current practices in information science, comparative data analysis, statistical, descriptive or phylogenetic software applications, and data exchange formats in biodiversity informatics. At the end three topics are discussed in particular detail (“Federation and modularization of terminology”, “Modifiers”, and “Secondary classification resulting in description scopes”). Except for phylogenetic analyses, identification is the most common usage of descriptive data. The second analysis (Ch. 5) therefore studies the processes, data structures, presentational and user interface requirements for printable and computer-aided identification tools (“keys”). Finally, a general use case analysis is performed with the goal of creating a framework of high-level use cases into which present as well as future requirements may be integrated (Ch. 6). All three requirement analyses are explorative and do not fulfill formal criteria of software engineering. They identify many requirements not addressed by the relational DiversityDescriptions model. Some of these could only be explored and await future solutions. For others solutions are proposed (some of which could already be incorporated into the design of SDD, an xml-based TDWG standard since 2005): The traditional data types are changed into an extensible character type model. The importance of data aggregation concepts was recognized to be fundamental. Complementary to data aggregation, the present and potentially future use of data inheritance along the lines of the taxonomic hierarchy is briefly studied. The concept of calculated characters could be addressed only insofar as the mapping between values can potentially be generalized. Character decomposition models are studied, but ultimately the traditional character concept, supplemented with a forest of ontologies for compositional and generalization concept hierarchies, is preferred as a more general concept. Both the traditional character subset and character applicability models can be integrated into concept hierarchies. Gregor Hagedorn doctoralthesis http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/574 Fri, 03 Sep 2010 11:20:58 +0200 http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/569 Die humanen Elongationsfaktoren negative elongation factor (NELF) und 5,6-dichloro-1-beta-D-ribofuranosylbenzimidazole (DRB) sensitivity inducing factor (DSIF) sind Schlüsselfaktoren beim promotorproximalen Arretieren in der frühen Elongationsphase der Transkription. Dabei interagieren beide Faktoren direkt mit RNA-Polymerase II. NELF bindet über die RNA recognition motif (RRM)-Domäne der Untereinheit E zusätzlich an die naszierende RNA. Eine derartige Transkriptionsblockade tritt auch während der Transkription des Genoms des humanen Immunschwächevirus 1 (HIV-1) Provirus auf. NELF bindet hierbei an die Haarnadel-Struktur der naszierenden RNA (HIV-1 TAR RNA). Ein Ziel dieser Arbeit war die strukturelle Analyse der RRM-Domäne von NELF E sowie die Untersuchung einer möglichen sequenzspezifischen Bindung von NELF E RRM an HIV-1 TAR RNA. Außerdem galt es, die Struktur der kleinen Untereinheit von DSIF, hSpt4, zu bestimmen und ihre Interaktion mit der NGN-Domäne der großen DSIF-Untereinheit hSpt5 näher zu charakterisieren. Die Struktur der RRM-Domäne von NELF E wurde mittels magnetischer Kernresonanz (NMR) bestimmt (PDB: 2BZ2) und besteht aus einem viersträngigen Faltblatt mit zwei alpha-Helices, die gegen eine Seite des Faltblattes packen. An der RNA-Bindung sind die zentralen beta-Stränge mit den beiden aromatischen Resten Tyr43 und Phe77 aus dem Konsensussequenzmotiv ribonucleoprotein domain 2 (RNP2) bzw. RNP1 involviert. Der in der freien Form unstrukturierte C-Terminus der RRM bildet in der gebundenen Form (PDB: 2JX2) eine 3-10-Helix aus, die höchstwahrscheinlich direkt an der RNA-Bindung beteiligt ist. RRM-Domänen gelten als klassische einzelstrangbindende Domänen. Die prognostizierte Bindestelle von NELF E ist jedoch die doppelsträngige HIV-1 TAR RNA Stammregion. Die durchgeführten 15N-NMR-Titrationsexperimente und Fluoreszenzgleichgewichtstitrationen mit die HIV-1 TAR RNA umfassenden RNA Oligonukleotiden zeigten, dass NELF E RRM präferentiell einzelsträngige RNA bindet. Die ermittelten KD-Werte lagen dabei alle im niederen mikromolekularen Bereich. NELF E RRM zeigt somit im Vergleich zu anderen RRM-Domänen eine schwächere Affinität für RNA. Eine sequenzspezifische Bindung an die HIV-1 TAR RNA konnte, auch in Versuchen mit der gesamten NELF E Untereinheit, nicht beobachtet werden. Vieles deutet somit darauf hin, dass RNA-Bindung durch NELF E sequenzunabhängig stattfindet. Der Zeitpunkt der RNA-Bindung während der Elongation der Transkription wird womöglich durch andere Faktoren bzw. Ereignisse gesteuert. NELF übt seine inhibitorische Wirkung nur im Zusammenspiel mit dem Elongationsfaktor DSIF aus, über den es nur wenig strukturelle Informationen gibt. Die Koexpression von hSpt4 mit der NusG N-terminalen Homologie Domäne von hSpt5 (hSpt5-NGN) als dessen Interaktionspartner ermöglichte die Bestimmung der Kristallstruktur von hSpt4/hSpt5-NGN bis zu einer Auflösung von 1.55 Å (PDB: 3H7H). hSpt5-NGN besteht aus einem zentralen, viersträngigen Faltblatt und aus einzelnen Helices, die von beiden Seiten gegen das Faltblatt packen. hSpt4 verfügt über ein zwei- und ein dreisträngiges Faltblatt, die senkrecht zueinander angeordnet sind und sich auf der Interaktionsfläche zugewandten Seite befinden. Zusätzliche helikale Elemente werden durch den ausgebildeten Zinkfinger fixiert. Die Komplexstruktur ist von einem zentralen sechssträngigen intermolekularen beta-Faltblatt geprägt. hSpt4/hSpt5-NGN zeigt sehr große Strukturähnlichkeit zur kürzlich publizierten homologen Komplexstruktur von Spt4/Spt5-NGN aus S. cerevisiae. Ein für die Bindung essentieller Glutamatrest (E338) von Spt5-NGN ist auch in hSpt5-NGN konserviert (E228). Der Komplex hSpt4/hSpt5-NGN(E228Q) konnte wegen der Unlöslichkeit von hSpt5-NGN(E228Q) nicht gereinigt werden. Dies deutet an, dass die Interaktion zwischen hSpt4 und hSpt5-NGN(E228Q) gestört ist. Somit ist E228 von hSpt5-NGN höchstwahrscheinlich ebenso essentiell für die Wechselwirkung mit hSpt4 wie im homologen Hefekomplex. hSpt5-NGN hat auch strukturelle Ähnlichkeiten zur N-terminalen Domäne (NTD) des bakteriellen Transkriptionsfaktors NusG. E. coli (Ec)NusG-NTD verfügt an der Position des Glutamatrestes über einen Glutaminrest (Q72). hSpt4-Bindung an EcNusG-NTD bzw. EcNusG-NTD(Q72E) wurde jedoch nicht beobachtet. Ein möglicher Grund dafür ist die unterschiedliche Ladungsverteilung an der hSpt4-Bindungsfläche. hSpt4 besitzt hingegen Ähnlichkeiten zum archaealen Transkriptionsfaktor RpoE‘‘. Überlagerung der Strukturen von hSpt4 und RpoE‘‘ aus P. furiosus (PDB: 1RYQ) zeigten, dass beide den Zinkfinger und die senkrecht zueinander angeordneten Faltblätter gemein haben. Strukturbestimmung sowie funktionelle Analyse von NELF E RRM und hSpt4/hSpt5-NGN repräsentieren somit einen weiteren Schritt auf dem Weg zur Entschlüsselung der komplexen zellulären Vorgänge während der eukaryontischen Transkription. Sabine Wenzel doctoralthesis http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/569 Fri, 06 Aug 2010 09:38:55 +0200 http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/556 This thesis investigates control of the release of digestive enzymes in the cricket Gryllus bimaculatus and the fall armyworm, Spodoptera frugiperda. 1. Control of enzyme release in the cricket G. bimaculatus. Using flat-sheet preparations of the caecum, digestive enzyme release was investigated. More trypsin, aminopeptidase and amylase are secreted in the caecum of fed crickets than in unfed crickets, but basal levels of certain enzymes are released continuously even in unfed animals. A variable ratio of nutrients in ingested food leads to a different ratio of digestive enzyme release, but a high nutrient component in the food does not necessarily induce a high digestive enzyme release for that component. Maltose and glucose elevate amylase release from the tissues into the incubation medium, but starch does not. Bovine serum albumin (BSA), peptone and a mixture of amino acids have almost no effect on the release of aminopeptidase, and only low concentrations of peptone increase trypsin release. In crickets, the continuous release of proteases is sufficient to meet the needs for growth, and only moderate stimulation of trypsin results from feeding. Carbohydrates are used for energy, and the release of amylase is adjusted to the amount of food ingested. The neuropeptide allatostatin Grybi-AS 5 elevates the release of amylase in fed females, but not of trypsin or aminopeptidase, however, both amylase and trypsin release are stimulated by AS 5 in unfed crickets. Fed crickets have sufficient trypsin to obtain needed amino acids, but unfed do not, therefore the AS stimulation of trypsin release in unfed crickets makes sense. 2. Control of enzyme release in the larvae of S. frugiperda. A flat-sheet preparation of the ventriculus was used to test the release of amylase, trypsin and aminopeptidase in response to specific nutrients in the food and to specific neuropeptides. The epithelial secretion rate of amylase and trypsin was about 20% of the amount of enzyme present in the ventricular lumen, which, considering the efficient counter-current recycling of enzymes, suggests that the secretion rate is adequate to replace egested enzymes. Dietary carbohydrates are used for energy, and larvae adjust amylase activity to carbohydrate ingestion. Amylase activity is 5-times higher in fed compared to unfed larvae, and sugars in the incubation medium induces more than a 300 % increase in amylase release. Plants contain a low level of protein, but larvae need proteins for growth, thus the larvae can not afford to lose proteins by egestion. Therefore, trypsin activity remains high even in unfed larvae. As a result, proteins and amino acids have little or no effect on trypsin or aminopeptidase release in incubated tissues. The control of enzymes release in response to food is most likely mediated through neurohormones. Indeed, an allatostatin (Spofr-AS A5) inhibits amylase and trypsin release, and allatotropin (Manse- AT) stimulates amylase and trypsin release. Spofr-AS A5 also inhibits ileum myoactivity and Manse- AT stimulates myoactivity. 3. Inhibition of enzyme release in the larvae of S. frugiperda. Exogenous inhibitors are produced by plants, and are ingested by the insect. Endogenous inhibitors are produced by the gut epithelial cells themselves. A dose-dependent inhibition of endogenous enzymes occur in the lumen after feeding L6 larvae with the exogenous serine protease inhibitor from soybean (SBTI), the specific trypsin inhibitor TLCK, an aminopeptidase inhibitor (bestatin), and an amylase inhibitor from wheat. Inhibition in tissue extracts is seen only with higher doses of SBTI and TLCK. Inhibition of enzyme release into the incubation medium is apparent only with very high doses of SBTI. Inhibition in the tissues and inhibition of release indicate a direct cellular response to an inhibitor present in the lumen. The elevation of aminopeptidase activity in response to ingested trypsin inhibitors indicates a cellular synthesis in response to the product of a digestive enzyme. The enzymes investigated are irreversibly inactivated by 10 min at 90°C, but the corresponding inhibitors are not, therefore endogenous inhibitors could be identified. Endogenous inhibitors are present in the ventricular cells and in the lumen. We suggest that the endogenous protease inhibitors may protect the epithelium by inactivation of the trypsin in underfed larvae. This is the first explanation of how insects are able to secrete an active trypsin. Digali Lwalaba doctoralthesis http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/556 Mon, 21 Jun 2010 15:02:12 +0200 http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/550 Die Transkription wird in den Zellen durch die RNA-Polymerasen (RNAP) katalysiert. Die bakterielle RNAP ist aus den zwei alpha, beta´, beta, omega-Untereinheiten aufgebaut. Das katalytische Zentrum wird durch die beta’- und beta-Untereinheit gebildet und sorgt für die Bildung der Phosphodiesterbindung. Die alpha- und omega-Untereinheiten sind für den korrekten Aufbau der RNAP verantwortlich, wobei Teile der alpha-Untereinheiten zusätzlich regulatorische Funktionen haben. Der Ablauf der Transkription ist in Initiation, Elongation und Termination unterteilt. Alle drei Phasen werden innerhalb der Zellen streng reguliert. Während der Elongation bewirkt die sogenannte Antitermination das Überlesen von Terminationssequenzen. Dieser zuerst beim Phagen Lambda identifizierte Mechanismus, beruht auf dem Aufbau eines Multi-Protein-Komplexes, bestehend aus den Escherichia coli (E. coli) Nus-Proteinen (A, B, E, G), der RNAP, der nut RNA-Sequenz und dem Lambda N-Protein. Die ribosomalen (rrn) Operons in E. coli werden durch intrinsische Antitermination reguliert. Fluoreszenz-Anisotropie-Messungen konnten zeigen, dass die Bildung des NusB:NusE Heterodimers und seine Bindung an die boxA der nut und rrn RNA-Sequenzen ein wichtiger Schritt im Aufbau des Antiterminationskomplexes ist. Für die sogenannte NusB101-Mutation, Asp118Asn, die den negativen Effekt von Mutationen in anderen Komponenten des Komplexes aufheben kann, konnte eine höhere Affinität zur Erkennungs-RNA gezeigt werden. Weitere Mutationen an dieser Position zeigten, dass die Aminosäureposition 118 zentral für die Stabilität der RNA-Bindung ist. Ein weiterer Bestandteil des Antiterminationskomplex ist das zwei Domänenprotein NusG, über dessen Interaktion innerhalb des Komplexes wenig bekannt war. Interaktionen für die beiden Domänen, die das NusG-Paralog RfaH konstituieren, sind in der Literatur beschrieben, wie es auch bei der Kristallisation von NusG aus Aquifex aeolicus gezeigt werden konnte. Für E. coli NusG konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass diese Interaktion konzentrationsabhängig, damit intermolekular, und sehr kurzlebig ist. Zusätzlich konnten Proteinbindungsflächen auf beiden Domänen bestimmt werden. Als Erkenntnis von zentraler Wichtigkeit und sehr weitreichenden Konsequenzen wurde in dieser Arbeit eine spezifische und strukturell sehr gut definierte Wechsel-wirkung der carboxy-terminalen Domäne von NusG mit NusE, das unter der Bezeichnung S10 auch ein Bestandteil der 30S Untereinheit des Ribosoms ist, identifiziert. Seit wenigen Wochen ist in der Literatur die Interaktion der amino-terminalen Domäne von NusG mit der RNA-Polymerase beschrieben. Die hier beobachtete Wechselwirkung der carboxy-terminalen Domäne von NusG mit NusE könnte damit zur Rekrutierung des NusB:NusE Heterodimers und zur Ausbildung eines kompakten Antiterminationskomplexes beitragen. Da NusE auch Teil des Ribosoms ist, stellt die NusG:NusE Interaktion möglicherweise die erste direkte molekulare Verbindung zwischen Transkription und Translation in Bakterien dar. Diese Kopplung von bakterieller Transkription und Translation ist ein sehr lange bekanntes, aber molekular nicht erklärtes Phänomen von außerordentlicher Bedeutung für die Überlebensfähigkeit von Bakterien. In ähnlicher Weise, wie das Lambda N-Protein, aber mit entgegengesetzter Wirkung – Termination statt Antitermination – bindet das Nun-Protein aus dem Phagen HongKong 022 an die boxB, eine Haarnadelschleife der nut Sequenz. Durch in vivo Studien wurde die Nun Tyr39Ala Mutante, die wichtige Hinweise für das Verständnis der Peptid-RNA-Interaktion lieferte, identifiziert. Durch diese Mutation ist eine ursprünglich als wichtig angesehene Wechselwirkung mit dem Adenosin 9 der boxB nicht mehr möglich. Molekulardynamikuntersuchungen zeigen deutliche Unter-schiede zur Lambda N:boxB Wechselwirkung auf, da die analoge Trp18:A9 Interaktion essentiell für prozessive Antitermination ist. Auf diese Weise lieferte diese Untersuchung wichtige Hinweise auf den molekularen Schaltmechanismus. Björn Burmann doctoralthesis http://opus4.kobv.de/opus4-ubbayreuth/frontdoor/index/index/docId/550 Wed, 05 May 2010 07:39:05 +0200