Tesi realitzada a l'Institut de Investigació Biomèdica de Bellvitge (IDIBELL) / Within the hematopoietic system, all mature blood cells are generated. Every differentiation step is characterized by the activation of a new, lineage specific, genetic program and the extinction of the previous one. To date, the contribution of transcription factors in positively regulating these distinct differentiation processes is well established. However, the mechanisms by which transcription factors mediate the gene transcriptional silencing is poorly understood. In this PhD project we tried to elucidate the molecular mechanisms by which histone deacetylases (HDACs) mediate gene transcriptional silencing in B lymphocyte Development. In particular, we decided to study the potential contribution of HDAC7 during B lymphopoiesis. To achieve our objective, we performed a biochemical-genome wide assay by using a highly efficient immune reprogramming system, followed by an in vivo approach by generating conditional knock-out mouse models. For the first objective, we have taken advantage of recently highly efficient cellular reprogramming system consisting of a pre-B cell line modified to express an estradiol induble form of C/EBPα allowing its conversion into functional macrophages (Bussmann, 2009). We demonstrated that among all class IIa HDACs, HDAC7 showed a lymphoid lineage specific expression pattern during transdifferentiation. Re-expression of HDAC7 interfered with the macrophage gene transcriptional program, by blocking the induction of key macrophage genes related to immune, inflammatory response and phagocytosis. HDAC7 interacted with MEF2C and is recruited to the promoters of macrophage genes, leading to their transcriptional repression. Finally, by generating conditional knock-out mice for a specific deletion of HDAC7 in the hematopoietic system, we demonstrated that HDAC7-deficient mice showed a highly relevant block in B cell development at pro-B cell stage. HDAC7 specifically interacted with MEF2C, resulting in the repression of non-lymphoid genes. The absence of HDAC7 resulted in a significant up-regulation of relevant genes related to important biological processes and macrophage functions, such as ubiquitination, cell cycle and signal transduction. In conclusion, we demonstrated that among class IIa HDACs, HDA7, through its interaction with other transcription factors, such as MEF2C, acts as a potential transcriptional repressor in B lymphocyte Biology by repressing lineage inappropriate genes. / El desarrollo de células B es el resultado de varios procesos de especificación, compromiso y diferenciación, cada uno de los cuales se caracterizan por la activación de un nuevo programa de transcripción génica y la extinción del anterior. Hasta la fecha, la regulación positiva durante el desarrollo de células B llevada a cabo por factores de transcripción específicos está bien establecida. Sin embargo, los mecanismos por los cuales los factores de transcripción median procesos de represión de genes inapropiados de otros linajes celulares para adquirir y mantenerla identidad celular son vagamente conocidos. El objetivo principal de este proyecto de tesis es investigar los mecanismos de represión transcripcional durante el desarrollo de linfocitos B. Las histonas desacetilasas (HDACs) de clase IIa han emergido como moduladores cruciales de la transcripción génica en numerosos procesos de desarrollo y diferenciación celular. De entre todas las enzimas que conforman esta familia, nos centramos en las clase IIa por dos razones fundamentales. En primer lugar, las HDACs de clase IIa se expresan de manera específica de tejido y están implicadas en numerosos procesos de diferenciación celular. En segundo lugar, las HDACs de esta sub‐familia contienen un dominio N‐terminal que media su interacción con factores de transcripción específicos de tejido (como miembros de la familia MEF2), mediando así su acción como co‐represores transcripcionales. Para lograr nuestro objetivo principal, hemos realizamos dos abordajes experimentales: una aproximación experimental in vitro mediante el uso de un sistema de reprogramación celular, y una aproximación in vivo mediante la generación de un modelo de ratón mutante para HDAC7. Para estudiar la contribución potencial de las HDACs de clase IIa en la reprogramación de células pre‐B a macrófagos, hemos utilizado un sistema de reprogramación celular que consiste en una línea de células B genéticamente modificadas que se transdiferencian en macrófagos funcionales tras la adición de β‐estradiol (Bussmann, 2009). Hemos demostrado que, a diferencia de las otras HDACs de clase IIa, HDAC7 presenta un patrón de expresión específico de linaje linfoide. Es importante destacar que la re‐expresión de HDAC7 interfiere con la adquisición el programa transcripcional de genes característicos de macrófagos, tales como genes relacionados con la respuesta inmunológica y la fagocitosis, y suprime funciones cruciales de los macrófagos, como la capacidad para fagocitar bacterias y la respuesta celular a endotoxinas. Desde un punto de vista mecanístico, HDAC7 interacciona con MEF2C y es reclutado a los promotores de genes de macrófagos, dando lugar a su represión transcripcional. Para estudiar el papel de HDAC7 durante el desarrollo de células B, hemos generado un modelo de ratón condicional para delecionar HDAC7 de manera específica en progenitores de células B (células por‐B). Nuestros resultados demuestran que los ratones deficientes en HDAC7 muestran un bloqueo significativo del desarrollo de células B en el estadio celular pro‐B, indicando que HDAC7 es un represor transcripcional esencial en la formación de linfocitos B. Desde un punto de vista mecanístico, HDAC7 es reclutada a sitos de unión para MEF2C localizados en los promotores de genes inapropiados de linaje en células pro‐B. También hemos demostrado que la ausencia de HDAC7 resulta en la activación de genes relevantes característicos de macrófagos y linfocitos T. En conclusión, hemos identificado HDAC7 como un nuevo regulador esencial en el desarrollo de linfocitos B.

[ES] La investigación en Biología de Sistemas se ha expandido en los últimos años. El análisis simultáneo de diferentes tipos de datos ómicos permite el estudio de las conexiones y relaciones entre los diferentes niveles de organización celular. La presente tesis doctoral tiene como objetivo desarrollar y aplicar estrategias de integración multiómica al campo de la biología de sistemas. El elevado coste de las tecnologías ómicas, dificulta que los laboratorios puedan abordar un estudio multiómico completo. No obstante, la gran disponibilidad de datos ómicos en repositorios públicos, permite el uso de estos datos ya generados. Desafortunadamente, la combinación de datos ómicos provenientes de diferentes orígenes, da lugar a la aparición de un ruido no deseado en los datos, el efecto lote. El efecto lote impide el correcto análisis conjunto de los datos y es necesario el uso de los llamados Algoritmos de Corrección de Efecto Lote para eliminarlo. En la actualidad, existe un gran número de éstos algoritmos que se basan en diferentes modelos estadísticos. Sin embargo, los métodos existentes no están pensados para los diseños multiómicos ya que solo permiten la corrección de un mismo tipo de ómica que debe haber sido medida en todos los lotes. Por ello desarrollamos la herramienta MultiBaC basada en la regresión PLS y modelos ANOVA-SCA, que permite la corrección del efecto lote en diseños multiómicos, permitiendo la corrección de datos que no hayan sido medidos en todos los lotes. En este trabajo, MultiBaC fué validado y evaluado en diferentes conjuntos de datos, además presentamos MultiBaC como paquete de R para facilitar su uso. La mayoría de métodos existentes de integración multiómica son métodos multivariantes basados en el análisis del espacio latente. Estos métodos se conocen como ``dirigidos por datos'', y se basan en la búsqueda de correlaciones para determinar las relaciones entre las variables. Estos métodos necesitan de gran cantidad de observaciones o muestras para poder encontrar correlaciones significativas. Lamentablemente, en el mundo de la biología molecular, los conjuntos de datos con un gran número de muestras no son muy habituales, debido al elevado coste de generación de los datos. Como alternativa a los métodos dirigidos por datos, algunas estrategias de integración multiómicas se basan en métodos ``dirigidos por modelos''. Estos métodos pueden ajustarse con un menor número de observaciones y son muy útiles para encontrar relaciones mecanísticas entre los componentes celulares. Los métodos dirigidos por modelos necesitan de una información a priori, el modelo, que normalmente es un modelo metabólico del organismo estudiado. Actualmente, sólo transcriptómica y metabolómica cuantitativa, han sido los dos tipos de dato ómico que se han integrado con éxito usando métodos dirigidos por modelos.Sin embargo, la metabolómica cuantitativa no está muy extendida y la mayoría de laboratorios generan metabolómica no cuantitativa, la cuál no puede integrarse con los métodos actuales. Para contribuir en esta cuestión, desarrollamos MAMBA, una herramienta de integración multiómica dirigida por modelos y basada en métodología de optimización matemática, que es capaz de analizar conjuntamente metabolómica no cuantitativa con otro tipo de ómica asociada a genes, como por ejemplo la trascriptómica. MAMBA fue comparado con otros métodos existentes en cuanto a la capacidad de predcción de metabolitos y fué aplicado al conjunto interno de datos multiómicos. Este conjunto de datos multiómicos fue generado dentro del proyecto PROMETEO, en el cuál está enmarcada esta tesis. MAMBA demostró capturar la biología conocida sobre nuestro diseño experimental, además de ser útil para derivar nuevas observaciones e hipótesis biológicas. En conjunto, esta tesis presenta herramientas útiles para el campo de la biología de sistemas, y que cubren tanto el preprocesado de datos multiómicos como su posterior análisis estadístico integrativo. / [CA] La investigació en Biologia de Sistemes s'ha expandit els darrers. L'anàlisi simultània de diferents tipus de dades òmiques permet l'estudi de les connexions i les relacions entre els diferents nivells d'organització cel·lular. Aquesta tesi doctoral té com a objectiu desenvolupar i aplicar estratègies dintegració multiòmica al camp de la biologia de sistemes. L'elevat cost de les tecnologies òmiques dificulta que els laboratoris puguin abordar un estudi multiòmic complet. Això no obstant, la gran disponibilitat de dades òmiques en repositoris públics permet l'ús d'aquestes dades ja generades. Malauradament, la combinació de dades òmiques provinents de diferents orígens, dóna lloc a l'aparició d'un soroll no desitjat en les dades, l'efecte lot. L'efecte lot impedeix la correcta anàlisi conjunta de les dades i cal utilitzar els anomenats algorismes de correcció d'Efecte lot per eliminar-lo. Actualment hi ha un gran nombre d'aquests algorismes que corregeixen l'efecte lot que es basen en diferents models estadístics. Tot i això, els mètodes existents no estan pensats per als dissenys multiòmics ja que només permeten la correcció d'un mateix tipus de dada òmica que ha d'haver estat mesurada en tots els lots. Per això desenvolupem la nostra eina MultiBaC basada en la regressió PLS i models ANOVA-SCA, que pot corregir l'efecte lot en dissenys multiòmics, permetent la correcció de dades que no hagin estat mesurades a tots els lots. En aquest treball, MultiBaC ha sigut validat i avaluat en diferents conjunts de dades, a més a més, presentem MultiBaC com a paquet de R per facilitar l'ús de la nostra eina. La majoria de mètodes d'integració multiòmica existents són mètodes multivariants basats en l'anàlisi de l'espai latent. Aquests mètodes es coneixen com a "dirigits per dades", i es basen en la cerca de correlacions per determinar les relacions entre les diferents variables. Els mètodes dirigits per dades necessiten gran quantitat d'observacions o mostres per poder trobar correlacions significatives entre les variables. Lamentablement, al món de la biologia molecular, els conjunts de dades amb un gran nombre de mostres no són molt habituals, degut a l'elevat cost de generació de les dades òmiques. Com a alternativa als mètodes dirigits per dades, algunes estratègies d'integració multiòmiques es basen en mètodes "dirigits per models". Aquests mètodes poden ajustar-se amb un nombre menor d'observacions i són molt útils per trobar relacions mecanístiques entre els components cel·lulars. Tot i això, els mètodes dirigits per models necessiten una informació a priori, el model, que normalment és un model metabòlic de l'organisme estudiat. Actualment, únicament transcriptòmica i metabolòmica quantitativa, han estat els dos tipus de dada òmica que s'han integrat amb èxit usant mètodes dirigits per models. No obstant això, la metabolòmica quantitativa no està gaire estesa i la majoria de laboratoris generen metabolòmica no quantitativa, les quals no es poden integrar amb els mètodes actuals. Per contribuir en aquesta qüestió, hem desenvolupat MAMBA, una eina d'integració multiòmica dirigida per models i basada en la metodologia d'optimització matemàtica, que és capaç d'analitzar conjuntament metabolòmica no quantitativa amb un altre tipus d'òmica associada a gens, com per exemple la trascriptòmica. MAMBA va ser comparat amb altres mètodes existents quant a la capacitat de predcció de metabòlits i va ser aplicat al conjunt intern de dades multiòmiques. Aquest conjunt de dades multiòmiques va ser generat dins del projecte PROMETEO, en el qual està emmarcada aquesta tesi. Es demostra que MAMBA capturar la biologia coneguda sobre el nostre disseny experimental, a més de ser útil per derivar noves observacions i hipòtesis biològiques. En conjunt, aquesta tesi presenta eines útils per al camp de la biologia de sistemes, i que cobreixen tant el preprocessament de dades multiòmiques com la seua posterior anàlisi estadística integrativa. / [EN] Systems Biology research has expanded over the last years together with the development of omic technologies. The combination and simultaneous analysis of different kind of omic data allows the study of the connections and relationships between different cellular layers. Indeed, multiomic integration strategies provides a key source of knowledge about the cell as a system. The present Ph.D. thesis aims to study, develop and apply multiomic integration approaches to the field of systems biology. The still high cost of omics technologies makes it difficult for most laboratories to afford a complete multiomic study. However, the wide availability of omic data in public repositories allows the use of these already generated data. Unfortunately, the combination of omic data from different sources provokes the appearance of unwanted noise in data, known as batch effect. Batch effect impairs the correct integrative analysis of the data. Therefore, the use of so-called Batch Effect Correction Algorithms is necessary. As of today, there is a large number of such algorithms based on different statistical models and methods that correct batch effect and are part of the data pre-processing steps. However, the existing methods are not intended for multi-omics designs as they only allow the correction of the same type of omic data that must be measured across all batches. For this reason, we developed MultiBaC algorithm, which removes batch effect in multiomic designs, allowing the correction of data that are not measured across all batches. MultiBaC is based on PLS regression and ANOVA-SCA models and was validated and evaluated on different datasets. We also present MultiBaC as an R package to facilitate the use of this tool. Most existing multiomic integration approaches are multivariate methods based on latent space analysis. These methods are known as data-driven as they are based on the search for correlations to determine the relationships between the different variables. Data-driven methods require a large number of observations or samples to find robust and/or significant correlations among features. Unfortunately, in the molecular biology field, data sets with a large number of samples are not very common, again due to the high cost of generating omic data. As an alternative to data-driven methods, some multiomic integration strategies are based on model-driven approaches. These methods can be fitted with a smaller number of observations and are very useful for finding mechanistic relationships between different cellular components. However, model-driven methods require a priori information, which is usually a metabolic model of the organism under study. Currently, only transcriptomics and quantitative metabolomics have been successfully integrated using model-driven methods. Nonetheless, quantitative metabolomics is not very widespread and most laboratories generate non-quantitative or semi-quantitative metabolomics, which cannot be integrated with current methods. To address this issue, we developed MAMBA, a model-driven multiomic integration method that relies on mathematical optimization problems and is able to jointly analyze non-quantitative or semi-quantitative metabolomics with other types of gene-centric omic data, such as transcriptomics. MAMBA was compared to other existing methods in terms of metabolite prediction accuracy and was applied to a multiomic dataset generated within the PROMETEO project, in which this thesis is framed. MAMBA proved to capture the known biology of our experimental design and was useful for deriving new findings and biological hypotheses. Altogether, this thesis presents useful tools for the field of systems biology, covering both the pre-processing of multiomic datasets and their subsequent statistical integrative analysis. / Ugidos Guerrero, M. (2023). Statistical Methods Development for the Multiomic Systems Biology [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/193031

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A mesoscale non-hydrostatic atmospheric model was extended by including both a chemical transport module (CTM) for the chemical triade NO, N02, and 0 3, and an explicit surface-subgrid module (ESSM) for a subscale resolution of the topographical surface. CTEM: The simulated time-dependent concentration fields result from the following processes involved: anthropogenic emission at different heights, biogenic emission, dry deposition on the receptive surface, chemical reactions, turbulent diffusion, and passive transport according to the model dynamics. The calculations in the lowest model layer, usually treated as a constant-flux layer, are now performed on a vertical subgrid that was inserted to better resolve the often observed high concentration gradients within the surface layer. ESSM: Moreover, an equidistant horizontal-subgrid is introduced for finer resolving the topography. The surface fluxes of momentum, sensible and latent heat, long-wave radiation, soil heat flux and wetness as well as the surf ace-energy balance are calculated in the usual approximations, however, employing the individual surface and soil properties of the subgrid cells. The averaged subgrid quantities serve as boundary values required for the model-grid calculations. Within the CTM the ESSM method leads to an intersection of the horizontal ESSM subgrid and the vertical CTM subgrid. Preliminary results representing an interim realization state of the ESSM demonstrate partially strong changes of the dry deposition rates caused by subgrid-resolved surface properties. / Ein mesoskaliges nicht-hydrostatisches Atmosphärenmodell ist um ein Chemie-TransportModul (CTM) zur Berücksichtigung der Triaden-Komponenten NO, N02 und 03 sowie um ein Verfahren zur verfeinerten Auflösung der topographischen Unterlage (explicit surface-subgrid modul ESSM) erweitert worden. CTM: Die simulierten zeitabhängigen Konzentrationsfelder sind das Resultat folgender modellierter Prozesse: Anthropogene Emission in verschiedenen Höhenschichten, biogene Emission, trockene Deposition (Rezeption), die speziellen chemischen Umwandlungen, turbulente Diffusion und passiver Transport. Da der Schwerpunkt der Prozesse und die höchsten Konzentrationsgradienten innerhalb der bodennahen ersten Modellschicht vorliegen, werden die Berechnungen in dieser Schicht auf einem verfeinerten vertikalen Untergitter durchgeführt. ESSM: Unabhängig von den Eigenheiten des CTM wird für alle untergrundbezogenen meteorologischen Größen ein regelmäßiges horizontales Untergitter zwecks Berücksichtigung des subskalig aufgelösten topographischen Untergrundes eingeführt. Auf diesem Untergitter werden in den bisherigen Näherungen alle Oberflächenflüsse für Impuls, fühlbare und latente Wärme, langwellige Strahlung, der Bodenwärmefluß, die Bodenfeuchte sowie die Energiebilanz am Boden berechnet. Die über die Untergitterzellen gemittelten Werte dienen den weiteren Berechnungen im normalen Modellgitter als die erforderlichen Randwerte. Innerhalb des CTM führt die ESSM-Methode zu einer Überlagerung des vertikalen CTM-Untergitters mit dem horizontalen Untergitter des ESSM. Erste Simulationsergebnisse, die dem derzeitigen Stand in der Realisierung des ESSM entsprechen, erbringen teilweise stark veränderte Depositionsraten infolge der Berücksichtigung der horizontal feiner aufgelösten Topographie.

A mesoscale non-hydrostatic atmospheric model was extended by including both a chemical transport module (CTM) for the chemical triade NO, N02, and 0 3, and an explicit surface-subgrid module (ESSM) for a subscale resolution of the topographical surface. CTEM: The simulated time-dependent concentration fields result from the following processes involved: anthropogenic emission at different heights, biogenic emission, dry deposition on the receptive surface, chemical reactions, turbulent diffusion, and passive transport according to the model dynamics. The calculations in the lowest model layer, usually treated as a constant-flux layer, are now performed on a vertical subgrid that was inserted to better resolve the often observed high concentration gradients within the surface layer. ESSM: Moreover, an equidistant horizontal-subgrid is introduced for finer resolving the topography. The surface fluxes of momentum, sensible and latent heat, long-wave radiation, soil heat flux and wetness as well as the surf ace-energy balance are calculated in the usual approximations, however, employing the individual surface and soil properties of the subgrid cells. The averaged subgrid quantities serve as boundary values required for the model-grid calculations. Within the CTM the ESSM method leads to an intersection of the horizontal ESSM subgrid and the vertical CTM subgrid. Preliminary results representing an interim realization state of the ESSM demonstrate partially strong changes of the dry deposition rates caused by subgrid-resolved surface properties. / Ein mesoskaliges nicht-hydrostatisches Atmosphärenmodell ist um ein Chemie-TransportModul (CTM) zur Berücksichtigung der Triaden-Komponenten NO, N02 und 03 sowie um ein Verfahren zur verfeinerten Auflösung der topographischen Unterlage (explicit surface-subgrid modul ESSM) erweitert worden. CTM: Die simulierten zeitabhängigen Konzentrationsfelder sind das Resultat folgender modellierter Prozesse: Anthropogene Emission in verschiedenen Höhenschichten, biogene Emission, trockene Deposition (Rezeption), die speziellen chemischen Umwandlungen, turbulente Diffusion und passiver Transport. Da der Schwerpunkt der Prozesse und die höchsten Konzentrationsgradienten innerhalb der bodennahen ersten Modellschicht vorliegen, werden die Berechnungen in dieser Schicht auf einem verfeinerten vertikalen Untergitter durchgeführt. ESSM: Unabhängig von den Eigenheiten des CTM wird für alle untergrundbezogenen meteorologischen Größen ein regelmäßiges horizontales Untergitter zwecks Berücksichtigung des subskalig aufgelösten topographischen Untergrundes eingeführt. Auf diesem Untergitter werden in den bisherigen Näherungen alle Oberflächenflüsse für Impuls, fühlbare und latente Wärme, langwellige Strahlung, der Bodenwärmefluß, die Bodenfeuchte sowie die Energiebilanz am Boden berechnet. Die über die Untergitterzellen gemittelten Werte dienen den weiteren Berechnungen im normalen Modellgitter als die erforderlichen Randwerte. Innerhalb des CTM führt die ESSM-Methode zu einer Überlagerung des vertikalen CTM-Untergitters mit dem horizontalen Untergitter des ESSM. Erste Simulationsergebnisse, die dem derzeitigen Stand in der Realisierung des ESSM entsprechen, erbringen teilweise stark veränderte Depositionsraten infolge der Berücksichtigung der horizontal feiner aufgelösten Topographie.

Das derzeitige Nahrungsmittelsystem und die individuellen Ernährungsgewohnheiten der Menschen sind mitverantwortlich für eine Vielzahl der globalen Umweltprobleme, wie dem Klimawandel, dem Biodiversitätsverlust und einem erhöhten Risiko für nicht übertragbare Krankheiten, wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Diabetes. Um die negativen Auswirkungen des Nahrungsmittelsystems zu verringern, ist eine Transformation hin zu nachhaltigeren Ernährungsweisen, inklusive einer Veränderung der individuellen Ernährungsgewohnheiten unabdingbar. Nachhaltige Ernährung hat somit eine Schlüsselfunktion, um die Sustainable Development Goals (SDGs) zu erreichen. Im Sinne der SDGs kann die notwendige Transformation durch eine Bildung für nachhaltige Entwicklung (BNE) in Schulen beschleunigt werden. Dazu gehört auch die Ausbildung von Biologielehrkräften zur Umsetzung von BNE in der Schule. Dabei eignet sich besonders das Thema nachhaltige Ernährung, um BNE im Biologieunterricht zu integrieren. Durch den Austausch und die Bewertung unterschiedlicher Perspektiven auf nachhaltige Ernährung bietet Biologieunterricht zum Thema die Möglichkeit, die Bewertungskompetenz der Schüler:innen zu fördern. Insbesondere Biologielehrkräfte nehmen somit eine Schlüsselrolle ein, um Lernende als zukünftige Akteure des Wandels auszubilden. Da nachhaltige Ernährung nicht explizit in den schulischen Biologielehrplänen verankert ist, liegt es auch in der Verantwortung der Lehrkräfte zu entscheiden, ob und wie sie das Thema unterrichten. Zu diesem Zweck ist es wichtig, angehende Biologielehrkräfte als Individuen mit persönlichen Überzeugungen und Verhaltensweisen in Bezug auf nachhaltige Ernährung zu analysieren. Die Analyse wird umso wichtiger, wenn man bedenkt, dass viele Schüler:innen ihre Lehrkräfte als Vorbilder für nachhaltige Verhaltensweisen ansehen. Dies birgt die Gefahr, dass Schüler:innen dazu neigen, die Überzeugungen und Verhaltensweisen ihrer Lehrkräfte in Bezug auf nachhaltige Ernährung zu übernehmen, ohne deren Überzeugungen angemessen zu bewerten. Wie der Titel "Eating, Teaching, Indoctrinating" bereits andeutet, zielt die vorliegende Dissertation vor dem Hintergrund des Indoktrinationsverbots in Deutschland darauf ab, einen Einblick in die persönlichen Ernährungsabsichten von angehenden Biologielehrkräften und ihrer Bereitschaft, nachhaltige Ernährung zu unterrichten zu geben. Daraus lassen sich Möglichkeiten für die Verankerung des Themas in der universitären Biologielehramtsausbildung ableiten, die möglicherweise auch die zukünftige Umsetzung von nachhaltiger Ernährung in der Schule fördern können. Jedes dieser drei Kernelemente der Dissertation verweist auf wesentliche Erkenntnisse aus den vier Studien. Eating. Die ersten beiden Fragebogenstudien (Studie 1: N = 155; MAlter = 21.2; SD = 1.95 und Studie 2: N = 270; MAlter = 22.9; SD = 2.8) untersuchten, wodurch die Intention von angehenden Biologielehrkräften, sich nachhaltig zu ernähren beeinflusst wird. Beide Studien basierten auf einem erweiterten Modell der Theorie des geplanten Verhaltens (TPB). Zusätzlich zu den sozial-psychologischen Faktoren der TPB, wurde auch die Mensch-Natur-Beziehung durch die Hinzunahme mehrerer Variablen untersucht. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Mensch-Natur-Beziehung ein Einflussfaktor für umweltfreundliches Verhalten ist, wozu auch eine nachhaltige Ernährung gezählt werden kann. Die Ergebnisse beider Studien zeigen, dass die Einstellungen über nachhaltige Ernährung, subjektive Normen und die wahrgenommene Verhaltenskontrolle die Intention, sich nachhaltig zu ernähren beeinflussen. Zudem konnten allgemeine Umweltbetroffenheit (Studie 1), altruistische Umweltbetroffenheit (Studie 2) und Naturverbundenheit (Studien 1 und 2) die Einstellungen gegenüber nachhaltiger Ernährung und die Intention, sich nachhaltig zu ernähren positiv voraussagen. Im Hinblick auf die Ausbildung von Biologielehrkräften regen beide Studien dazu an, die Bedeutung des eigenen nachhaltigen Ernährungsverhaltens von Biologielehramtsstudierenden und die zugrundeliegenden Determinanten für schulischen Biologieunterricht zum Thema zu untersuchen. Teaching. Basierend auf den Ergebnissen der ersten beiden Studien wurde im Rahmen von Studie 3 untersucht, inwiefern die persönliche Intention, sich nachhaltig zu ernähren, die Intention, das Thema nachhaltige Ernährung zukünftig zu unterrichten beeinflusst. Neben der Intention, sich nachhaltig zu ernähren, wurde auch der Einfluss der traditionellen TPB-Variablen untersucht. Darüber hinaus wurde die TPB um Wissen über nachhaltige Ernährung sowie vorherige universitäre Erfahrungen mit (B)NE oder nachhaltiger Ernährung erweitert. Die Ergebnisse der Online-Fragebogenstudie mit 621 angehenden Biologielehrkräften (MAlter = 23.3; SD = 3.9) zeigten erstmalig, dass angehende Biologielehrkräfte mit einer höheren Intention, sich nachhaltig zu ernähren, positivere Einstellungen gegenüber dem Unterrichten von nachhaltiger Ernährung, eine höhere Selbstwirksamkeit und eine höhere Intention haben, um nachhaltige Ernährung zu unterrichten. Universitäre Vorerfahrungen zeigten ebenfalls einen Einfluss auf die Lehrintention. Höheres Wissen über nachhaltige Ernährung wurde lediglich in Verbindung zu einer höheren Selbstwirksamkeit gegenüber dem Unterrichten identifiziert, hatte aber keinen direkten Einfluss auf die Intention, nachhaltige Ernährung zu unterrichten. Indoctrinating. Die identifizierten Zusammenhänge der ersten beiden Forschungsschwerpunkte deuten darauf hin, dass die unterrichtliche Umsetzung von nachhaltiger Ernährung in einem potenziellen Spannungsfeld mit der Indoktrination von Schülern in Bezug auf nachhaltige Ernährung steht. Ausgehend von dieser Prämisse wurde in der vierten Studie untersucht, ob Biologielehrkräfte ein Indoktrinationsrisiko beim Unterrichten von nachhaltiger Ernährung wahrnehmen und welche Methden sie anwenden würden, um Indoktrination zu vermeiden. Mittels semi-strukturierter Einzelinterviews wurden Biologielehrkräfte (N = 7) aus Osnabrück und dem Münsterland befragt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Befragten ein hohes Indoktrinationsrisiko beim Unterrichten von nachhaltiger Ernährung wahrnehmen, das sie vor allem auf das Handeln der Biologielehrkräfte selbst zurückführen. Eine der schwierigsten Entscheidungen für die Befragten war die Frage, ob sie ihre eigenen Ernährungsgewohnheiten offenlegen sollten, wenn sie nachhaltige Ernährung unterrichten, und ob die Weitergabe dieser Information an die Schüler als Indoktrination angesehen werden könnte–insbesondere wenn es sich um eine vegetarische oder vegane Ernährung handelt. Die Denkweise der Befragten reichte von der Überzeugung, dass Lehrkräfte sehr zurückhaltend sein müssen, wenn sie nachhaltige Ernährung unterrichten, bis hin zu der Ansicht, dass sie offen sein und ihren eigenen Ernährungsstil im Unterricht preisgeben sollten. In letzterem Fall sahen die Befragten nahezu keine Gefahr der Indoktrination, sondern eher Vorteile für die Schüler-Lehrer-Beziehung, die Authentizität der Lehrkräfte und für die Ermutigung der Schüler:innen, ihre eigene Position im Prozess der Nachhaltigkeitstransformation zu erkunden. Die Befragten diskutierten schülerzentriertes und multiperspektivisches Lernen als Beispiele für nicht-indoktrinierende Unterrichtsansätze. Der Einsatz dieser Unterrichtsansätze im Rahmen einer BNE und allgemein zur Förderung der Bewertungskompetenz von Schüler:innen im Biologieunterricht wurde als vorteilhaft angesehen. Zusammenfassend geben die vier empirischen Studien einen ersten Einblick, ob und inwiefern (angehende) Biologielehrkräfte das Thema nachhaltige Ernährung im schulischen Biologieunterricht adressieren würden, von welchen Faktoren diese Intention abhängt und welche Bedenken sie beim Unterrichten von nachhaltiger Ernährung haben. Auf dieser Grundlage werden in der Dissertation erste Empfehlungen für zukünftige Forschung und die Ausgestaltung von Seminaren über nachhaltige Ernährung in der Biologielehramtsausbildung diskutiert. Sofern angehende Biologielehrkräfte im Rahmen ihres Studiums Möglichkeiten zur methodischen Umsetzung und unterrichtlichen Einbettung des Themas nachhaltige Ernährung erlernen, könnte auch die zukünftige Implementierung des Themas in den schulischen Biologieunterricht gefördert werden.

Τα τελευταία χρόνια υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον για τη βιολογία των σωματικών βλαστικών κυττάρων (adult stem cells) εξαιτίας της ικανότητας τους να αυτοανανεώνονται καθώς επίσης και της πλαστικότητας την οποία εμφανίζουν. Οι ιδιότητες αυτές καθιστούν τα σωματικά βλαστικά κύτταρα ικανά να παράγουν προγόνους διαφόρων τύπων ωρίμων κυττάρων, οι οποίοι συμμετέχουν ενεργά στη διατήρηση της ομοιόστασης ιστών και οργάνων τόσο κατά τη φυσιολογική πορεία της ζωής τους όσο και σε περίπτωση βλάβης. Εν γένει τα εμβρυικά και σωματικά βλαστικά κύτταρα φαίνεται να εμφανίζουν όμοιες λειτουργίες όσον αφορά στην ικανότητα αυτοανανέωσης και στην ιδιότητα τους να παράγουν διαφοροποιημένους κυτταρικούς προγόνους διαφόρων κυτταρικών σειρών τόσο σε απλοποιημένες συνθήκες καλλιέργειας in vitro όσο και μετά από μεταμόσχευσή τους σε ξενιστή in vivo. Πιο συγκεκριμένα η εδραίωση των ιδιοτήτων των βλαστικών και προγονικών κυττάρων in vitro και in vivo παρείχε τις ενδείξεις της συμμετοχής τους στην ανανέωση των ιστών μετά από βλάβη. Για το λόγο αυτό η χρήση τους αποτελεί πολλά υποσχόμενη στρατηγική στην κυτταρική και γενετική θεραπευτική πολλών εκφυλιστικών νοσημάτων καθώς επίσης και ως επικουρική ανοσοθεραπεία για διαφορους επιθετικούς τύπους καρκίνου. Η νόσος του Parkinson, η νόσος του Alzheimer, οι μυικές εκφυλιστικές διαταραχές, χρόνια ηπατικά νοσήματα, η καρδιακή ανεπάρκεια, ο σακχαρώδης διαβήτης τύπου I και τύπου II καθώς επίσης και διάφορες δερματικές, οφθαλικές, νεφρικές και αιμοποιητικές διαταραχές θα μπορούσαν να αντιμετωπιστούν με θεραπείες βασιζόμενες σε βλαστικά κύτταρα. Γενετικές μεταβολές ή/και επίμονη ενεργοποίηση διακριτών αναπτυξιακών μονοπατιών οι οποίες είναι δυνατόν να παρατηρούνται σε μειοψηφία σωματικών βλαστικών και προγονικών κυττάρων μπορούν, σε ορισμένες περιπτώσεις, να οδηγήσουν σε ογκογόνο μεταλλαγή. Το φαινόμενο αυτό εμπλέκει την ενεργοποίηση κυτταρικών μονοπατιών τα οποία σηματοδοτούνται από διάφορους αυξητικούς παράγοντες και ενέχουν σημαντική θέση στην αύξηση και επιβίωση καρκινικών κυττάρων. Πιο συγκεκριμένα η θετική ρύθμιση μονοπατιών που αφορούν στον EGF, hedgehog, Wnt/β-κατενίνη και του Νοtch αποτελούν κρίσιμης σημασίας γεγονότα για την έναρξη και προαγωγή επιθετικών τύπων κακοήθειας όπως η οξεία λευχαιμία και το λέμφωμα, ο καρκίνος του εγκεφάλου, του δέρματος, του πνεύμονα, του οισοφάγου, του στομάχου, του παγκρέατος, του ήπατος, του μαστού, των ωοθηκών, του προστάτη και των όρχεων. Για το λόγο αυτό η μοριακή στόχευση αυτών των ογκογόνων σηματοδοτικών στοιχείων αποτελεί πολλά υποσχόμενη προσέγγιση για την ανάπτυξη νέων θεραπευτικών συνδιασμών εναντίων μεταστατικών μορφών καρκίνου. / Stem cell biology and their role in lung homeostasis, tissue repair and cancer.

碩士 / 國立清華大學 / 電機工程學系 / 107

Thesis (MSc)--University of Stellenbosch, 2004. / ENGLISH ABSTRACT: Two fruit fly species, Ceratitis capitata (Wiedemann) and C. rosa (Karsch) (Diptera: Tephritidae) are known to attack deciduous fruit in the Western Cape Province of South Africa. The relative abundance of these two pests was studied in different kinds of fruit throughout the year. To facilitate field monitoring, using the immature stages, morphological differences between larval instars of C. capitata and C. rosa were investigated. Morphological characters of the larvae, such as the spiracles (anterior and posterior), mouth hooks and oral ridges were used. Many of these characters are only suitable to distinguish between the second and third instar larvae as these structures are not yet developed in the first instar larvae. Anterior spiracles were examined in terms of the number of tubules (papillae) and size or shape of the felt chambers. The number of papillae in both species was similar in the second and third instar larvae, but differed between the larvae of the two species (8-10 for C. capitata and 10-13 for C. rosa). In both species the felt chambers of the second instar larvae were narrow and elongate whilst those of the third instar larvae were broad and short. The major difference between the mouthhooks of the two tephritids was the presence of a sub-apical tooth in the third instar larva of C. rosa, being absent in the third instar of C. capitata. For the morphometric study, both laboratory-reared and field-collected specimens were examined. Measurements of the body dimensions (length and width) and various parts of the cephalopharyngeal skeleton (CPS) (mandible base, mandible length and distance between the tip and notch) were recorded in all three instars of both C. capitata and C. rosa. The data were analysed using finite mixture analysis (FMA-N1) and Levene's test was used to test for homogeneity of variances. The results of these analyses were used to estimate the frequency distributions of the larval measurements. In some cases overlaps in distributions were evident and were resolved using the same program, finite mixture analysis (FMA-N1), based on the probability of the overlapping measurements belonging to the designated instar (i.e. the one with highest probability). Determination of growth ratios suggested an approximate conformation to Dyar's rule thereby disputing the possibility of any hidden instar. However, in most cases measurements of the field samples did not conform to Dyar's rule. For the larval instars of C. capitata and C. rosa with overlapping morphological features, the morphometric approach as a distinguishing tool was demonstrated. In the field survey, the relative abundance of C. rosa at all experimental sites was very low in both orchards and adjacent vines. This suggested that this pest was either not a threat in these sites (crops) or the monitoring procedures applied, should be revised. Trap catches indicated high levels of infestation by C. capitata on some sites and low infestation levels at others. On the site with the highest population levels, activity peaks in the orchards did not co-incide with those in the adjacent vineyards. This suggested that these vineyards could be alternative hosts for fruit fly after the fruit in the orchards have been harvested. Forced oviposition (in vitro) studies indicated that Colombard (grown in Simonsvlei) was the most suitable host for survival of C. capitata. Other wine grape cultivars such as Chardonnay were also suitable for the total larval development of C. capitata. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Twee spesies van die vrugtevlieg, Ceratitis capitata (Wiedemann) en C. rosa (Karsch) (Diptera: Tephritidae), val sagtevrugte in die Wes Kaap Provinsie van Suid- Afrika aan. Die groot hoeveelheid van hierdie twee plae op verskillende soorte vrugte is regdeur die jaar bestudeer. Voordat enige insekplaag gemonitor kan word, is dit belangrik dat die identiteit van die besondere plaag, insluitend sy onvolwasse stadiums, bekend moet wees. In hierdie studie word die morfologiese verskille tussen die larwe stadiums van C. capitata en C. rosa ondersoek. Kenmerke soos die spirakels (voor en agter), mondhake en mondriwwe is gebruik. Baie van hierdie morfologiese kenmerke kan net gebruik word om te onderskei tussen larwes in die tweede en derde stadiums omdat hierdie strukture nog nie in die eerste stadium ontwikkel is nie. Die voorste spirakels is ondersoek in terme van die aantal tubules (papillae) en die grootte en vorm van die vilt kamers. In beide spesies is die aantal papillae dieselfde vir die tweede en derde larwe stadiums, maar daar was en verskil tussen die larwes van die twee spesies (8-10 vir C. capitata en 10-13 vir C. rosa). In altwee spesies was die viIt kamers van die twee stadium larwes sma I en verleng, terwyl dit in die derde stadium larwes breed en kort was. Die hoof verskil tussen die mondhake van die twee vrugtevliee was die aanwesigheid van die subapikale tand in die derde stadium larwe van C. rosa, terwyl dit afwesig is in die derde stadium van C. capitata. Vir die morfometriese studie is voorbeelde van laboratorium geteelde vrugtevliee, asook vilee wat in die veld gevind is, ondersoek. Die liggaamsafmetings (Iengte en breedte) is gemeet asook die skelet (mandibel basis, mandibel lengte en die afstand tussen die punt en die kerf) in al drie stadiums van C. capitata en C. rosa. Die data is ontleed deur middel van eindige mengsel analise (FMA-N1) en Levene se toets is gebruik om vir homogeniteit en variansies te toets. Die resultate van die ontleding is gebruik om die frekwensie verspreiding van die larwale metings te skat. In sommige gevalle was daar oorvleueling en dit is opgelos met die gebruik van dieselfde program FMA-N1 baseer op die moontlikheid dat die metings wat oorvleuel, aan die aangeduide stadium (d.w.s die een met die hoogste waarskynlikheid) behoort. Die vasstelling van groei ratios dui aan dat dit naasteby ooreenstem met Dyar se reel en dus die moontlikheid van 'n versteekte stadium betwis. Maar in die meeste gevalle stem die veldmonsters nie ooreen met Dyar se reel nie. Die feit dat die morfometriese benadering die verrnoe het om larwale monsters met oorvleuelende morfologiese kenmerke, beteken dat dit kwalifiseer as In instrument om tussen die larwe stadiums van C. capitata en C. rosa te onderskei. Baie min C. rosa is in vrugteboorde en in nabygelee wingerde gevind. Dit dui of dat die plaag nie 'n bedreiging vir die vrugte inhou nie, of dat die monitor prosedures hersien moet word. Lokvalle dui aan dat daar 'n hoe vlak van infestasie van C. capitata in sommige gebeide is en In lae vlak in ander. Op die plek met die hoogste bevolking van vrugtevliee het die aktiwiteit in die boorde nie ooreengestem met die aktiwiteit in die nabygelee wingerde nie. Dit dui aan dat hierdie wingerde 'n alternatiewe blyplek bied aan die vrugtevliee nadat die vrugte in die boorde geoes is. Gedwonge oviposisie studies dui aan dat C. capitata die beste kan oorleef in Colombard (gekweek te Simonsvlei). Ander wyndruif kultivars is ook geskik vir die ontwikkeling tot by die laaste larwe stadium van C. capitata.