During cell division, chromosome segregation takes place on bipolar, microtubulebased spindles. Here, C. elegans is used to analyze spindle organization under both mitotic and meiotic conditions. First, the role of SAS-4 in organizing centrosome structure was analyzed. Partial depletion of SAS-4 in early embryos results in structurally defective centrioles. The study of this protein sheds light on the poorly understood role of the centrioles in dictating centrosome size. Second, the ultrastructure of wild-type mitotic spindle components was analyzed by electron tomography. This 3-D analysis reveals morphologically distinct microtubule end morphologies in the mitotic spindle pole. These results have structural implications for models of microtubule interactions with centrosomes Third, spindle assembly was studied in female meiosis. Specifically, the role of the microtubule severing complex katanin in spindle organization was analyzed. Electron tomography reveals fragmentation of spindle microtubules and suggests a novel katanin-dependent mechanism of meiotic spindle assembly. In this model, relatively long microtubules seen near the meiotic chromatin are converted into numerous short fragments, thus increasing the total number of polymers in an acentrosomal environment. Taken together, these results provide novel insights into the three-dimensional organization of microtubules during spindle assembly. / Die Segregation der Chromosomen während der Zellteilung wird duch bipolare, von Microtubuli-aufgebauten Spindlen gewährleistet. In der vorliegenden Arbeit wird C. elegans zur Analyse der Spindelorganisation unter mitotischen und meiotischen Bedingungen herangezogen. Erstens wird die Rolle von SAS-4 in der Organisation von Zentrosomen untersucht. Die partielle Depletierung von SAS-4 in frühen Embryonen führt zu strukturell defekten Zentriolen und wirft somit Licht auf die wenig verstandene Rolle der Zentriolen in der Bestimmung der Zentrosomengröße. Zweitens wird die Ultrastruktur der mitotischen Spindelkomponenten im Wildtyp durch Elektronentomographie untersucht. Diese 3-D-Analyse zeigt, dass im mitotischen Spindlepol unterschiedliche Morphologien der Mikrotubulienden zu finden sind. Diese Ergebnisse haben strukturelle Implikationen für Modelle der Mikrotubuli-Zentrosomen-Interaktionen. Drittens wird der Aufbau der Spindel in der weiblichen Meiose, speziell die Rolle des Mikrotubuli-schneidenden Kataninkomplexes in der Spindelorganisation, untersucht. Die Elektronentomographie zeigt hier eine Fragmentierung der Spindelmikrotubuli. Basierend auf diesem Ergebnis wird ein neues Katanin-abhängiges Modell der Formierung der Meiosespindel entwickelt, in dem relativ lange Microtubuli in Nähe des meiotischen Chromatins in zahlreiche kurze Mikrotubuli “zerschnitten” werden. Dies erhöht die Anzahl der verfügbaren Polymere in dieser azentrosomalen Situation. Zusammenfassend bringen diese Ergebnisse neue Einsichten in die räumliche Organisation der Mikrotubuli während des Spindelaufbaus.

Photoreceptors are of prime importance for humans, since vision is one of the most important senses for us. In our daily life, where nearly every action is dependent on visual input, an impairment or a loss of eyesight leads to severe disability. With a non-syndromic prevalence of 1:4000, retinitis pigmentosa, a collective term for a group of inherited retinal eye diseases, represents, together with age-related macula degeneration, one of the main causes for visual impairment and blindness in industrialized countries. The dominant reason for vision loss is, in both cases, the irreversible loss of photoreceptor cells located in the outer nuclear layer of the retina. To date, no effective treatment is available to preserve or regain visual function in affected patients. Recent promising strategies for new retinal therapeutical approaches focus on one hand on the development of gene therapies, where an introduced wild-type allele compensates a mutated gene, and on the other hand on cell therapies, where stem or photoreceptor precursor cells (PPCs) are transplanted to the sub-retinal space to replace degenerated host photoreceptors. The current study is subdivided into three parts, addressing the issue of non-reversible photoreceptor cell loss due to retinal degenerative diseases by investigating in the first two parts new qualitative as well as quantitative approaches in the field of retinal cell therapy, while in the third part an ocular gene therapeutical approach targeting prominin-1, a gene involved in retinal degenerative disorders, was investigated. Briefly, this study shows in the first part, a significant enhancement of the integration rate of PPCs in wild-type host retinas, achieved by pre-transplantational sorting, using the recently discovered PPC - specific cell surface marker CD73. This sets another step further towards retinal cell therapy by increasing the effectiveness of such treatment. Next to this quantitative approach, it is also shown that the quality of transplanted photoreceptor precursor cells is comparable to native photoreceptors by demonstrating, that an indispensable prerequisite of every photoreceptor cell, the outer segment, is developed by transplanted PPCs after proper integration. Importantly, transplanted PPCs develop native outer segments even when not integrated in the host tissue but located in the sub-retinal space, as it is predominantly observed after transplantation into severely degenerated retinas. These results substantiate the feasibility of cell therapeutical treatment of severely degenerated retinas. At the end of this part, it is demonstrated, that outer segments are not formed properly by PPCs transplanted to the vitreal side of the retina. This suggests an influence of signaling molecules, presumably secreted by retinal pigment epithelial cells into the sub-retinal space, on transplanted PPC final differentiation. Since intensive research is done to differentiate stem cells into PPCs for cell therapeutical transplantation, these results may contribute significantly to this research by demonstrating, that factors secreted by the retinal pigment epithelium might play a crucial role for successful stem cell to PPC differentiation. The last part of my work investigates a gene therapeutical approach to cure inherited retinal degenerative diseases. One gene, where reported mutations cause retinal degeneration in humans is prominin-1, a protein expressed at cell membrane evaginations in a variety of cell types. Interestingly, the prominin-1 knock-out mouse is characterized exclusively by disorganized photoreceptor outer segment formation and progressive retinal degeneration. Successful delivery of a wild-type form of mouse prominin-1 using adeno-associated viral vector transfer, into the photoreceptors of prominin-1 - deficient mice is demonstrated. The divergent results show on one hand a rescue of the thickness of the photoreceptor outer nuclear layer on a short time period (3 weeks post treatment), and on the other hand long-term data (8-10 weeks post treatment) suggests histologically as well as functionally a negative effect on treated photoreceptors. This might be due to effects caused by an over-expression of prominin-1 and will be investigated in future studies. In conclusion, distinct and important investigations were made which contribute significant puzzle pieces to new cell- as well as gene therapeutical approaches for the treatment of retinal degenerative disorders.

Die asymmetrische Verteilung von mRNA und Proteinen innerhalb einer Zelle definiert die Polarität. Dies ermöglicht eine strikte Regulierung der Genexpression in Raum und Zeit. Ich habe in dieser Arbeit untersucht, wie das Soma und die Neuriten in induzierten Neuronen sich hinsichtlich ihres Transkriptoms und Translatoms unterscheiden. Eine räumliche ribosomale Profilanalyse ergab, dass die Hälfte des lokalen Proteoms durch die mRNA-Lokalisierung und der lokalen Translation definiert wird. Dies sind Prozesse, die durch die synergistische Aktivität von trans- und cis-agierenden Elementen durchgeführt werden. In dieser Arbeit konzentrierte ich mich auf MOV10 als trans-agierendes Element und die alternativen 3′UTRs als cis-agierende Elemente, um ihre Rolle in der Asymmetrie zu untersuchen. MOV10 ist eine RNA-Helikase, welche an vielen Aspekten des RNA-Metabolismus beteiligt ist. Mit den Methoden RIP und PAR-CLIP konnte ich zeigen, dass sowohl MOV10-Ziele als auch MOV10 selbst in den Neuriten lokalisiert sind. Aus ̈erdem ist MOV10 möglicherweise an der translationalen Repression mitinvolviert. In der Tat konnte ich unter den MOV10-Protein-Interaktoren mehrere Proteine identifizieren, welche an der translationalen Repression beteiligt sind, wie z.Bsp. AGO2, FMR1, und TRIM71. Für die Identifizierung der cis-agierenden Elemente führte ich das "Mapping" von alternativen 3′UTRs durch. Diese Analyse zeigte mehrere Gene, die differentiell lokalisierte 3′UTR-Isoformen exprimieren. Insbesondere habe ich mich auf Cdc42 konzentriert. Ich konnte beweisen, dass die beiden Isoformen von Cdc42 auf mRNA-Ebene unterschiedlich lokalisiert sind und dass die 3′UTR der entscheidende Faktor für die mRNA- und Proteinlokalisierung ist. Darüber hinaus habe ich mehrere RBPs identifiziert, die an der Cdc42-Lokalisierung beteiligt sind. Diese Analyse zeigt, dass für die differenzierte Lokalisierung von funktional unterschiedlichen alternativen Protein-Isoformen die Verwendung von alternativen 3′UTR Isoformen als neu-entdeckter Mechanismus eine entscheidende Rolle spielt. / Asymmetric distribution of mRNA and proteins inside a cell defines polarity, which allow tight regulation of gene expression in space and time. In this thesis I investigated how asymmetric distribution characterizes the somatic and neuritic compartments of in induced neurons, in terms of transcriptome and translatome. Spatial ribosome profiling analysis revealed that half of the local proteome is defined by mRNA localization and local translation. These, are processes accomplished by the synergistic activity of trans- and cis-acting elements. I focused on MOV10 as trans-acting element, and on alternative 3′UTRs as cis-elements, to investigate their role in asymmetry. MOV10 is an RNA helicase which participates to many aspects of RNA metabolism. With RIP and PAR-CLIP I showed that MOV10 targets are localized to the neurites, consistently with MOV10-neuritic localization, and that MOV10 might be involved in translational repression. Indeed, among MOV10 protein interactors, I identified several proteins involved in translational repression, i.e. AGO2, FMR1, and TRIM71. On the side of cis-elements, I performed mapping of alternative 3′UTRs. This analysis identified several genes expressing differentially localized 3′UTR isoforms. In particular, I focused on Cdc42. I showed that the two isoforms of Cdc42 are differentially localized at mRNA level, and that the 3′UTR is the driver of mRNA and protein localization. Moreover, I identified several RBPs that might be involved in Cdc42 localization. This analysis points to usage of alternative 3′UTR isoforms as a novel mechanism to provide for differential localization of functionally diverse alternative protein isoforms.

Die Metaphasenspindel ist eine selbstorganisierende molekulare Maschine, die die entscheidende Funktion erfüllt, das Genom während der Zellteilung gleichmäßig zu trennen. Spindellänge und -form sind emergente Eigenschaften, die durch komplexe Wechselwirkungsnetzwerke zwischen Molekülen hervorgerufen werden. Obwohl erhebliche Fortschritte beim Verständnis der einzelnen molekularen Akteure erzielt wurden, die ihre Länge und Form beeinflussen, haben wir erst kürzlich damit begonnen, die Zusammenhänge zwischen Spindelmorphologie, Dynamik und Materialeigenschaften zu untersuchen. In dieser Arbeit untersuchte ich zunächst quantitativ die Rolle zweier molekularer Kraftgeneratoren - Kinesin-5 und Dynein - bei der Regulierung der Spindelform von Xenopus-Eiextrakt. Eine Störung ihrer Aktivität veränderte die Spindelmorphologie, ohne die Gesamtmasse der Mikrotubuli zu beeinflussen. Um die Spindelform physikalisch zu stören, wurde ein Optical Stretcher (OS) -Aufbau entwickelt. Obwohl das OS Vesikel in Extrakten verformen könnte, konnte keine Kraft auf Spindeln ausgeübt werden. Die Untersuchung des Brechungsindex der Struktur mittels optischer Beugungstomographie (ODT) ergab, dass es keinen Unterschied zwischen Spindel und Zytoplasma gab. Korrelative Fluoreszenz- und ODT-Bildgebung zeigten, wie sich die Materialeigenschaften innerhalb verschiedener Biomoleküle räumlich unterschieden. Die Gesamttrockenmasse der Spindel skalierte mit der Länge, während die Gesamtdichte konstant blieb. Interessanterweise waren die Spindeln in HeLa-Zellen dichter als das Zytoplasma. Schließlich deckte eine störende Mikrotubulusdichte auf, wie die Gesamttubulinkonzentration die Spindelgröße, die Gesamtmasse und die Materialeigenschaften regulierte. Insgesamt bietet diese Studie eine grundlegende Charakterisierung der physikalischen Eigenschaften der Spindel und hilft dabei, Zusammenhänge zwischen der Biochemie und der Biophysik einer aktiven Form weicher Materie zu beleuchten. / The metaphase spindle is a self-organising molecular machine that performs the critical function of segregating the genome equally during cell division. Spindle length and shape are emergent properties brought about by complex networks of interactions between molecules. Although significant progress has been made in understanding the individual molecular players influencing its length and shape, we have only recently started exploring the links between spindle morphology, dynamics, and material properties. A thorough analysis of spindle material properties is essential if we are to comprehend how such a dynamic structure responds to forces, and maintains its steady-state length and shape. In this work, I first quantitatively investigated the role of two molecular force generators– Kinesin-5 and Dynein in regulating Xenopus egg extract spindle shape. Perturbing their activity altered spindle morphology without impacting total microtubule mass. To physically perturb spindle shape, an Optical Stretcher (OS) setup was developed. Although the OS could deform vesicles in extracts, force could not be exerted on spindles. Investigating the structure’s refractive index using Optical Diffraction Tomography (ODT) revealed that there was no difference between the spindle and cytoplasm. Correlative fluorescence and ODT imaging revealed how material properties varied spatially within different biomolecules. Additionally, spindle mass density and the microtubule density were correlated. The total dry mass of the spindle scaled with length while overall density remained constant. Interestingly, spindles in HeLa cells were denser than the cytoplasm. Finally, perturbing microtubule density uncovered how total tubulin concentration regulated spindle size, overall mass and material properties. Overall, this study provides a fundamental characterisation of the spindle’s physical properties and helps illuminate links between the biochemistry and biophysics of an active form of soft matter.

Ein ausreichendes Lesetempo, eine hohe Lesegenauigkeit und ein entwickeltes Leseverständnis sind in fast allen Schulfächern Voraussetzung für eine erfolgreiche Teilnahme am Unterricht. Internationale Schulleistungsstudien belegen, dass ein hoher Anteil von Schülern bereits in der Grundschule unzureichende Lesekompetenzen aufweist und daher auf zusätzliche Förder- oder Therapiemaßnahmen angewiesen ist. Im Hinblick darauf wurden in einem Gruppen-Prä-Post-Follow-Up-Design mit zweifacher Prä-Messung zwei unterschiedliche Interventionen zur Verbesserung der Lesefähigkeiten bei Zweit- und Drittklässlern evaluiert: Ein modellgeleitetes Therapieverfahren zur Verbesserung der Lesegeschwindigkeit von Wörtern und ein von Eltern durchgeführtes Fördertraining zur Verbesserung der Lesegenauigkeit und Lesegeschwindigkeit von Pseudowörtern. Zur Teilnahme an den Interventionen wurden 58 Zweit- und Drittklässler mit einem gravierenden Leserückstand ausgewählt und entweder dem Therapieprogramm oder dem Fördertraining zugeteilt. Beide Gruppen erhielten über 5 Wochen ein tägliches 45-minütiges Training. Während das Training der Therapiegruppe von einem ausgebildeten Therapeuten durchgeführt wurde und in der Schule stattfand, wurde das Training der Fördergruppe von Eltern zu Hause durchgeführt. Es wurden Veränderungen in der Lesegeschwindigkeit, dem Leseverständnis und verschiedenen Blickbewegungsparametern ausgewertet. / In order to follow the lessons in school, children must be able to read with speed as well as with accuracy and a proven ability to comprehend texts. International school performance studies show that a high proportion of students already have inadequate reading skills in elementary school and therefore need additional support or therapy measures. Based on this observation, an evaluation of two different interventions among second- and third-graders is reported: A pre-post follow-up design with double pre-measurement, aiming at the increase of the students' reading skills. A model-guided therapy method for improving the reading speed of words and a parental training course for the improvement of reading accuracy and reading speed of pseudowords. 58 second- and third-graders with a serious reading backlog were selected to participate in the interventions and were assigned to either the therapy program or the parental training. Both groups received daily 45-minute training over a 5 week period. While the training of the therapy group was held by a therapist and took place at school, the training of the support group was carried out by parents at home. Changes in reading speed, reading comprehension and various eye movement parameters were evaluated.

Der Gestationsdiabetes betrifft etwa 5 von 100 Schwangeren. In unserer prospektiven, randomisierten Studie mit Crossover-Design untersuchten wir den Einfluß der Kohlenhydrataufnahme auf den Glukosestoffwechsel Schwangerer. 18 Gestationsdiabetikerinnen, 9 Frauen mit eingeschränkter Glukosetoleranz und 25 Kontrollen haben jeweils eine Woche eine kohlenhydratarme (35 Energieprozent) und eine kohlenhydratreiche (55 Energieprozent) Diät durchgeführt. Auswirkungen wurden anhand des konventionellen BZTPs und des kontinuierlich messenden Glukosesensors CGMS® untersucht. Die KH-Aufnahme wurde mittels einer Ernährungsberatung deutlich beeinflußt, und lag bei 39 % in der KH-reduzierten, und bei 49 % in der KH-reichen Woche. Nach DDG-Kriterien hatte der KH-Anteil bei keiner Gruppe einen signifikanten Einfluß bezüglich der Insulinpflicht. Dagegen waren der BZTP-Mittelwert und die AUC (area under the curve des CGMS®) der GDMs und der Kontrollen signifikant niedriger in der KH-armen Woche. In dieser Woche nahmen die Probandinnen auch eine niedrigere Energiemenge zu sich. Bei einer selektierten Untergruppe konnten wir diesen Einfluß ausgrenzen, und für die Kontrollgruppe eine signifikante Erniedrigung bezüglich der BZTP-Mediane und der AUCs nachweisen. Diese Beobachtungen belegen, daß ein höherer Kohlenhydratanteil mit erhöhten Blutzuckerwerten assoziiert ist. Außerdem wurde ein größerer Einfluß einer kohlenhydratarmen Ernährung auf die postprandialen als auf die Nüchternwerte festgestellt. Wegen der Auswirkungen auf das fetale Wachstum soll man bei Gestationsdiabetikerinnen eine kohlenhydratarme Ernährung empfehlen. / Gestational diabetes affects about 5 % of pregnancies. In our randomized prospective study with crossover design we examined the influence of carbohydrate intake on the glucose metabolism of pregnant women. 18 women with gestational diabetes, 9 with impaired glucose tolerance and 25 controls were put on a low (35 energy %) carbohydrate diet for one week and a high (55 energy %) carbohydrate diet for another. Blood glucose levels were recorded by self-monitoring and with a continuous glucose monitoring sensor (CGMS ®). Carbohydrate intake was strongly influenced by dietary advice, amounting to 39% into the low carbohydrate and 49% in the high carbohydrate week. According to DDG criteria, carbohydrate intake had no significant influence on insulin requirements. In contrast, mean blood glucose levels and the AUC (area under of the curve of the CGMS ®) were significantly lower for both gestational diabetics and controls in the low carbohydrate week. During this week, the average caloric intake was also reduced. We could exclude this influence for a selected subgroup, in which the controls displayed a significant reduction in median glucose levels and the AUCs. We could thus show that a higher carbohydrate content is associated with raised blood glucose levels. Furthermore, the influence of a low carbohydrate diet was greater on postprandial than on fasting levels. Because of the effects on fetal growth, one should recommend a low carbohydrate diet for gestational diabetics.

During mitosis, adherent animal cells undergo a drastic shape change, from essentially flat to round, in a process known as mitotic cell rounding (MCR). The aim of this thesis was to critically examine the physical and biological basis of MCR. The experimental part of this thesis employed a combined optical microscope-atomic force microscope (AFM) setup in conjunction with flat tipless cantilevers to analyze cell mechanics, shape and volume. To this end, two AFM assays were developed: the constant force assay (CFA), which applies constant force to cells and measures the resultant height, and the constant height assay (CHA), which confines cell height and measures the resultant force. These assays were deployed to analyze the shape and mechanical properties of single cells trans-mitosis. The CFA results showed that cells progressing through mitosis could increase their height against forces as high as 50 nN, and that higher forces can delay mitosis in HeLa cells. The CHA results showed that mitotic cells confined to ~50% of their normal height can generate forces around 50-100 nN without disturbing mitotic progression. Such forces represent intracellular pressures of at least 200 Pascals and cell surface tensions of around 10 nN/µm. Using the CHA to compare mitotic cell rounding with induced cell rounding, it was observed that the intracellular pressure of mitotic cells is at least 3-fold higher than rounded interphase cells. To investigate the molecular basis of the mechanical changes inherent in mitotic cell rounding, inhibitors and toxins were used to pharmacologically dissect the role of candidate cellular processes. These results implicated the actomyosin cortex and osmolyte transporters, the most prominent of which is the Na+/H+ exchanger, in the maintenance of mechanical properties and intracellular hydrostatic pressure. Observations on blebbing cells under the cantilever supported the idea that the actomyosin cortex is required to sustain hydrostatic pressure and direct this pressure into cell shape changes. To gain further insight into the relationship between actomyosin activity and intracellular pressure, dynamic perturbation experiments were conducted. To this end, the CHA was used to evaluate the pressure and volume of mitotic cells before, during and after dynamic perturbations that included tonic shocks, influx of specific inhibitors, and exposure to pore-forming toxins. When osmotic pressure gradients were depleted, pressure and volume decreased. When the actomyosin cytoskeleton was abolished, cell volume increased while rounding pressure decreased. Conversely, stimulation of actomyosin cortex contraction triggered an increase in rounding pressure and a decrease in volume. Taken together, the dynamic perturbation results demonstrated that the actomyosin cortex contracts against an opposing intracellular pressure and that this relationship sets the surface tension, pressure and volume of the cell. The discussion section of this thesis provides a comprehensive overview of the physical basis of MCR by amalgamating the experimental results of this thesis with the literature. Additionally, the biochemal signaling pathways and proteins that drive MCR are collated and discussed. An exhaustive and unprecedented synthesis of the literature on cell rounding (approx. 750 papers as pubmed search hits on “cell rounding”, April 2012) reveals that the spread-to-round transition can be thought of in terms of a surface tension versus adhesion paradigm, and that cell rounding can be physically classified into four main modes, of which one is an MCR-like category characterized by increased actomyosin cortex tension and diminution of focal adhesions. The biochemical pathways and signaling patterns that correspond with these four rounding modes are catalogued and expounded upon in the context of the relevant physiology. This analysis reveals cell rounding as a pertinent topic that can be leveraged to yield insight into core principles of cell biophysics and tissue organization. It furthermore highlights MCR as a model problem to understand the adhesion versus cell surface tension paradigm in cells and its fundamentality to cell shape, mechanics and physiology.

Aktive Filament-Systeme, wie zum Beispiel das Zellskelett, sind Beispiele einer interessanten Klasse neuartiger Materialien, die eine wichtige Rolle in der belebten Natur spielen. Viele wichtige Prozesse in lebenden Zellen wie zum Beispiel die Zellbewegung oder Zellteilung basieren auf dem Zellskelett. Das Zellskelett besteht aus Protein-Filamenten, molekularen Motoren und einer großen Zahl weiterer Proteine, die an die Filamente binden und diese zu einem Netz verbinden können. Die Filamente selber sind semifexible Polymere, typischerweise einige Mikrometer lang und bestehen aus einigen hundert bis tausend Untereinheiten, typischerweise Mono- oder Dimeren. Die Filamente sind strukturell polar, d.h. sie haben eine definierte Richtung, ähnlich einer Ratsche. Diese Polarität begründet unterschiedliche Polymerisierungs- und Depolymerisierungs-Eigenschaften der beiden Filamentenden und legt außerdem die Bewegungsrichtung molekularer Motoren fest. Die Polymerisation von Filamenten sowie Krafterzeugung und Bewegung molekularer Motoren sind aktive Prozesse, die kontinuierlich chemische Energie benötigen. Das Zellskelett ist somit ein aktives Gel, das sich fern vom thermodynamischen Gleichgewicht befindet. In dieser Arbeit präsentieren wir Beschreibungen solcher aktiven Filament-Systeme und wenden sie auf Strukturen an, die eine ähnliche Geometrie wie zellulare Strukturen haben. Beispiele solcher zellularer Strukturen sind Spannungsfasern, kontraktile Ringe oder mitotische Spindeln. Spannungsfasern sind für die Zellbewegung essentiell; sie können kontrahieren und so die Zelle vorwärts bewegen. Die mitotische Spindel trennt Kopien der Erbsubstanz DNS vor der eigentlichen Zellteilung. Der kontraktile Ring schließlich trennt die Zelle am Ende der Zellteilung. In unserer Theorie konzentrieren wir uns auf den Einfluß der Polymerisierung und Depolymerisierung von Filamenten auf die Dynamik dieser Strukturen. Wir zeigen, dass der kontinuierliche Umschlag (d.h. fortwährende Polymerisierung und Depolymerisierung) von Filamenten unabdingbar ist für die kontraktion eines Rings mit konstanter Geschwindigkeit, so wie in Experimenten mit Hefezellen beobachtet. Mit Hilfe einer mikroskopisch motivierten Beschreibung zeigen wir, wie "filament treadmilling", also Filament Polymerisierung an einem Ende mit der gleichen Rate wie Depolymerisierung am anderen Ende, zur Spannung in Filament Bündeln und Ringen beitragen kann. Ein zentrales Ergebnis ist, dass die Depolymerisierung von Filamenten in Anwesenheit von filamentverbindenden Proteinen das Zusammenziehen dieser Bündel sogar in Abwesenheit molekulare Motoren herbeiführen kann. Ferner entwickeln wir eine generische Kontinuumsbeschreibung aktiver Filament-Systeme, die ausschließlich auf Symmetrien der Systeme beruht und von mikroskopischen Details unabhängig ist. Diese Theorie erlaubt uns eine komplementäre Sichtweise auf solche aktiven Filament-Systeme. Sie stellt ein wichtiges Werkzeug dar, um die physikalischen Mechanismen z.B. in Filamentbündeln aber auch bei der Bildung von Filamentringen im Zellkortex zu untersuchen. Schließlich entwickeln wir eine auf einem Kräftegleichgewicht basierende Beschreibung für bipolare Strukturen aktiver Filamente und wenden diese auf die mitotische Spindel an. Wir diskutieren Bedingungen für die Bildung und Stabilität von Spindeln. / Active filament systems such as the cell cytoskeleton represent an intriguing class of novel materials that play an important role in nature. The cytoskeleton for example provides the mechanical basis for many central processes in living cells, such as cell locomotion or cell division. It consists of protein filaments, molecular motors and a host of related proteins that can bind to and cross-link the filaments. The filaments themselves are semiflexible polymers that are typically several micrometers long and made of several hundreds to thousands of subunits. The filaments are structurally polar, i.e. they possess a directionality. This polarity causes the two distinct filament ends to exhibit different properties regarding polymerization and depolymerization and also defines the direction of movement of molecular motors. Filament polymerization as well as force generation and motion of molecular motors are active processes, that constantly use chemical energy. The cytoskeleton is thus an active gel, far from equilibrium. We present theories of such active filament systems and apply them to geometries reminiscent of structures in living cells such as stress fibers, contractile rings or mitotic spindles. Stress fibers are involved in cell locomotion and propel the cell forward, the mitotic spindle mechanically separates the duplicated sets of chromosomes prior to cell division and the contractile ring cleaves the cell during the final stages of cell division. In our theory, we focus in particular on the role of filament polymerization and depolymerization for the dynamics of these structures. Using a mean field description of active filament systems that is based on the microscopic processes of filaments and motors, we show how filament polymerization and depolymerization contribute to the tension in filament bundles and rings. We especially study filament treadmilling, an ubiquitous process in cells, in which one filament end grows at the same rate as the other one shrinks. A key result is that depolymerization of filaments in the presence of linking proteins can induce bundle contraction even in the absence of molecular motors. We extend this description and apply it to the mitotic spindle. Starting from force balance considerations we discuss conditions for spindle formation and stability. We find that motor binding to filament ends is essential for spindle formation. Furthermore we develop a generic continuum description that is based on symmetry considerations and independent of microscopic details. This theory allows us to present a complementary view on filament bundles, as well as to investigate physical mechanisms behind cell cortex dynamics and ring formation in the two dimensional geometry of a cylinder surface. Finally we present a phenomenological description for the dynamics of contractile rings that is based on the balance of forces generated by active processes in the ring with forces necessary to deform the cell. We find that filament turnover is essential for ring contraction with constant velocities such as observed in experiments with fission yeast.

Asymmetrische Beziehungen im antiken Griechenland werden in der Literatur mit „Klientel“ oder „Patronage“ beschrieben. Dabei wird eine schichtübergreifende Asymmetrie vorausgesetzt, und diese Beziehungen werden vor allem als (instrumentelle) Austauschverhältnisse verstanden. Die Studie argumentiert, dass schichtübergreifende Bindungen auszuschließen sind, und untersucht stattdessen inneraristokratische asymmetrische Beziehungen im Hinblick auf performative, symbolische und instrumentelle Gehalte im Kontext einer stratifizierten Gesellschaftsordnung. In performativer Hinsicht orientiert sich die Zulassung zur Oberschichteninteraktion an der gesellschaftlichen Differenzierung und reproduziert diese damit. Wer aus ökonomischen Gründen seinen Status verliert, wird aus den Verkehrskreisen der Oberschicht ausgeschlossen, umgekehrt finden Aufsteiger leicht Aufnahme in die Aristokratie. Dem entspricht in symbolischer Hinsicht, dass Nahbeziehungen wesentlich zur Statusmanifestation der Aristokraten beitragen und aus diesem Grunde angestrebt werden. Aufrichtigkeit, Offenheit und wechselseitige Unterstützung werden zwar erwartet, diese Erwartungen werden aber häufig enttäuscht. In instrumenteller Hinsicht wird die Unterstützung durch asymmetrische Beziehungen als wichtiger, aber nicht zwingend entscheidender Einflussfaktor gesehen. In archaischer Zeit konnten die Beziehungspartner die Tyrannisaspiranten im Kampf mit den Konkurrenten unterstützen und durch Agitation Einfluss auf den Demos nehmen. In der Klassik verlegte sich die agitatorische Unterstützung in Friedensphasen in die rechtlichen und politischen Institutionen, während im Kontext der Stasis auch gewaltsame Aktionen gegen die konkurrierenden Aristokraten zu den typischen Einsatzmöglichkeiten gehörten. Inneraristokratische asymmetrische Nahbeziehungen erscheinen damit als wesentliches Strukturmerkmal der stratifizierten Gesellschaft und der politischen Ordnung. / Asymmetrical relationships in ancient Greece are described in the literature as “clientage” or “patronage”. Thereby, a cross-class asymmetry is assumed, and these relations are understood primarily as (instrumental) exchange relations. This study argues that cross-class ties are to be excluded, and instead examines intra-aristocratic asymmetrical relations in terms of their performative, symbolic, and instrumental contents in the context of a stratified social order. In performative terms, admission to upper-class interaction is oriented toward and thus reproduces social differentiation. Those who lose their status for economic reasons are excluded from the intercourse circles of the upper class; conversely, upwardly mobile people easily find admission to the aristocracy. In symbolic terms, this corresponds to the fact that personal relationships contribute significantly to the aristocrats’ manifestation of status and are sought for this reason. Sincerity, openness, and mutual support are expected, but these expectations are often disappointed. In instrumental terms, support through asymmetrical relationships is seen as an important, but not necessarily decisive, influencing factor. In archaic times, relational partners could support the aspirants to tyranny in their struggle with rivals and influence the demos through agitation. In the classical period, agitational support shifted to legal and political institutions during periods of peace, while in the context of stasis, violent action against competing aristocrats was also among the typical uses. Intra-aristocratic asymmetrical relations thus appear as an essential structural feature of stratified society and the political order.

Cooperative wireless communication is an attractive technique to explore the spatial channel resources by coordination across multiple links, which can greatly improve the communication performance over single links. In this dissertation, we study the cooperative multi-link channel properties by geometric approaches in body area networks (BANs) and cellular networks respectively.<p><p>In the part of BANs, the dynamic narrowband on-body channels under body motions are modeled statistically on their temporal and spatial fading based on anechoic and indoor measurements. Common body scattering is observed to form inter-link correlation between links closely distributed and between links having synchronized movements of communication nodes. An analytical model is developed to explain the physical mechanisms of the dynamic body scattering. The on-body channel impacts to simple cooperation protocols are evaluated based on realistic measurements. <p><p>In the part of cellular networks, the cluster-level multi-link COST 2100 MIMO channel model is developed with concrete modeling concepts, complete parameterization and implementation methods, and a compatible structure for both single-link and multi-link scenarios. The cluster link-commonness is introduced to the model to describe the multi-link properties. The multi-link impacts by the model are also evaluated in a distributed MIMO system by comparing its sum-rate capacity at different ratios of cluster link-commonness. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished