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Einleitung: Modell-basierte Vorhersagen für molekulare Netzwerke und zelluläre Interaktionen können durch zwei verschiedene Strategien der Systembiologie getroffen werden, die top-down und bottom-up Strategien. Die bottom-up Strategie beginnt bei a priori Wissen über einzelne Grundelemente und fügt diese zu größeren Einheiten wie Signalwegen oder ganzen Systemen zusammen. Top-down Strategien setzen bei Datensätzen eines Systems an und versuchen Netzwerke, Interaktionen oder Komponenten zu identifizieren, die für das Systemverhalten (z.B. Phänotyp) verantwortlich sind. Im Folgenden werden beide Strategien auf unterschiedliche Transkriptionsdaten angewendet und die Ergebnisse visualisiert. Beide Strategien können auf linearen Regressionsmodellen basieren. In dieser Arbeit werden lineare Regressionsmodelle höherer Ordnung mittels eines neuen visuellen Hilfsmittels, des Eruptionsdiagramms, verglichen. Methodik: Eruptionsdiagramme werden durch die Überlagerung zweier Vulkandiagramme erstellt. Beide Vulkandiagramme werden von derselben Datengrundlage generiert, stammen jedoch von zwei verschiedenen Modellen. Jedes Gen wird von einem Pfeil repräsentiert, welcher bei dem Punkt des Vulkandiagramms von Modell 1 startet und bei dem Punkt des Vulkandiagramms aus Modell 2 endet. Im Rahmen der Modellselektion können Eruptionsdiagramme als visuelles Hilfsmittel verwendet werden, um (ir)relevante Kovariaten, Störfaktoren und Effektmodifikation aufzudecken. Ergebnisse: Es werden zwei verschiedene Transkriptionsdatensätze analysiert: ein Maus-Infektionsdatensatz und ein humaner Asthmadatensatz. Für die Analyse des Infektionsdatensatzes werden verschiedene lineare Regressionsmodelle miteinander verglichen. Durch eine rückwärts-gewandte Modellselektionsstrategie wird gezeigt, dass durch die Infektionskovariaten erster Ordnung zusätzliche erklärende Kraft gewonnen wird. Durch das Eruptionsdiagramm werden Effekte zweiter Ordnung aufgedeckt. Ein Modellvergleich identifiziert die Kovariaten dritter Ordnung als Störfaktoren. Das Modell zweiter Ordnung, welches am besten zu den Daten passt, wird für die weiterführende Analyse verwendet. Die Ergebnisse der Interaktionskovariate werden in aggravating und alleviating Effekte unterteilt. Ein Interaktionseffekt ist alleviating (aggravating, neutral), falls der Effekt der kombinierten Kovariaten schwächer (stärker, identisch) als die Summe der individuellen Effekte dieser Kovariaten ist. Bei der bottom-up Analyse des Asthmadatensatzes werden die Daten nicht auf Einzelgenebene sondern auf Gengruppenebene analysiert. Zunächst wird das passende Regressionsmodell mit Hilfe des Eruptionsdiagramms aufgestellt. Der Einfluss der einzelnen Gene auf das globale Testergebnis der Gengruppen wird in diagnostischen Balkendiagrammen genauer untersucht. Eine Signalweganalyse der Gengruppen zeigt neue Biomarker und Signalwege für die Charakterisierung von allergischem und nicht-allergischem Asthma auf. Diskussion: Die Ergebnisse der Transkriptionsanalyse werden durch Anreicherungsanalysen auf ihre funktionelle Relevanz hin untersucht. Die Ergebnisse zeigten unterschiedliche funktionelle Eigenschaften der aggravating und alleviating Gene auf. Die Anreicherungsanalyse des Asthmadatensatzes der Gene, die von Störfaktoren beeinflusst werden und durch Effektmodifikation gekennzeichnet sind, weisen jedoch keine funktionellen Unterschiede auf. / Introduction: Model-based prediction of molecular networks and cellular interactions can be identified by two different strategies of systems biology, top-down and bottom-up strategies. The bottom-up strategy starts at a priori knowledge about single elements and merges into more complex units like signalling pathways or whole systems. Top-down strategies explore datasets of a system and try to identify networks, interactions or components responsible for the system behaviour (i.e. phenotype). In this thesis both strategies are applied to different transcription datasets and the corresponding results are visualized. The strategies can be based on linear regression models. In this work higher order regression models are compared using a new visual tool, the eruption plot. Methods: Eruption plots are generated by overlapping two volcano plots. Both volcano plots are based on the same data, but originate from two different models. Each gene is symbolized by an arrow, which connects the point from the volcano plot of the first model to the point from the volcano plot of the second model. The eruption plot is a visual supporting tool in model selection revealing (ir)relevant covariates, confounding factors and effect modification. Results: Two different transcription datasets are analysed in this work, a mouse-infection dataset and a human asthma dataset. For the analysis of the infection dataset two different linear regression models are being compared. As part of a backward driven model selection strategy the infection covariates provide additional explanatory power. The eruption plot highlights second order effects. A model comparison reveals third order covariates as confounding factors. The second order model that matches the data best is applied in the subsequent analysis. The results of the interaction covariates are divided into aggravating and alleviating effects. An interaction effect is alleviating (aggravating, neutral) if the effect of both covariates is lower (higher, identical) than the sum of both individual effects of these covariates. Within the bottom-up analysis of the asthma dataset the genes are not analysed on the single gene level but on the level of gene groups. By application of an eruption plot the adequate regression model is selected. Diagnostic bar plots help to further investigate the influence of the single gene on the global test result of the gene group. A pathway analysis of the gene groups shows new biomarkers and signalling pathways to characterize allergic and non-allergic asthma. Discussion: The functional relevance of both types of analysis is explored in detail through enrichment analysis. The results of the aggravating and alleviating genes show distinct functional properties. Genes of the asthma dataset are divided into genes influenced by confounding factors and effect modification. The enrichment analysis of these two groups, however, reveals no functional differences.

Die kongenitalen myasthenen Syndrome (CMS) stellen eine Gruppe seltener hereditärer Erkrankungen dar, die auf einer Störung im Nerv-Muskel-Signalübertragungsweg beruhen. Hinsichtlich Pathogenese, Molekulargenetik und klinischer Symptomatik zeichnen sich diese Syndrome durch eine starke Heterogenität aus, die eine Einteilung in CMS-Unterformen erforderlich macht. Die bislang bekannt gewordenen krankheitsursächlichen CMS-Gene kodieren in vielen Fällen für Synapsen-assoziierte Proteine. Um so überaschender war die kürzliche Entdeckung, dass Mutationen im Gen GFPT1, kodierend für das Schlüsselenzym des Hexosamin-Stoffwechselwegs, und zwar der Glutamin-Fruktose-6-Phosphat-Amidotransferase 1 (GFAT1), krankheitsauslösend für ein CMS mit Gliedergürtelbetonung sind. Dies ließ vermuten, dass ein neuer Pathomechanismus – nämlich Glykosylierungsstörungen – dieser CMS-Untergruppe zugrunde liegen könnte. Damit rückten weitere Gene für Enzyme des Hexosamin-Stoffwechselweges als Kandidatengene für CMS in den Fokus. Hauptschwerpunkt dieser Promotionsarbeit war deshalb, eine Kohorte von CMS-Patienten auf krankheitsrelevante Mutationen in den Hexosamin-Biosynthese-Genen GNPNAT1, PGM3, UAP1 und OGT zu untersuchen. Die Kohorte bestand aus insgesamt 44 CMS-Patienten, größtenteils solchen mit dem besonderen Phänotyp der Gliedergürtelbeteiligung (38 Patienten), zum kleineren Teil solchen mit bisher ungeklärter genetischer Ursache (6 Patienten). Jedoch konnte in keinem dieser Fälle eine mutmaßlich pathogene Sequenzveränderung in den genannten vier Kandidatengenen detektiert werden. Ein weiterer Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit lag darin, die vorgestellte Gliedergürtel-Kohorte auf bereits bekannte, jedoch nur äußerst selten nachgewiesene, CMS-verursachende Mutationen zu analysieren. Hierzu zählen vor allem Mutationen in MUSK, einem essentiellen Gen für eine an der neuromuskulären Synapsenbildung beteiligten Kinase. Weltweit sind hier überhaupt nur 5 Fälle/Familien in der Literatur beschrieben. Erstmals konnten im Rahmen dieser Arbeit bei einem Patienten die Sequenzvariante MUSK p.Asp38Glu und eine größere Deletion im MUSK-Gen nachgewiesen werden. Funktionelle Studien auf Ebene der MUSK-mRNA-Transkripte im Patientenmuskel, bioinformatische Daten und die Segregationsanalyse in der Familie lassen den Schluss zu, dass diese beiden Mutationen sehr wahrscheinlich als pathogen einzustufen sind. Klinisch fiel ein ausgezeichnetes Ansprechen auf Salbutamol auf, welches bei MUSK-CMS-Patienten bisher noch nicht beschrieben war. Die Analyse weiterer bekannter CMS-Gene in Patienten beider Kohorten führte zum Nachweis bereits beschriebener Frameshift-Mutationen in CHRNE, die bekanntermaßen zu einer verminderten Expression des Acetylcholinrezeptors an der Oberfläche von Muskelzellen führen. Neben den häufigen Mutationen c.1327delG in homozygoter Form und c.1353dupG in homozygoter und compound heterozygoter Form - beides Founder-Mutationen in der Population der Roma bzw. der nordafrikanischen Bevölkerung - wurde die Mutation c.70insG in compound heterozygoter Form gefunden. Interessanterweise lag bei zwei der hier beschriebenen vier CHRNE-Patienten ein Phänotyp mit prominenter Gliedergürtelschwäche vor, was für CHRNE-CMS-Patienten mit typischerweise im Vordergrund stehender okulärer Beteiligung ungewöhnlich ist. Zusammengefasst zeigen die im Rahmen dieser Arbeit identifizierten Patienten mit CHRNE-Mutationen klinisch eine unerwartet große Heterogenität. Ein Patient mit distal betonter Muskelschwäche aus der Kohorte mit ungewöhnlichen Phänotypen wies die Sequenzvariante c.866C>A/p.Ser289Tyr in CHRND in heterozygoter Form auf. Diese bisher nicht funktionell untersuchte Variante stellt eine autosomal dominant vererbte Slow-Channel-Mutation dar und führt möglicherweise wie die an gleicher Position lokalisierte, jedoch schon funktionell charakterisierte Mutation p.Ser289Phe zu einer verlängerten Kanalöffnungszeit des Acetylcholinrezeptors. Im Unterschied zu anderen CHRND-Patienten war phänotypisch jedoch keine respiratorische Beteiligung erkennbar. Bei einem weiteren Patienten mit Gliedergürtelphänotyp konnten zwei Sequenzvarianten nachgewiesen werden, deren pathogenes Potential aufgrund der Ergebnisse der in silico- und Segregationsanalyse, wenn überhaupt, als sehr gering einzustufen ist. Zum einen fand sich in CHRNB1 die Sequenzveränderung p.Val113Met heterozygot. Daneben war der Patient Träger der Sequenzvariante c.1137-3del in OGT, die abschließend auf Grund der Ergebnisse der in silico- und Segregationsanalyse ebenfalls als nicht krankheitsverursachend einzuschätzen ist. Zusammenfassend konnte im untersuchten Patientenkollektiv zwar keine krankheitsursächliche Mutation der Kandidatengenene des Hexosamin-Biosynthesewegs, i.e. GNPNAT1, PGM3, UAP1 und OGT, nachgewiesen werden. Die grundsätzliche pathogene Relevanz von Genen, die eine Rolle bei Glykosylierungsvorgängen spielen, wurde jedoch zwischenzeitlich durch Identifikation von Mutationen in den Genen DPAGT1, ALG2 und ALG14 bei CMS gezeigt. Eine vergleichende Gegenüberstellung der Phänotypen der im Rahmen der Arbeit genetisch aufgeklärten CMS-Patienten bestätigte die große klinische Heterogenität innerhalb der Krankheitsgruppe und zum Teil auch unter Patienten mit identischen Genotypen. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit ermöglichen eine Erweiterung des Phänotyps sowohl für häufig als auch für seltener ursächliche CMS-Gene und machen deutlich, welche klinische Relevanz die Analyse von seltenen CMS-Genen wie MUSK haben kann. Im Hinblick auf Salbutamol als eine Therapieoption bei MUSK-CMS wird ein neuartiger medikamentöser Behandlungsansatz aufgezeigt. Neben einem besseren Verständnis für die genetischen Hintergünde der Erkrankung leisten die Ergebnisse somit auch einen Beitrag für eine bessere Versorgung bzgl. Diagnostik und Therapie von Patienten mit dieser seltenen neuromuskulären Erkrankung.

Interstitial lung diseases (ILD) are severe chronic lung diseases characterized by an increased deposition of extracellular matrix in the lung interstitial space, leading to a thickening of the alveolar walls and impairment of the gas exchange. One of the most common entities in this category is idiopathic pulmonary fibrosis (IPF) with a mean survival time of 2 to 3 years from diagnosis. Until now, there is no curative therapy available and the symptomatic anti- inflammatory treatment and oxygen supplementation cannot prevent the development of the end stage pulmonary fibrosis. The chemokine receptor CCR2 is important for leukocyte recruitment to inflamed tissues through interaction with CCL2 (MCP-1). The blockade of the CCR2/CCL2 pathway attenuated the development of pulmonary fibrosis in mouse models. However, CCR2+ T-lymphocytes acquired regulatory functions in experimental arthritis during the course of disease. Therefore, it is unknown whether CCR2+ T cells are involved in the pathogenesis of IPF or, on the contrary, represent an unsuccessful effort of the immune system to limit the disease. Observations in paediatric patients with different forms of ILDs suggested a role for CCR2+ T cells in pulmonary fibrosis. To characterize these T cells, flow cytometric studies were performed using the bleomycin mouse model of pulmonary fibrosis. The kinetic of CCR2+ T cells in BALF, lung tissue, and spleen following intratracheal administration of bleomycin (BLM) was assessed at time points between day 3 and day 21. To determine, if the constellation of naïve, central memory and effector memory T cells changes after BLM treatment, and to which of these subtypes CCR2+ T cells belong to, the cells were additionally stained for CD62L and CD44. For further characterization of CCR2+ T cells, chemokine receptor co-expression with CCR2 was investigated at the time point of the maximal presence of CCR2+ T cells. Total T cell numbers increased in BAL and lung tissue but not in spleen. Percentages of CD62LlowCD44hi effector memory T cells increased in lung tissue in the early phase of BLM induced fibrosis, while the CD62LhiCD44low naïve T cell population decreased. The percentage of CCR2+ T cells increased following BLM treatment with a maximum on day 12. The majority of CCR2+CD4+ T cells showed a Tem phenotype. CCR3, CCR4, CCR6, CXCR4, and CXCR5 expressing cells increased within the pulmonary CD4+ T cell population following bleomycin treatment. Among CD8+ T cells from treated mice, CCR5, CCR6, and CXCR5 positive cells were increased. CCR7 was highly co-expressed with CCR2 in saline and bleomycin treated mice, whereas co-expression of CCR3, CCR4, CCR6 and CXCR5 increased significantly in treated mice. The results indicate an activation of pulmonary T cell populations following bleomycin treatment. CCR2+CD4+ T cells probably take part on this T cell response as they exhibit an effector memory phenotype and increase following BLM treatment. In contrast, the stable percentages of the different T cell subtypes in spleens gave no hint for a systemic T cell reaction. The pattern of chemokine receptor expression argues against a Th1 polarization and towards a Th2, Th17 or TFH polarization of CCR2+ T cells.

Das Hauptziel der vorliegenden Studie war der Vergleich der Stress- und Schmerzbelastung von Ohrmarken einziehen mit der Belastung durch die Eingriffe Kastration und Schwanzkupieren. Hierfür wurden 210 männliche Saugferkel in sieben Versuchsgruppen (n = 30) untersucht: Handling, Kastration ohne Analgesie, Kastration unter Analgesie, Ohrmarken einziehen ohne Analgesie, Ohrmarken einziehen unter Analgesie, Schwänze kupieren ohne Analgesie und Schwänze kupieren unter Analgesie. Als Analgetikum wurde Metacam® (5 mg/ml; Boehringer Ingelheim Vetmedica GmbH, Ingelheim am Rhein) verwendet. Von jedem Ferkel wurden fünf Blutproben genommen: 30 min vor dem Eingriff sowie 30 min, 60 min, 4 h und 7 h nach dem Eingriff. Als Stress- und Schmerzparameter wurde Cortisol im Blut gemessen. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass Ohrmarken einziehen keine so ausgeprägte Stress- und Schmerzbelastung hervorruft wie die Kastration, aber mehr Stress und Schmerz als das Schwanzkupieren bewirkt. Bei allen drei Eingriffen konnte die Schmerzbelastung durch Analgesie deutlich reduziert werden. Darüber hinaus war es Ziel der vorliegenden Untersuchung, Verhaltensparameter für die Beurteilung kastrationsbedingter Schmerzen beim Saugferkel zu definieren. Anhand verblindeter Videoauswertung wurden 63 männliche Saugferkel nach folgenden Verhaltensparametern beobachtet: Zeit am Gesäuge, Liegen, Spielen, Schwanzwackeln, Schmerzhaltung, Positionswechsel, Isolation und Desynchronisation. Dabei waren die Ferkel in drei Gruppen (n = 21) randomisiert: Handling unter Analgesie, Kastration ohne Analgesie und Kastration unter Analgesie. Als Analgetikum diente Meloxicam (Metacam® 5 mg/ml, Boehringer Ingelheim Regional Center Vienna, Wien, Österreich). Ausgewertet wurden Daten von unmittelbar nach dem Eingriff bis zur fünften Stunde danach. Die Ergebnisse lassen erkennen, dass diese auf quantitativer Verhaltensanalyse angelehnte Verhaltensbeobachtung in Hinblick auf Validität und Reliabilität in der vorliegenden Form nur bedingt für die Beurteilung kastrationsbedingter Schmerzen beim Saugferkel verwendet werden kann. Neue Forschungsergebnisse aus der qualitativen Verhaltensanalytik könnten einen wertvollen Beitrag zu einer Methodenverbesserung leisten.

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Durchfallerkrankungen, oft ausgelöst durch virale, bakterielle und parasitäre Erreger, stellen ein großes Problem in der Kälberaufzucht dar. Ziel der Studie war zum einen, aktuelle Daten zum Vorkommen von Giardien, Kryptosporidien und Eimerien bei durchfallkranken sowie gesunden Kälbern in Süddeutschland zu erhalten, wobei die Rolle von Giardia spp. im Mittelpunkt der Untersuchungen stand. Von Januar bis Dezember 2012 wurden dazu 1564 Kotproben durchfallkranker Tiere und 185 Kotproben gesunder Kälber mikroskopisch untersucht. Die Infektionsraten in den Proben durchfallkranker Kälber lagen bei 7,2% für Giardia spp., 41,3% für Cryptosporidium spp. und 13,3% für Eimeria spp. Die Mehrheit dieser Proben(n=1282) wurde mittels ELISA zusätzlich auf E.coli, Rota-, Coronaviren und Kryptosporidien untersucht, wobei Nachweisraten von 0,9%, 37,8%, 3,4% und 45,3% erzielt wurden. In 23,2% der Proben gesunder Kälber wurde Giardia spp. diagnostiziert, in 2,7% Cryptosporidium spp. und in 45,9% Eimeria spp. Bei Betrachtung der altersabhängigen Infektionsraten wird deutlich, dass Giardien bei durchfallkranken, älteren Kälbern von Bedeutung sind. Die Auswirkungen einer subklinischen Giardiose auf die Entwicklung der Tiere bleiben, ebenso wie die Bedingungen, unter denen es zum Auftreten von Symptomen kommt, weiter unklar. Weiteres Ziel der Studie war, das Vorkommen verschiedener Giardia-Arten bei gesunden und durchfallkranken Kälbern in Süddeutschland zu untersuchen. Dafür wurden 152 mikroskopisch Giardia-positive Proben genotypisiert. In 91,8% der PCR positiven Proben wurde G. bovis identifiziert, in 7,3% G. duodenalis und in 0,9% eine Mischinfektion von G. bovis und G. duodenalis. Weiter gelang eine Identifizierung der Sub-Genotypen A1, E2 und E3 innerhalb dieser Proben. Während ein Nachweis von G. duodenalis nur in Mischinfektion mit Kryptosporidien oder Eimerien gelang, wurde G. bovis in einigen Proben durchfallkranker Kälber als Monoinfekton nachgewiesen. Dies lässt einen möglichen Beitrag der Rinder-spezifischen Art G. bovis zum Durchfallgeschehen vermuten. Das Vorkommen der zoonotischen Art G. duodenalis in Kälbern birgt ein potentielles Risiko für den Menschen, wobei auch die Übertragung vom Mensch auf das Tier denkbar ist.

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, epidemiologische Daten zur Populationsdynamik und zum Artenspektrum von Zecken bei Katzen durch parasitologische Untersuchungen zu erheben. Dies geschah in der Zeit vom 01.10.2011 bis 31.10.2012 in Nieder- bayern (Landkreis Landshut). Dazu wurden in 4 Tierarztpraxen ohne Vorselektion insgesamt 1786 Katzen unter Erfassung von Alter, Geschlecht, Rasse, Haarlänge, Lebensraum, Haltungs- und Pflegezu- stand sowie Vorbehandlung durch Antiparasitika auf einen Zeckenbefall hin untersucht.

In der Arbeit wurden die Hoden von nicht-geschlechtsreifen (11-12 Wochen) und geschlechtsreifen (7-10 Monate) klinisch gesunden Kaninchen einer lichtmikroskopischen, ultrastrukturellen, glykohistochemischen und immunhistochemischen Analyse unterzogen.

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