No description available.

Adipositas ist ein bedeutendes Gesundheitsrisiko und deren Prävalenz steigt stetig seit Dekaden. Die zugrundeliegenden Mechanismen der Entstehung der Adipositas sind daher zwingend notwendig um neue Methodiken der Präventation und Behandlung zu finden. Viele Faktoren tragen zur Entstehung der Adipositas bei - in den letzten Jahren sind die Bedeutung und der Einfluss des Gehirns und unseres Verhaltens auf die Entstehung von Adipositas tiefgreifender erforscht worden. So ist Adipositas mit Veränderungen in der Struktur und Funktionalität des Gehirns und damit einhergehend kognitiven Prozessen assoziiert. Studien an Tiermodellen haben gezeigt, dass ähnliche Veränderungen bereits nach einer erhöhten Zunahme von Fett und Zucker, ohne einhergehende Adipositas, auftreten können. Da unsere moderne Essenslandschaft von Fett- und Zuckerreichen Lebensmitteln geprägt ist, ist es wichtig zu verstehen, diese Lebensmittel auch im Menschen zu Veränderungen im Gehirn und der Kognition führen und so die Entstehung von Adipositas vorantreiben. Ziel dieser Dissertation war es zum ersten Mal einen Zusammenhang zwischen Fett- und Zuckerreicher Ernährung und Veränderungen in Kognition und Entscheidungsfindung zu untersuchen. Da mit Adipositas assoziierte Veränderungen des Gehirns unter anderem im Dopaminsystem auftreten- verantwortlich für Prozesse von zielgerichtetem Verhalten, unter anderem dem Arbeitsgedächtnis - fokussiert sich diese Dissertation auf Dopaminabhängige kognitive Prozesse und Zusammenhänge. Hierfür wurden zwei experimentelle Verhaltensstudien mit jungen und gesunden Probandinnen durchgeführt. In der ersten Studie wurden Probandinnen anhand ihres Fett- und Zuckerkonsums in Gruppen mit niedrigem und hohem Konsum eingeteilt. Beide Gruppen unterzogen sich einer Ernährungsbedingten Dopamindepletion und absolvierten einen kognitiven Test zur Messung der Kapazität des Arbeitsgedächtnis. Unter Normalbedingung, sprich nicht-manipulierten Dopaminleveln, unterschied sich die Kapazität des Arbeitsgedächtnis nicht zwischen den beiden Gruppen. Im depletierten Zustand, sprich mit verringerten Dopaminleveln, blieb die Kapazität der Gruppe mit hohem Fett- und Zuckerkonsum unverändert, wohingegen sich die Kapazizät der Gruppe mit niedrigem Fett- und Zuckerkonsum verringerte. Daraus lässt sich schließen, dass erhöhter Fett und Zuckerkonsum mit erhöhten Dopaminleveln assozziert sind. In der zweiten Studie wurden erneut Probanden anhand ihres Fett- und Zuckerkonsums in Gruppen mit niedrigem und hohem Konsum eingeteilt. Beide Gruppen absolvierten einen Test zur Messung der Stabilität und Flexibilität des Arbeitsgedächtnis im Magnetresonanztomographen. Der Konsum von Fett und Zucker war weder mit Veränderungen in der Flexibilität und Stabilität des Arbeitsgedächtnis, noch mit veränderter neuronaler Aktivität während des Tests assoziiert. Die Ergebnisse der vorliegenden Dissertation geben keinen Eindeutigen Hinweis darauf, dass erhöhter Fett- und Zuckerkonsum mit Veränderungen im Dopaminsystem und Dopaminabhängiger Kognition assozziert sind. Weitere Studien sind daher nötig um tiefergehende Erkenntnisse zu erlangen.:List of Abbreviations ................................................................................................... 3 I. Introduction ............................................................................................................. 4 1. The current obesity pandemic and treatment options ............................................ 4 2. The Neurocognitive profile of obesity ..................................................................... 6 2. 1 Attentional bias to food ........................................................................................ 6 2. 2 Food reward sensitivity ....................................................................................... 7 2. 3 Self-control and executive function...................................................................... 8 2.4 Working memory .................................................................................................. 8 3. Dopamine and cognition....................................................................................... 10 3. 1 Dopamine pathways for action selection............................................................ 10 3. 2 Prefrontal and striatal dopamine modulate working memory stability and flexibility .................................................................................................................... 12 4. The interplay between obesity and dopamine ...................................................... 13 4.1 How is the dopamine system altered in obesity? ............................................... 13 4.2 Western diet and alterations of the dopamine system ....................................... 14 5. Genetic susceptibility to obesity ........................................................................... 15 5.1 Dopaminergic single nucleotide polymorphisms ................................................ 15 II. Rationale of the experimental work ...................................................................... 18 Study 1 ..................................................................................................................... 18 Study 2 ..................................................................................................................... 19 III. Published Articles ................................................................................................ 20 Publication 1 ............................................................................................................. 20 Publication 2 ............................................................................................................. 39 IV. Summary ............................................................................................................. 57 V References ........................................................................................................... 62 VI Appendix .............................................................................................................. 84 Darstellung des eigenen wissenschaftlichen Beitrags ............................................. 84 Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit .......................................... 87 Curriculum Vitae ....................................................................................................... 88 Publications .............................................................................................................. 91 Conference contributions ......................................................................................... 91 Acknowledgements .................................................................................................. 93

Chapter I: Introduction Temperature is a major driver of biodiversity and abundance patterns on our planet, which becomes particularly relevant facing the entanglement of an imminent biodiversity and climate crisis. Climate shapes the composition of species assemblages either directly via abiotic filtering mechanisms or indirectly through alterations in biotic interactions. Insects - integral elements of Earth’s ecosystems - are affected by climatic variation such as warming, yet responses vary among species. While species’ traits, antagonistic biotic interactions, and even species’ microbial mutualists may determine temperature-dependent assembly processes, the lion’s share of these complex relationships remains poorly understood due to methodological constraints. Mountains, recognized as hotspots of diversity and threatened by rapidly changing climatic conditions, can serve as natural experimental settings to study the response of insect assemblages and their trophic interactions to temperature variation, instrumentalizing the high regional heterogeneity of micro- and macroclimate. With this thesis, we aim to enhance our mechanistic understanding of temperature-driven assembly processes within insect communities, exemplified by Orthoptera, that are significant herbivores in temperate mountain grassland ecosystems. Therefore, we combined field surveys of Orthoptera assemblages on grassland sites with molecular tools for foodweb reconstruction, primarily leveraging the elevational gradients offered by the complex topography within the Berchtesgaden Alpine region (Bavaria, Germany) as surrogate for temperature variation (space-for-time substitution approach). In this framework, we studied the effects of temperature variation on (1) species richness, abundance, community composition, and interspecific as well as intraspecific trait patterns, (2) ecological feeding specialisation, and (3) previously neglected links to microbial associates found in the faeces. Chapter II: Temperature-driven assembly processes Climate varies at multiple scales. Since microclimate is often overlooked, we assessed effects of local temperature deviations on species and trait compositions of insect communities along macroclimatic temperature gradients in Chapter II. Therefore, we employed joint species distribution modelling to explore how traits drive variation in the climatic niches of Orthoptera species at grassland sites characterized by contrasting micro- and macroclimatic conditions. Our findings revealed two key insights: (1) additive effects of micro- and macroclimate on the diversity, but (2) interactive effects on the abundance of several species, resulting in turnover and indicating that species possess narrower climatic niches than their elevational distributions might imply. This chapter suggests positive effects of warming on Orthoptera, but also highlights that the interplay of macro- and microclimate plays a pivotal role in structuring insect communities. Thus, it underscores the importance of considering both elements when predicting the responses of species to climate change. Additionally, this chapter revealed inter- and intraspecific effects of traits on the niches and distribution of species. Chapter III: Dietary specialisation along climatic gradients A crucial trait linked to the position of climatic niches is dietary specialisation. According to the ‘altitudinal niche-breadth hypothesis’, species of high-elevation habitats should be less specialized compared to their low-elevation counterparts. However, empirical evidence on shifts in specialization is scarce for generalist insect herbivores and existing studies often fail to control for the phylogeny and abundance of interaction partners. In Chapter III, we used a combination of field observations and amplicon sequencing to reconstruct dietary relationships between Orthoptera and plants along an extensive temperature gradient. We did not find close but flexible links between individual grasshopper and plant taxa in space. While interaction network specialisation increased with temperature, the corrected dietary specialisation pattern peaked at intermediate elevations on assemblage level. These nuanced findings demonstrate that (1) resource availability, (2) phylogenetic relationships, and (3) climate can affect empirical foodwebs intra- and interspecifically and, hence, the dietary specialisation of herbivorous insects. In this context, we discuss that the underlying mechanisms involved in shaping the specialisation of herbivore assemblages may switch along temperature clines. Chapter IV: Links between faecal microbe communities, feeding habits, and climate Since gut microbes affect the fitness and digestion of insects, studying their diversity could provide novel insights into specialisation patterns. However, their association with insect hosts that differ in feeding habits and specialisation has never been investigated along elevational climatic gradients. In Chapter IV, we utilized the dietary information gathered in Chapter III to characterize links between insects with distinct feeding behaviour and the microbial communities present in their faeces, using amplicon sequencing. Both, feeding and climate affected the bacterial communities. However, the large overlap of microbes at site level suggests that common bacteria are acquired from the shared feeding environment, such as the plants consumed by the insects. These findings emphasize the influence of a broader environmental context on the composition of insect gut microbial communities. Chapter V: Discussion & Conclusions Cumulatively, the sections of this dissertation provide support for the hypothesis that climatic conditions play a role in shaping plant–herbivore systems. The detected variation of taxonomic and functional compositions contributes to our understanding of assembly processes and resulting diversity patterns within Orthoptera communities, shedding light on the mechanisms that structure their trophic interactions in diverse climates. The combined results presented suggest that a warmer climate could foster an increase of Orthoptera species richness in Central European semi-natural grasslands, also because the weak links observed between insect herbivores and plants are unlikely to limit decoupled range shifts. However, the restructuring of Orthoptera communities in response to warmer temperatures depends on species' traits such as moisture preferences or phenology. Notably, we were able to demonstrate a crucial role of microclimate for many species, partly unravelling narrower climatic niches than their elevational ranges suggest. We found evidence that not only Orthoptera community composition, specialisation, and traits varied along elevational gradients, but even microbial communities in the faeces of Orthoptera changed, which is a novel finding. This complex restructuring and reassembly of communities, coupled with the nonlinear specialisation of trophic interactions and a high diversity of associated bacteria, emphasize our currently incomplete comprehension of how ecosystems will develop under future climatic conditions, demanding caution in making simplified predictions for biodiversity change under climate warming. Since these predictions may benefit from including biotic interactions and both, micro- and macroclimate based on our findings, conservation authorities and practitioners must not neglect improving microclimatic conditions to ensure local survival of a diverse set of threatened and demanding species. In this context, mountains can play a pivotal role for biodiversity conservation since these offer heterogeneous microclimatic conditions in proximity that can be utilized by species with distinct niches. / Kapitel I: Einleitung Die Temperatur ist eine wichtige Triebkraft hinter den Artenvielfalts- und Abundanzmustern auf unserem Planeten, was angesichts der Verflechtung der unmittelbar bevorstehenden Biodiversitäts- und Klimakrise besonders relevant ist. Das Klima strukturiert die Artenvielfalt direkt durch abiotische Filtermechanismen oder indirekt durch Veränderungen biotischer Wechselwirkungen. Insekten - wesentliche Bestandteile der Ökosysteme der Erde - sind von klimatischen Veränderungen wie der Erwärmung betroffen, reagieren aber je nach Art unterschiedlich. Während die Merkmale der Arten, antagonistische biotische Interaktionen und sogar die mikrobiellen Partner der Arten temperaturabhängige Zusammensetzungsprozesse bestimmen können, bleibt ein Großteil dieser komplexen Beziehungen aufgrund methodischer Einschränkungen nach wie vor schlecht verstanden. Gebirge, die als Hotspots der Diversität gelten und von sich rasch verändernden klimatischen Bedingungen bedroht sind, können durch Nutzung der großen regionalen Heterogenität der Klein- und Großklimate als natürliche Experimente dienen, um die Reaktion von Insektengemeinschaften und deren trophischen Interaktionen auf Temperaturänderungen zu untersuchen. Mit dieser Arbeit möchten wir einen Beitrag zum mechanistischen Verständnis der temperaturbedingten Zusammensetzungsprozesse von Insektengemeinschaften leisten, am Beispiel von Heuschrecken, die bedeutende Pflanzenfresser in Grünlandökosystemen der gemäßigten Breiten sind. Hierfür kombinierten wir Felduntersuchungen von Heuschreckengemeinschaften in Grünlandstandorten mit molekularen Methoden zur Rekonstruktion von Nahrungsbeziehungen, wobei wir hauptsächlich die Höhengradienten, die die komplexe Topografie der Berchtesgadener Alpenregion (Bayern, Deutschland) bietet, stellvertretend für Temperaturveränderungen verwendeten (Raum-Zeit-Substitutionsansatz). In diesem Rahmen untersuchten wir die Auswirkungen von Temperaturvariation auf (1) den Artenreichtum, die Abundanz, die Zusammensetzung der Gemeinschaft und die inter- und intraspezifischen Merkmalsmuster, (2) die ökologische Nahrungsspezialisierung und (3) die bis dato vernachlässigte Verbindung zu den mikrobiellen Begleitarten im Kot. Kapitel II: Temperaturabhängige Zusammensetzungsprozesse Das Klima variiert auf verschiedenen Ebenen. Da Veränderungen im Kleinklima oft vernachlässigt werden, haben wir in Kapitel II die Auswirkungen der lokalen Temperaturunterschiede auf die Arten- und Merkmalszusammensetzung von Insektengemeinschaften entlang makroklimatischer Temperaturgradienten untersucht. Hierfür haben wir die Methode der gemeinsamen Artenverteilungsmodellierung verwendet, um zu untersuchen, wie Artmerkmale die Unterschiede in klimatischen Nischen von Heuschreckenarten auf Grünlandstandorten mit gegensätzlichen mikro- und makroklimatischen Bedingungen beeinflussen. Unsere Ergebnisse brachten zwei wichtige Erkenntnisse zutage: (1) additive Auswirkungen des Mikro- und Makroklimas auf die Vielfalt, aber (2) interaktive Effekte auf die Häufigkeit mehrerer Arten, die sich in Zusammensetzungsunterschieden niederschlagen und auf engere klimatische Nischen hinweisen, als es die Höhenverbreitung vermuten lässt. Dieses Kapitel deutet auf positive Auswirkungen einer Erwärmung auf Orthoptera hin, zeigt aber auch, dass das Zusammenspiel von Makro- und Mikroklima eine Schlüsselrolle bei der Strukturierung von Insektengemeinschaften spielt und beide Elemente bei der Vorhersage der Reaktionen von Arten auf den Klimawandel berücksichtigt werden sollten. Darüber hinaus wurden in diesem Kapitel die inter- und intraspezifischen Auswirkungen von Merkmalen auf die Nischen und die Verbreitung von Arten aufgezeigt. Kapitel III: Nahrungsspezialisierung entlang von Klimagradienten Ein entscheidendes Merkmal für die Lage der klimatischen Nische einer Art ist die Nahrungsspezialisierung. Nach der "Hypothese der Höhenlagen-abhängigen Nischenbreite" sollten Arten in hoch gelegenen Lebensräumen weniger spezialisiert sein als ihre Pendants in niedrigen Lagen. Empirische Belege für Verschiebungen in der Spezialisierung von generalistischen, herbivoren Insekten sind jedoch rar und es fehlt eine Berücksichtigung der Häufigkeit und Phylogenie von Interaktionspartnern. In Kapitel III haben wir eine Kombination aus Feldbeobachtungen und Amplikonsequenzierung verwendet, um die Nahrungsbeziehungen von Heuschrecken und Pflanzen entlang eines ausgedehnten Temperaturgradienten zu rekonstruieren. Wir konnten keine engen, sondern flexible Beziehungen zwischen einzelnen Herbivoren- und Pflanzentaxa feststellen. Während die Spezialisierung der Interaktionsnetzwerke mit der Temperatur zunahm, erreichte das korrigierte Muster der Nahrungsspezialisierung auf Gemeinschaftsebene seinen Höhepunkt in mittleren Höhenlagen. Diese differenzierten Ergebnisse zeigen, dass (1) die Verfügbarkeit von Ressourcen, (2) phylogenetische Beziehungen und (3) das Klima intra- und interspezifische empirische Nahrungsbeziehungen und damit die Nahrungsspezialisierung pflanzenfressender Insekten beeinflussen können. In diesem Kontext diskutieren wir, dass die zugrundeliegenden Mechanismen hinter der Nahrungsspezialisierung von herbivoren Insekten entlang von Temperaturgradienten wechseln könnten. Kapitel IV: Verbindungen zwischen Kotbakteriengemeinschaften, Ernährungsgewohnheiten und Klima. Da Darmbakterien die Fitness und Verdauung von Insekten beeinflussen, könnte die Untersuchung deren Vielfalt neue Erkenntnisse über Spezialisierungsmuster liefern. Ihre Verbindung mit Insekten, die sich in ihren Ernährungsgewohnheiten und ihrer Spezialisierung unterscheiden, wurde jedoch noch nie entlang klimatischer Höhengradienten untersucht. In Kapitel IV verwendeten wir Nahrungsinformationen aus Kapitel III, um mit Hilfe von Amplikonsequenzierung Verbindungen zwischen Insekten mit unterschiedlichem Ernährungsverhalten und mikrobiellen Gemeinschaften in deren Kot zu charakterisieren. Sowohl die Nahrung als auch das Klima hatten Auswirkungen auf die bakteriellen Gemeinschaften. Die große Überschneidung der Mikrobengemeinschaften auf Standortebene deutet jedoch darauf hin, dass gemeinsame Bakterien aus der geteilten Nahrungsumgebung, wie z.B. den von den Insekten verzehrten Pflanzen, stammen. Diese Ergebnisse unterstreichen den Einfluss eines breiteren Umweltkontextes auf die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften im Insektendarm. Kapitel V: Diskussion & Schlussfolgerungen Insgesamt stützen die Kapitel dieser Dissertation die Hypothese, dass klimatische Verhältnisse Pflanzen-Pflanzenfresser-Systeme prägen. Die festgestellten Unterschiede in der taxonomischen und funktionellen Zusammensetzung tragen zu unserem Verständnis der Zusammensetzungsprozesse und daraus resultierenden Diversitätsmustern von Heuschreckengemeinschaften sowie der Mechanismen bei, die deren trophische Interaktionen in verschiedenen Klimazonen strukturieren. Die Kombination der Ergebnisse deutet darauf hin, dass wärmeres Klima eine Zunahme des Heuschreckenartenreichtums in naturnahen Grünlandgebieten Mitteleuropas begünstigen könnte, auch weil die schwachen Verbindungen zwischen den herbivoren Insekten und Pflanzen entkoppelte Arealverschiebungen wahrscheinlich nicht limitieren. Jedoch könnten höhere Temperaturen die Zusammensetzung von Heuschreckengemeinschaften je nach den Merkmalen der Arten wie deren Feuchtigkeitsvorlieben oder der Schlupfphänologie verändern. Darüber hinaus konnten wir nachweisen, dass das Mikroklima für viele Arten eine entscheidende Rolle spielt, da es teilweise engere klimatische Nischen aufdeckt, als ihre Höhenverbreitung vermuten lassen. Wir fanden Hinweise darauf, dass sich nicht nur die Zusammensetzung, Spezialisierung und Merkmale der Heuschreckengemeinschaften entlang der Höhengradienten ändern, sondern dass sogar die mikrobiellen Gemeinschaften im Kot variieren, was eine neue Erkenntnis darstellt. Diese komplexe Umstrukturierung und Neuzusammensetzung von Gemeinschaften in Kombination mit der nichtlinearen Spezialisierung von Interaktionen und einer hohen Vielfalt an assoziierten Bakterien unterstreichen unser noch immer begrenztes Verständnis davon, wie sich Ökosysteme unter zukünftigen Klimabedingungen entwickeln werden, und mahnen zur Vorsicht bei vereinfachten Vorhersagen über die Veränderung der biologischen Vielfalt im Zuge der Klimaerwärmung. Da solche Vorhersagen auf Grundlage unserer Ergebnisse vom Einbezug biotischer Wechselwirkungen und des Mikro- und Makroklimas profitieren können, dürfen Naturschutzverantwortliche eine Verbesserung der mikroklimatischen Bedingungen nicht vernachlässigen, um das lokale Überleben einer Vielzahl bedrohter und anspruchsvoller Arten zu sichern. In diesem Zusammenhang können Berge eine entscheidende Rolle für den Erhalt der biologischen Vielfalt spielen, da sie in räumlicher Nähe heterogene mikroklimatische Bedingungen bieten, die von Arten mit unterschiedlichen Nischen genutzt werden können.

Um chromosomale Veränderungen zu untersuchen, die mit dem metastatischen Phänotyp assoziiert sind, zu identifizieren, wurde die Comparative Genomische Hybridisierung (CGH) an Plattenepithelkarzinomen der Lunge durchgeführt. Der statistische Vergleich zwischen metastasierten und nicht-metastasierten Tumoren legte nahe, daß Deletionen von 3p12, 4p16, 6p22-p24, 6q24-q26, 8p21-p23, 10q und 21q22 sowie DNA-Gewinne bei 1q21-q25, 8q, 9q34, 11q13 und 15q11-q13 signifikant mit der Metastasierung assoziiert waren. Ausgedehnte Allelotypisierungsstudien konnten 3 minimale Deletionsregionen auf Chromosom 10q nachweisen. Die Untersuchung der Kandidatengene PTEN/MMAC1, MXI1 und DMBT1 in diesen Bereichen war jedoch negativ. Zur Identifizierung neuer Kandidatengene in der Lungenkrebs-Progression zu identifizieren, wurde die Subtraktive Suppressions-Hybridisierung (SSH) eingesetzt. Der Expressionsvergleich einer metastasierten Adenokarzinomzellinie mit einer Primärkultur normaler Lungenepithelzellen resultierte in der Klonierung von 2 cDNA-Bibliotheken mit insgesamt 752 Klonen, welche sequenziert und im Northern Blot auf differentielle Expression untersucht wurden. In weniger als 40% zeigten sich Homologien zu bereits bekannten Genen. Die weitere Analyse eines unbekannten cDNA-Fragmentes führte zur Klonierung und Charakterisierung eines neuen Genes, welches das humane Calcyclin-bindende Protein kodiert, auf Chromosom 1q24-q25. Die Überexpression dieses Genes in Lungenkarzinomzellinien sowie die Aufdeckung intra- und interchromosomaler Rearrangements mittels Fluoreszenz- in situ-Hybridisierung (FISH) weist auf eine mögliche Bedeutung in der Progression von Lungenkarzinomen hin. / To identify chromosomal imbalances associated with the metastatic phenotype Comparative Genomic Hybridization (CGH) was applied to squamous cell carcinomas of the lung. The comparison of metastatic and non-metastatic tumors suggested that deletions of 3p12, 4p16, 6p22-p24, 6q24-q26, 8p21-p23, 10q, and 21q22 as well as DNA gains of 1q21-q25, 8q, 9q34, 11q13, and 15q11-q13 were significant associated with the metastasis formation. Extensive allelotyping studies revealed 3 minimal deleted regions of chromosome 10q. The mutational analysis of the three candidate genes PTEN/MMAC1, MXI1, and DMBT1 located near these regions was negative. To isolate new candidate genes involved in lung cancer progression suppression subtractive hybridization (SSH) was used. The comparison of the expression pattern of a metastatic lung adeno carcinoma cell line with a primary culture of normal airway epithelial cells resulted in the cloning of 752 cDNA fragments which were sequenced and investigated by Northern blot hybridization. The sequence comparison showed homology to known genes in less than 40%. The further investigation led to the cloning and characterization of a new gene encoding the human Calcyclin-binding protein on chromosome 1q24-q25. The gene was overexpressed in a panel of lung cancer cell lines and showed intra- and interchromosomal reaarangements using fluorescence in situ- hybridization (FISH) suggesting the involvement of this gene in lung cancer progression.

In den histopathologischen Mustern III und IV nach Lucchinetti et al. 2000 ist die Anzahl der Oligodendrozyten in MS-Läsionen deutlich reduziert. Zugleich findet man in diesen Subtypen eine vermehrte Expression von p53. Daher war es Ziel der vorliegenden Arbeit zu untersuchen, ob das vermehrte Vorkommen von Sequenzveränderungen im p53-Gen ursächlich für die vermehrte p53-Expression in Oligodendrozyten der MS-Plaques sein könnte. Dazu wurden DNA-Proben von MS-Patienten und gesunden Kontrollen mittels PCR-SSCP untersucht, verglichen und ggf. sequenziert. Dabei fand sich mit Hilfe der angewendeten Methoden kein signifikanter Unterschied zwischen beiden Kollektiven. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit geben nichtsdestotrotz Anlass zu vermuten, dass p53 in einigen histologischen Subtypen der MS - in welcher Form auch immer - an der Pathogenese oder dem Untergang von Oligodendrozyten in MS-Läsionen beteiligt zu sein scheint. Die gefundene erhöhte Expression ist in ihrer Ätiologie bislang noch nicht geklärt. Dennoch könnten weitere Untersuchungen p53-abhängiger Mechanismen, die zu einer Zerstörung von Myelin/Oligodendrozyten führen, einen Beitrag zur Entwicklung neuer Therapiestrategien leisten. Sowohl neue immunmodulatorische als auch neuroprotektive Therapien erscheinen in diesem Zusammenhang denkbar. / Clinical course, outcome, radiological features, severity, and histopathology are heterogenous in multiple sclerosis (MS). Since MS is considered to be a polygenic disease, the genetic background may at least partly be responsible for this variability. Some MS cases are histopathologically characterized by a dramatic oligodendrocyte loss that is in part caused by apoptosis. A dysregulated apoptotic elimination of self-reactive T cells may also contribute to disease susceptibility. To analyze genetic differences in the apoptosis regulating factors p53 we investigated polymorphisms of these gene in 105 patients with a relapsing remitting disease course, 49 patients with a primary progressive course and 100 controls by PCR-SSCP and direct sequencing. We identified so far unpublished sequence alterations in the promotor region of the in exon 7 of the p53 gene.. No differences were observed between MS patients and controls. Additional known polymorphisms were found in exon 6 of the p53 gene. No significant differences in the frequency of gene sequence variations were found between MS patients and controls. The apoptosis gene studied here therefore appear less likely to be important effector genes in MS.

Having a comprehensive view of the entire gene complement and coding capacity of bacterial pathogens, and how their gene expression is regulated, is crucial for understanding their strategy for survival, stress adaptation as well as host colonization and infection. In pathogens like Campylobacter jejuni, where homologs of key virulence factors used by other enteric pathogens are absent, it is important to gain a complete census of genes to understand how it causes disease. Deep sequencing approaches have expanded our knowledge on global gene expression profiles and aided in a better understanding of the coding complexity in bacteria. For example, they revealed small regulatory RNAs (sRNAs) involved in, e.g., stress response and adaptation or highlighted the concept of genes within genes, including dual-function sRNAs or alternative open reading frames (ORFs) within or antisense to known genes. Techniques like ribosome profiling (Ribo-seq) spotlighted a major gap in bacterial genome annotations, as it revealed that the so-called small proteome/sORFome (census of small proteins and small ORFs) is largely underrepresented. Small proteins, here defined as independently translated proteins ≤ 70 amino acids (aa), were overlooked or even discarded from genome annotations, and challenges in the biochemical detection further hindered their characterisation. Nevertheless, recently characterised examples of small proteins were identified as important players in physiological processes such as virulence and stress response. In C. jejuni, the leading cause of bacterial gastroenteritis, a recent differential RNA-seq (dRNA-seq) analysis revealed several sRNAs, some of which were shown to be relevant for infection. However, the small proteome of C. jejuni has not been systematically explored, leaving it unclear how many small open reading frames (sORFs) are encoded in the C. jejuni genome and expressed in vivo. Consequently, their function in C. jejuni physiology remains largely elusive, which is further hampering the understanding of how this major foodborne pathogen causes disease in humans. The focus of this thesis was to globally catalogue sORFs in C. jejuni, validate their translation status in vivo and functionally characterise infection-relevant candidates. Therefore, classical Ribo-seq, translation initiation site (TIS) profiling and a novel translation termination site (TTS) profiling method were combined to systematically investigate sORFs of C. jejuni. In addition, mass spectrometry and epitope tagging followed by western blotting were used to validate sORF translation. Collectively, these methodologies revealed novel and hidden sORFs encoded in diverse genomic contexts, as well as further annotation refinements. Hence, the C. jejuni small proteome was expanded almost two-fold by adding 42 novel sORFs to the annotation, and translation of 47 out of 54 already annotated sORFs was validated. Among these, the novel small protein CioY (34 aa), previously missed in the C. jejuni strain NCTC11168 genome annotation, was found to be adjacently encoded to the CioAB terminal oxidase. Further analysis showed that CioY is part of this terminal oxidase with potentially similar functions as the 37 aa-long CydX in E. coli. To aid further characterisation of novel sORFs and to allow for broad access to the translatomics data and our updated annotation, the online resource CampyBrowse was established. To gain insights into the potential functions of small proteins, available functional genetics datasets were inspected to identify candidates that might affect C. jejuni virulence. A transposon sequencing (Tn-seq) screen of C. jejuni infections of human Caco-2 cells in our lab identified the small protein Cj0978c (Mot2, 57 aa) required for motility and colonization. This thesis revealed that the small lipoprotein is necessary for flagellar disk and stator assembly, as it is required for stability and localisation of the basal disk protein FlgP. In addition, to allow for identification of potential interaction partners of small proteins, gradient profiling by sequencing (Grad-seq) as well as thermal proteome profiling (TPP) were successfully established for C. jejuni. While TPP is a sensitive method that is able to detect even slight changes in complex compositions, e.g., due to the absence of a small protein-binding partner, Grad-seq will be a valuable resource to study the C. jejuni complexome, the entire set of protein and RNA complexes. Overall, this thesis expands the genome map of C. jejuni NCTC11168 with novel high-confidence sORFs by using diverse Ribo-seq approaches combined with extensive validation. This integrative translatomic approach will promote the general understanding of the coding complexity in bacteria and allow for future characterisation of diverse small protein/sORF candidates in C. jejuni. Moreover, functional characterisation of Mot2 revealed the importance of a small protein for the functionality of the complex flagella machinery – a crucial virulence-determining process of C. jejuni. / Das gesamte Genkomplement bakterieller Pathogene sowie ihre Kodierungskapazität und Regulierung zu kennen, ist für das Verstehen von Überlebensstrategien, Stressanpassung sowie Wirtskolonisierung und Infektionen entscheidend. Dies ist besonders bei Krankheitserregern wie Campylobacter jejuni wichtig, denen homologe Gene von relevanten Virulenzfaktoren anderer Darmpathogenen fehlen, um zu verstehen, wie sie Krankheiten verursachen. Hochdurchsatz-Sequenziermethoden haben unser Wissen über globale Genexpressionsprofile erweitert und zu einem besseren Verständnis der Komplexität von Bakteriengenomen beigetragen. So wurden beispielsweise kleine regulatorische RNAs (sRNAs) entdeckt, die unter anderem an der bakteriellen Stressanpassung beteiligt sind, oder das Konzept von Genen innerhalb beschriebener Gene enthüllt. Beispiele dafür sind sogenannte dual-function sRNAs, oder alternative offene Leserahmen (ORFs) innerhalb von oder antisense zu bereits bekannten Genen. Techniken wie ribosome profiling (Ribo-seq) haben eine große Lücke in bakteriellen Genomannotationen aufgedeckt, und aufgezeigt, dass das sogenannte kleine Proteom/sORFom (Gesamtheit kleiner Proteine und kleiner ORFs) weitgehend unterrepräsentiert ist. Kleine Proteine, hier als unabhängig translatierte Proteine mit einer Länge von bis zu 70 Aminosäuren (aa) definiert, wurden in Genomannotationen übersehen, oder sogar aussortiert, und Schwierigkeiten beim biochemischen Nachweis beeinträchtigten zusätzlich ihre Charakterisierung. Dennoch haben jüngste Studien gezeigt, dass kleine Proteine wichtige Akteure bei physiologischen Prozessen wie der bakteriellen Virulenz und Stressreaktion sind. Bei C. jejuni, dem Hauptverursacher bakterieller Gastroenteritis, bestätigte eine differential RNA-seq-Analyse (dRNA-seq) die Existenz mehrerer sRNAs, von denen sich einige als infektionsrelevant erwiesen. Das kleine Proteom von C. jejuni wurde jedoch nicht systematisch untersucht, so dass unklar ist, wie viele kleine ORFs (sORFs) im Genom von C. jejuni kodiert und in vivo exprimiert werden. Folglich ist ihre Funktion in der Physiologie des Bakteriums nach wie vor weitgehend unbekannt und erschwert dadurch unser Verständnis darüber, wie dieser wichtige Lebensmittelkeim Krankheiten beim Menschen verursacht. Der Fokus dieser Dissertation lag auf der globalen Katalogisierung von sORFs in C. jejuni, der Validierung ihrer Translation in vivo und der funktionellen Charakterisierung von infektionsrelevanten Kandidaten. Daher wurden Ribo-seq, Translationsinitiationsstellen (TIS)-Profiling und das neue Translationsterminationsstellen (TTS)-Profiling kombiniert, um die Gesamtheit der sORFs von C. jejuni zu untersuchen. Darüber hinaus wurden Massenspektrometrie, Epitopmarkierung und Western Blot Analysen zur Validierung der Translation von sORFs eingesetzt. Insgesamt enthüllte eine Kombination dieser Methoden neue sORFs in den verschiedensten genomischen Kontexten, sowie weitere Nachbesserungen der Annotation. So konnten 42 neue kleine Proteine in die Annotation aufgenommen und damit das kleine Proteom von C. jejuni um nahezu das Zweifache vergrößert werden. Außerdem wurde die Translation von 47 der 54 bereits annotierten sORFs validiert. Das neuartige kleine Protein CioY (34 aa), das zuvor in der Genomannotation von C. jejuni NCTC11168 übersehen wurde, ist in unmittelbarer Nähe der terminalen Oxidase CioAB kodiert. Diese Doktorarbeit hat gezeigt, dass CioY eine Untereinheit dieser terminalen Oxidase ist, und möglicherweise ähnliche Funktionen wie das 37 aa-lange CydX in E. coli hat. Um die weitere Charakterisierung neuer sORFs zu unterstützen und einen breiten Zugang zu den Datensätzen und unserer aktualisierten Annotation zu ermöglichen, wurde die Online-Ressource CampyBrowse eingerichtet. Um kleine Proteine zu identifizieren, welche möglicherweise die Virulenz von C. jejuni beeinflussen könnten, wurden verfügbare funktionelle Datensätze untersucht. Ein vorheriger Tn-seq-Screen aus unserem Labor von C. jejuni infizierten menschlichen Caco-2-Zellen, identifizierte das für die Motilität und Kolonisierung erforderliche kleine Protein Cj0978c (Mot2, 57 aa). Diese Dissertation hat gezeigt, dass das kleine Lipoprotein für den Zusammenbau von funktionellen flagellaren Motoren notwendig ist, da es für die Stabilität und Lokalisierung des basalen flagellaren Disk-Proteins FlgP erforderlich ist. Zur Identifizierung potenzieller Interaktionspartner kleiner Proteine wurden gradient profiling by sequencing (Grad-seq) und thermal proteome profiling (TPP) für C. jejuni erfolgreich etabliert. Während TPP eine sensitive Methode ist, mit der selbst geringfügige Veränderungen in der Komplexzusammensetzung, z. B. durch das Fehlen eines kleinen Proteinbindungspartners, erkannt werden können, dient Grad-seq als wertvolle Ressource zur Untersuchung des C. jejuni-Komplexoms, der Gesamtheit an Protein- und RNA-Komplexen. Insgesamt erweitert diese Doktorarbeit die Genomannotierung von C. jejuni NCTC11168 durch die Kombination verschiedener Ribo-seq-Ansätze und einer umfassenden Validierung um neue sORFs. Dieser integrative Ansatz fördert das allgemeine Verständnis über die Komplexität von bakteriellen Genomannotationen und ermöglicht die künftige Charakterisierung verschiedener kleiner Proteine/sORFs in C. jejuni. Darüber hinaus hebt die funktionelle Charakterisierung von Mot2 die Bedeutung eines kleinen Proteins für die Funktionalität der komplexen Flagellenmaschinerie hervor – ein entscheidender Virulenzmechanismus von C. jejuni.

<p><i>Trypanosoma cruzi</i>, the causative agent of Chagas´ disease, is an evolutionarily ancient species with distinct biological and immunological characteristics. A fundamental understanding of the basic biology of the parasite is necessary in order to develop reliable therapeutic and prophylactic agents against <i>T. cruzi</i>. We have, as a part of the <i>T. cruzi</i> genome project launched by the WHO, generated ESTs corresponding to about one third of the functional genes in the parasite. Only about 1/3 of the unique ESTs could be assigned a function upon sequence comparison to all publicly available data. Comparative analysis of the ESTs to functional genes in <i>S.</i> <i>cerevisiae</i> and <i>C. elegans</i> as well as to sequence data from all other kinetoplastids provided primary insights into the evolutionary divergence of <i>T. cruzi.</i> </p><p>A novel dispersed gene family (<i>DGC3</i>) was identified and shown to be present specifically on chromosome 3 and its homologue. Sequence analysis of ten isolated <i>DGC3</i> genes revealed a high sequence similarity of almost 98% among copies. The <i>DGC3</i> genes were transcribed, <i>trans</i>-spliced with the spliced leader and polyadenylated, but did not seem to have any protein-coding property. These data preliminary suggest that it encodes a novel family of functional RNA. </p><p>In the <i>T. cruzi</i> CL Brener strain, the two alleles of a single copy gene encoding the trypanothione synthetase (TcTRS) enzyme appeared to be highly polymorphic. The divergence of the deduced protein sequence was 4%, almost ten-fold higher than another protein, trypanothione reductase, involved in the same pathway. The observed allelic divergence might influence the TcTRS activity thereby having implications for drug design. Moreover, the <i>TcTRS</i> gene was found to be flanked by a number of genes involved in diverse functions and located to a pair of homologous chromosomes with a size difference of about 2 Mbp. </p><p>A gene potentially encoding the polypyrimidine-binding protein (TcPTB) was identified and characterised regarding its organisation and function. The deduced amino acid sequence was shown to comprise four RRM domains generally present in other PTBs. Interestingly, the <i>TcPTB</i> gene appeared to be expressed in a stage-specific manner implicating different functions during parasite development.</p>

<p>Domestication has led to genetic changes that affect quantitative traits in farm animals. Both candidate gene analysis using association tests and genome scans based on linkage analysis have been performed to understand the molecular basis underlying quantitative genetic variation in horses, pigs and chickens. To test a possible association of polymorphisms in the <i>PRKAG3</i> gene, previously found to be associated with excess glycogen content in pig skeletal muscle, with quantitative traits in the horse, the major coding part of the equine <i>PRKAG3</i> sequence was identified. Bioinformatic characterization of the equine <i>PRKAG3</i> gene was conducted. A single nucleotide polymorphism (SNP) causing a missense mutation (Pro258Leu) was found. Screening this SNP showed that the Leu258 allele was more frequent in breeds with heavy muscularity. To assess previously reported associations between polymorphisms in the <i>MC4R</i> gene and obesity-related traits further, we conducted linkage analysis between the <i>MC4R</i> locus and fatness-related traits using a Wild BoarxLarge White intercross. No significant association between segregation at the <i>MC4R</i> locus and fatness was detected in this pedigree. A genome scan of quantitative trait loci (QTLs) has been performed in an intercross between chicken lines divergently selected for growth. Divergent parental lines have been established by selecting for high and low 56-day body weight for over 40 generations. The selection has led to approximately a 9-fold difference in 56-day body weight between lines and resulted in correlated responses for a number of traits including appetite, immune response, body composition and metabolic traits. Phenotypic data on growth and other correlated traits were collected from more than 800 F2 individuals. Genome scans using 145 markers on 26 linkage groups have identified QTLs affecting growth and correlated responses to selection for 56-day body weight. No major QTL explaining a large portion of phenotypic variation in growth was revealed in this study. </p>

<p>IgG, IgM and IgE in complex with antigen have the capacity to regulate specific immune responses. In this investigation, the role of Fc receptors for IgG (FcγRI, FcγRII and FcγRIII) and complement receptors 1 and 2 (CR1/2) for antibody-mediated enhancement of antibody responses are investigated.</p><p>IgM is known to efficiently activate complement and thereby enhance specific antibody responses but it is not known if this involves binding to CR1/2. Using CR1/2 deficient mice, immunized with sheep erythrocytes alone or together with specific IgM, we present evidence that IgM-mediated enhancement is completely dependent on CR1/2 expression, whereas IgG or IgE in complex with bovine serum albumin (BSA) induce strong antibody responses in CR1/2-deficient mice. Enhancement by IgE is mediated via the low affinity receptor for IgE (FcεRII, CD23). However, the receptors which are involved in IgG-mediated enhancement are not known. We find that γ-chain-deficient mice (lacking FcγRI and FcγRIII) have impaired antibody responses to IgG/BSA complexes. In contrast, FcγRIII deficient mice have normal responses, suggesting that FcγRI mediates the effect. Furthermore, IgG/BSA complexes induce up to 189-fold stronger antibody responses in FcγRIIB-deficient mice than in wild-type mice. The threshold dose of IgG/BSA required was lower, the response was sustained for longer and initiated earlier in FcγRIIB-deficient than in wild-type animals. The findings suggest that FcγRIIB acts as a "safety-valve" preventing excessive antibody production during an immune response. We show for the first time that IgG3/BSA complexes can mediate enhancement of specific antibody responses. Their effect does not involve known Fcγ receptors.</p>

IgG, IgM and IgE in complex with antigen have the capacity to regulate specific immune responses. In this investigation, the role of Fc receptors for IgG (FcγRI, FcγRII and FcγRIII) and complement receptors 1 and 2 (CR1/2) for antibody-mediated enhancement of antibody responses are investigated. IgM is known to efficiently activate complement and thereby enhance specific antibody responses but it is not known if this involves binding to CR1/2. Using CR1/2 deficient mice, immunized with sheep erythrocytes alone or together with specific IgM, we present evidence that IgM-mediated enhancement is completely dependent on CR1/2 expression, whereas IgG or IgE in complex with bovine serum albumin (BSA) induce strong antibody responses in CR1/2-deficient mice. Enhancement by IgE is mediated via the low affinity receptor for IgE (FcεRII, CD23). However, the receptors which are involved in IgG-mediated enhancement are not known. We find that γ-chain-deficient mice (lacking FcγRI and FcγRIII) have impaired antibody responses to IgG/BSA complexes. In contrast, FcγRIII deficient mice have normal responses, suggesting that FcγRI mediates the effect. Furthermore, IgG/BSA complexes induce up to 189-fold stronger antibody responses in FcγRIIB-deficient mice than in wild-type mice. The threshold dose of IgG/BSA required was lower, the response was sustained for longer and initiated earlier in FcγRIIB-deficient than in wild-type animals. The findings suggest that FcγRIIB acts as a "safety-valve" preventing excessive antibody production during an immune response. We show for the first time that IgG3/BSA complexes can mediate enhancement of specific antibody responses. Their effect does not involve known Fcγ receptors.