The change of day and night is one of the challenges all organisms are exposed to, as they have to adjust their physiology and behavior in an appropriate way. Therefore so called circadian clocks have evolved, which allow the organism to predict these cyclic changes of day and night. The underlying molecular mechanism is oscillating with its endogenous period of approximately 24 hours in constant conditions, but as soon as external stimuli, so called Zeitgebers, are present, the clocks adjust their period to exactly 24h, which is called entrainment. Studies in several species, including humans, animals and plants, showed that light is the most important Zeitgeber synchronizing physiology and behavior to the changes of day and night. Nevertheless also other stimuli, like changes in temperature, humidity or social interactions, are powerful Zeitgebers for entraining the clock. This thesis will focus on the question, how light influences the locomotor behavior of the fly in general, including a particular interest on the entrainment of the circadian clock. As a model organism Drosophila melanogaster was used. During the last years several research groups investigated the effect of light on the circadian clock and their results showed that several light input pathways to the clock contribute to wild-type behavior. Most of the studies focused on the photopigment Cryptochrome (CRY) which is expressed in about half of the 150 clock neurons in the fly. CRY is activated by light, degrades the clock protein Timeless (TIM) and hence entrains the clock to the light-dark (LD)-cycle resulting from changes of day and night. However, also flies lacking CRY are still able to entrain their clock mechanism as well as their activity-rest-rhythm to LD-cycles, clearly showing that the visual system of the fly also contributes to clock synchronization. The mechanism how light information from the visual system is transferred to the clock is so far still unknown. This is also true for so-called masking-effects which are changes in the behavior of the animal that are directly initiated by external stimuli and therefore independent of the circadian clock. These effects complement the behavior of the animals as they enable the fly to react quickly to changes in the environment even during the clock-controlled rest state. Both of these behavioral features were analyzed in more detail in this study. On the one hand, we investigated the influence of the compound eyes on the entrainment of the clock neurons and on the other hand, we tried to separate clock-controlled behavior from masking. To do so "nature-like" light conditions were simulated allowing the investigation of masking and entrainment within one experiment. The simulation of moonlight and twilight conditions caused significant changes in the locomotor behavior. Moonlit nights increased nocturnal activity levels and shifted the morning (M) and evening (E) activity bouts into the night. The opposite was true for the investigation of twilight, as the activity bouts were shifted into the day. The simulation of twilight and moonlight within the same experiment further showed that twilight appears to dominate over moonlight, which is in accordance to the assumption that twilight in nature is one of the key signals to synchronize the clock as the light intensity during early dawn rises similarly in every season. By investigating different mutants with impaired visual system we showed that the compound eyes are essential for the observed behavioral adaptations. The inner receptor cells (R7 and R8) are important for synchronizing the endogenous clock mechanism to the changes of day and night. In terms of masking, a complex interaction of all receptor cells seems to adjust the behavioral pattern, as only flies lacking photopigments in inner and outer receptor cells lacked all masking effects. However, not only the compound eyes seem to contribute to rhythmic activity in moonlit nights. CRY-mutant flies shift their E activity bout even more into the night than wild-type flies do. By applying Drosophila genetics we were able to narrow down this effect to only four CRY expressing clock neurons per hemisphere. This implies that the compound eyes and CRY in the clock neurons have antagonistic effects on the timing of the E activity bout. CRY advances activity into the day, whereas the compound eyes delay it. Therefore, wild-type behavior combines both effects and the two light inputs might enable the fly to time its activity to the appropriate time of day. But CRY expression is not restricted to the clock neurons as a previous study showed a rather broad distribution within the compound eyes. In order to investigate its function in the eyes we collaborated with Prof. Rodolfo Costa (University of Padova). In our first study we were able to show that CRY interacts with the phototransduction cascade and thereby influences visual behavior like phototaxis and optomotor response. Our second study showed that CRY in the eyes affects locomotor activity rhythms. It appears to contribute to light sensation without being a photopigment per se. Our results rather indicate that CRY keeps the components of the phototransduction cascade close to the cytoskeleton, as we identified a CRY-Actin interaction in vitro. It might therefore facilitate the transformation of light energy into electric signals. In a further collaboration with Prof. Orie Shafer (University of Michigan) we were able to shed light on the significance of the extraretinal Hofbauer-Buchner eyelet for clock synchronization. Excitation of the eyelet leads to Ca2+ and cAMP increases in specific clock neurons, consequently resulting in a shift of the flies´ rhythmic activity. Taken together, the experiments conducted in this thesis revealed new functions of different eye structures and CRY for fly behavior. We were furthermore able to show that masking complements the rhythmic behavior of the fly, which might help to adapt to natural conditions. / Der Wechsel von Tag und Nacht stellt für viele Organismen eine große Herausforderung dar, da sie ihre Physiologie und auch das Verhalten den äußeren Gegebenheiten anpassen müssen. Um dieser Aufgabe gerecht zu werden, haben viele Organismen innere Uhren entwickelt, welche es ihnen erlauben, den Wechsel von Tag und Nacht vorherzusehen. Diesen inneren Uhren liegt ein molekularer Mechanismus zugrunde, welcher einen Rhythmus von etwa 24 Stunden generiert. Eine wichtige Eigenschaft dieser Uhren ist es, dass sie durch äußere Faktoren, so genannte Zeitgeber, an den Tag-Nacht-Wechsel angepasst werden können. Viele Studien an Mensch, Tier und Pflanze weisen darauf hin, dass Licht der wichtigste Zeitgeber ist, wobei auch Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder soziale Interaktionen die innere Uhr an den Tag-Nacht-Wechsel anpassen können. Ziel dieser Arbeit ist es, die Auswirkung von Licht auf das Lauf-verhalten und die innere Uhr genauer zu beleuchten, wozu der Modellorganismus Drosophila melanogaster herangezogen wird. Zahlreiche Forschergruppen haben sich bereits mit der Synchronisation der inneren Uhr durch Licht beschäftigt, wobei klar hervorgeht, dass die Taufliege verschiedene Möglichkeiten hat, Lichtinformationen für die Synchronisation der Uhr zu verwenden. Der wohl am besten untersuchte Prozess ist die Synchronisation durch das Pigment Cryptochrom. Dieses Molekül ist in etwa der Hälfte der Uhrneuronen exprimiert und greift direkt in den molekularen Uhrmechanismus ein, wodurch dieser an den Tag-Nacht-Wechsel angepasst werden kann. Schaltet man jedoch das Gen für dieses Molekül aus so zeigt sich, dass die Tiere dennoch dazu in der Lage sind sich an den Licht-Dunkel-Wechsel anzupassen. Dies bedeutet, dass die visuellen Organe Informationen an die innere Uhr weiterleiten können, wobei der Mechanismus dafür noch nicht vollständig entschlüsselt werden konnte. Selbiges trifft auf sogenannte Maskierungseffekte zu: Maskierung beschreibt eine Veränderung des Verhaltensmusters, welches nicht durch die innere Uhr gesteuert, sondern direkt durch äußere Reize hervorgerufen wird. Diese direkten Effekte komplettieren das Verhalten der Tiere, da sie dadurch selbst zu endogen ungünstigen Zeiten adäquat auf äußere Reize reagieren können. In dieser Arbeit wird sich beider Phänomene angenommen: Zum einen soll die Bedeutung des visuellen Systems für die Synchronisation der inneren Uhr genauer untersucht, und zum anderen soll uhrgesteuertes Verhalten von Maskierung getrennt werden. Zu diesem Zweck wurden Lichtbedingungen simuliert, die den natürlichen ähnelten und die Untersuchung beider lichtabhängiger Effekte ermöglichten. Die Untersuchung von Dämmerung und Mondlicht zeigte deutlich, dass diese starke Veränderungen im Lauf-Verhalten hervorrufen. Die Simulation von Mondlicht bewirkte einen Anstieg der Nachtaktivität und ein Verschieben der Aktivitätsmaxima der Fliege in die Nacht. Das Gegenteil war bei Dämmerungssimulation zu beobachten, da die Tiere mehr Aktivität in den Tag legten. Bei gleichzeitiger Simulation von Mondlicht und Dämmerungsphasen zeigte sich, dass die Dämmerung ein stärkerer Zeitgeber ist als Mondlicht ist. Dieses Ergebnis geht einher mit der Annahme, dass die Dämmerung ein wichtiges Signal für die Synchronisation der inneren Uhr ist, da der Anstieg der Lichtintensität am frühen Morgen unabhängig von der Jahreszeit sehr ähnlich ist. Die Untersuchung von verschiedensten Mutanten konnte zudem zeigen, dass die Komplexaugen der Fliege von größter Bedeutung für die beobachteten Veränderungen im Verhaltensmuster und die Anpassung der inneren Uhr an "natürliche" Lichtbedingungen sind. Dabei stellte sich heraus, dass vor allem die inneren Rezeptorzellen wichtig für die Synchronisation der inneren Uhr und somit uhrgesteuerter Verhaltensänderungen sind. Für Maskierungseffekte scheint eine komplexe Interaktion von mehreren Rezeptorzellen für die Anpassung an Dämmerungs- und Mondlichtbedingungen vorzuliegen, da diese nur bei Mehrfachmutationen verschiedener Rhodopsine, den lichtabsorbierenden Molekülen der Fliege, verschwanden. Jedoch scheinen nicht nur die Komplexaugen das rhythmische Verhalten in Mondlichtnächten zu beeinflussen. Wird das Gen für Cryptochrom, dem Photorezeptor der inneren Uhr, ausgeschaltet, verschieben die Tiere ihre Abendaktivität noch stärker in die Nacht als es bereits beim Wildtyp der Fall ist. Durch verschiedene genetische Manipulationen konnten wir den Grund dieses Verhaltens auf die Expression von Cryptochrom in nur vier Uhrneuronen pro Hemisphäre zurückverfolgen. Zugleich zeigten unsere Ergebnisse, dass die Komplexaugen und Cryptochrom entgegengesetzte Wirkung auf das Timing der Abendaktivität haben. Während die Komplexaugen die Abendaktivität in die Nacht hinein schieben, bewirkt Cryptochrom, dass die Aktivität noch während des Tages stattfindet. Dies bedeutet, dass das wildtypische Verhalten eine Mischung aus beiden Lichteingängen ist und sich die Tiere somit ideal an die äußeren Gegebenheiten anpassen können. Cryptochrom wird jedoch nicht nur in den Uhrneuronen, sondern unter anderem auch in den Komplexaugen der Tiere exprimiert. Um die Funktion in den Augen genauer zu untersuchen, konnten wir in Kollaboration mit Prof. Rodolfo Costa (University of Padova) zunächst zeigen, dass CRY mit der Phototransduktionskaskade über das Protein INAD interagiert und dadurch visuelles Verhalten, wie zum Beispiel Phototaxis oder die optomotorische Antwort, beeinflussen kann. In weiteren Experimenten konnten wir zudem zeigen, dass CRY in den Augen die lokomotorische Aktivität der Fliegen beeinflusst. Dabei trägt es zur Wahrnehmung von Licht bei, ohne jedoch per se ein Photopigment zu sein. Vielmehr scheint CRY die Phototransduktion dahingehend zu verändern, dass es den Phototransduktionskomplex an das Cytoskelett innerhalb der Rhabdomere bindet und somit die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Signale erleichtert. Zusammen mit Prof. Orie Shafer (University of Michigan) ist es uns zudem gelungen, die Rolle des extraretinalen Hofbauer-Buchner-Äugleins für die Synchronisation der Uhr genauer zu beleuchten. Die Anregung des Äugleins führte dabei zu einem Anstieg der Ca2+ und cAMP Mengen in bestimmten Uhrneuronen und dies bewirkte eine Phasenverschiebung des Verhaltens der Taufliege. Somit konnten in dieser Arbeit neue Erkenntnisse über die Funktionen von Cryptochrom und verschiedener Augenstrukturen für das Verhalten der Fliege gewonnen werden. Dabei konnten die Bedeutungen der inneren Uhr sowie von Maskierungseffekten für das Verhalten der Tiere in der Natur herausgearbeitet werden.

To unravel the role of single genes underlying certain biological processes, scientists often use amorphic or hypomorphic alleles. In the past, such mutants were often created by chance. Enormous approaches with many animals and massive screening effort for striking phenotypes were necessary to find a needle in the haystack. Therefore at the beginning chemical mutagens or radiation were used to induce mutations in the genome. Later P-element insertions and inaccurate jump-outs enabled the advantage of potential larger deletions or inversions. The mutations were characterized and subsequently kept in smaller populations in the laboratories. Thus additional mutations with unknown background effects could accumulate. The precision of the knockout through homologous recombination and the additional advantage of being able to generate many useful rescue constructs that can be easily reintegrated into the target locus made us trying an ends-out targeting procedure of the two core clock genes period and timeless in Drosophila melanogaster. Instead of the endogenous region, a small fragment of approximately 100 base pairs remains including an attP-site that can be used as integration site for in vitro created rescue constructs. After a successful ends-out targeting procedure, the locus will be restored with e.g. flies expressing the endogenous gene under the native promoter at the original locus coupled to a fluorescence tag or expressing luciferase. We also linked this project to other research interests of our work group, like the epigenetic related ADAR-editing project of the Timeless protein, a promising newly discovered feature of time point specific timeless mRNA modification after transcription with yet unexplored consequences. The editing position within the Timeless protein is likewise interesting and not only noticed for the first time. This will render new insights into the otherwise not-satisfying investigation and quest for functional important sequences of the Timeless protein, which anyway shows less homology to other yet characterized proteins. Last but not least, we bothered with the question of the role of Shaggy on the circadian clock. The impact of an overexpression or downregulation of Shaggy on the pace of the clock is obvious and often described. The influence of Shaggy on Period and Timeless was also shown, but for the latter it is still controversially discussed. Some are talking of a Cryptochrome stabilization effect and rhythmic animals in constant light due to Shaggy overexpression, others show a decrease of Cryptochrome levels under these conditions. Also the constant light rhythmicity of the flies, as it was published, could not be repeated so far. We were able to expose the conditions behind the Cryptochrome stabilization and discuss possibilities for the phenomenon of rhythmicity under constant light due to Shaggy overexpression. / Um die Rolle einzelner Gene hinter biologischen Prozessen zu entschlüsseln, bedienen sich Wissenschaftler häufig amorpher oder hypomorpher Allele. Diese wurden in der Vergangenheit oft auf Zufall basierend generiert. Gewaltige Ansätze mit zahllosen Tieren unter enormem Selektionsaufwand bei der Suche nach markanten Phänotypen waren notwendig um sprichwörtlich die Nadel im Heuhaufen zu finden. Zunächst wurden chemische Mutagene oder Strahlung verwendet um Mutationen im Genom zu induzieren. Später kamen P-element Insertionen und induziertes unpräzises Herausspringen der Transposons dazu. Das hatte den Vorteil, dass so unter Umstände größere Deletionen oder Inversionen entstanden. Die Mutationen wurden charakterisiert und die Tiere anschließend in kleinen Populationen gehalten. Dadurch konnten sich zusätzliche Mutationen mit möglichen Hintergrundeffekten unbemerkt ansammeln. Ebenso blieben weitere durchaus mögliche Mutationen aufgrund der Mutagene und dem deutlicheren Phänotyp der primären Mutation oftmals unbemerkt. Die Präzision eines Knockouts durch homologe Rekombination und der Vorteil, zusätzlich im Stande zu sein, jedes entworfene Rettungskonstrukt auf einfache Weise wieder einsetzen zu können, überzeugte uns, eine Ends-out Targeting Prozedur mit den zwei Uhr Basisgenen period und timeless in Drosophila melanogaster durchzuführen. Dabei soll ein geplanter Knockout zu einer kompletten Deletion des gesamten Bereichs durch homologe Rekombination führen. Anstelle der endogenen Region verbleibt lediglich ein kleines Fragment von ungefähr 100 Basenpaaren inklusive einer attP-Stelle, die als Insertionsstelle für in vitro hergestellte Konstrukte genutzt werden kann. Angestrebte Ziele sind beispielsweise Fliegen, die das endogene Gen unter der Kontrolle des ursprünglichen Promoters am originalen Lokus gebunden an einen Fluoreszenzmarker oder aber gekoppelt an Luziferase exprimieren. Wir koppelten dieses Projekt zusätzlich mit anderen Forschungsinteressen unserer Arbeitsgruppe, wie zum Beispiel dem epigenetischen ADAR-Editierungsprojekt des Timeless Proteins, einer vielversprechenden Neuentdeckung zeitpunktspezifischer und posttranskriptionaler Modifizierung der timeless mRNA, mit bisher noch unbekannten Folgen. Die Position der Editierung innerhalb des Timeless Proteins ist ebenfalls sehr interessant und nicht zum ersten Mal im Fokus von Wissenschaftlern. Dies wird neue Einblicke in die sonst bislang nicht zufriedenstellende Suche nach funktionell wichtigen Strukturen von Timeless bringen, welche aufgrund der geringen Homologie zu anderen bisher charakterisierten Proteinen bislang nur unzureichend bestimmt werden konnten. Zuletzt beschäftigten wir uns mit der Frage nach der Rolle von Shaggy bezüglich der inneren Uhr. Der Einfluss einer Überexpression oder Herabregulierung von Shaggy auf die Taktung der Uhr ist eindeutig und wurde schon oft beschrieben. Der Einfluss von Shaggy auf Period und Timeless wurde ebenfalls bereits gezeigt, wird jedoch im Falle des letzteren Proteins noch sehr kontrovers diskutiert. Während einige von einem Cryptochrom stabilisierenden Effekt und rhythmischen Tieren in konstanter Beleuchtung aufgrund von Shaggy Überexpression sprechen, zeigen andere einen Abfall des Cryptochromlevels unter eben genau diesen Umständen. Es war uns möglich die Umstände hinter der Cryptochromstabilisierung aufzudecken. Darüber hinaus zeigen wir mögliche Gründe für das Phänomen des Rhythmus im Dauerlicht von Shaggy Überexpressionstieren auf.

abstract: Positron emission tomography (PET) is a non-invasive molecular imaging technique widely used for the quantification of physiological and biochemical processes in preclinical and clinical research. Due to its fundamental role in the health care system, there is a constant need for improvement and optimization of its scanner systems and protocols leading to a dedicated active area of research for PET. (Geant4 Application for Tomographic Emission (GATE) is a simulation platform designed to model and analyze a medical device. Monte Carlo simulations are essential tools to assist in optimizing the data acquisition protocols or in evaluating the correction methods for improved image quantification. Using GATE along with Customizable and Advanced Software for Tomographic Reconstruction (CASToR), provides a link to reconstruct the images. The goal of this thesis is to learn PET systems that involve Monte Carlo methods, GATE software, CASToR software to model, simulate and analyze PET systems using three clinical PET systems as a template. Fluorine-18 radioisotope source is used to perform measurements on the modeled PET systems. Parameters such as scatter-fraction, random-fraction, sensitivity, count rate performance, signal to noise ratio (SNR), and time of flight (ToF) are analyzed to determine the performance of the systems. Also, the simulated data are provided as input to CASToR software and Amide's a Medical Image Data Examiner (AMIDE) tool to obtain the reconstructed images which are used to analyze the reconstruction capability of the simulated models. The Biograph Vision PET model has high sensitivity (11.159 cps/MBq) and SNR (12.556) while the Ultra-High Resolution (UHR) PET model has high resolution of the reconstructed image. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Computer Engineering 2020

We are living in a system that underlies permanent environmental changes due to the rotation of our planet. These changes are rhythmic with the most prominent one having a period of about 24 hours, but also shorter and longer rhythms characterize our environment. To cope with the ever-changing environmental conditions, it is thought to be beneficial if an organism can track and anticipate these changes. The so called endogenous clocks enable this and might provide a fitness advantage. To investigate and unravel the mechanism of endogenous clocks Chronobiologists have used different model organisms. In this thesis Drosophila melanogaster was used as model organism with its about 150 clock neurons representing the main endogenous clock of the fly in the central brain. The molecular mechanisms and the interlocked feedback loops with the main circadian key players like period, timeless, clock or cycle are under investigation since the 1970s and are characterized quite well so far. But the impact of a functional endogenous clock in combination with diverse factors and the resulting fitness advantages were analysed in only a few studies and remains for the most part unknown. Therefore the aim of this thesis was to unravel the impact of Drosophila melanogaster`s endogenous clock on the fitness of the fly. To achieve this goal different factors – like day length, humidity and food composition – were analyzed in wild type CS and three different period mutants, namely perL, perS and per01, that carry a point mutation altering or abolishing the free-running period of the fruit fly as well as a second arrhythmic strain, clkAR. In competition assay experiments wild type and clock mutant flies competed for up to 63 generations under a normal 24 hour rhythm with 12 hours light/day and 12 hours darkness/night (LD12:12) or T-cycles with 19 or 29 hours, according to the mutants free-running period, or constant light (LL) in case of the arrhythmic mutant as well as under natural-like outdoor conditions in two consecutive years. Overall the wild type CS strain was outcompeting the clock mutant strains independent of the environmental conditions. As the perL fly strain elongated their free-running period, the competition experiments were repeated with naturally cantonized new fly strains. With these experiments it could be shown that the genetic background of the fly strains – which are kept for decades in the lab, with backcrosses every few years – is very important and influences the fitness of flies. But also the day length impacts the fitness of the flies, enabling them to persist in higher percentage in a population under competition. Further factors that might influence the survival in a competing population were investigated, like e.g. mating preferences and locomotor activity of homo- and heterozygous females or sperm number of males transferred per mating. But these factors can still not explain the results in total and play no or only minor roles and show the complexity of the whole system with still unknown characteristics. Furthermore populations of flies were recorded to see if the flies exhibit a common locomotor activity pattern or not and indeed a population activity pattern could be recorded for the first time and social contact as a Zeitgeber could be verified for Drosophila melanogaster. In addition humidity and its impact on the flies´ fitness as well as a potential Zeitgeber was examined in this thesis. The flies experienced different relative humidities for eclosion and wing expansion and humidity cycle phase shifting experiments were performed to address these two different questions of fitness impact and potential Zeitgeber. The fruit fly usually ecloses in the morning hours when the relative humidity is quite high and the general assumption was that they do so to prevent desiccation. The results of this thesis were quite clear and demonstrate that the relative humidity has no great effect on the fitness of the flies according to successful eclosion or wing expansion and that temperature might be the more important factor. In the humidity cycle phase shifting experiments it could be revealed that relative humidity cannot act as a Zeitgeber for Drosophila melanogaster, but it influences and therefore masks the activity of flies by allowing or surpressing activity at specific relative humidity values. As final experiments the lifespan of wild type and clock mutant flies was investigated under different day length and with different food qualities to unravel the impact of these factors on the fitness and therefore survival of the flies on the long run. As expected the flies with nutrient-poor minimum medium died earlier than on the nutrient-rich maximum medium, but a small effect of day length could also be seen with flies living slightly longer when they experience environmental day length conditions resembling their free-running period. The experiments also showed a fitness advantage of the wild type fly strain against the clock mutant strains for long term, but not short term (about the first 2-3 weeks). As a conclusion it can be said that genetic variation is important to be able to adapt to changing environmental conditions and to optimize fitness and therefore survival. Having a functional endogenous clock with a free-running period of about 24 hours provides fitness advantages for the fruit fly, at least under competition. The whole system is very complex and many factors – known and unknown ones – play a role in this system by interacting on different levels, e.g. physiology, metabolism and/or behavior. / Wir leben in einem System, welches durch die Erdrotation permanenten Veränderungen der Umwelt unterliegt. Diese Veränderungen sind rhythmischer Natur, wobei die wichtigste Veränderung einen Rhythmus von circa 24 Stunden aufweist. Aber auch kürzere und längere Rhythmen charakterisieren unsere Umwelt. Um mit den permanenten Veränderungen klar zu kommen geht man davon aus, dass es von Vorteil ist wenn ein Organismus die Veränderungen wahrnehmen und vorausahnen kann. Die sogenannten Inneren Uhren ermöglichen dies und stellen möglicherweise einen Fitness Vorteil dar. Um den Mechanismus von Inneren Uhren zu untersuchen und aufzudecken benutzen Chronobiologen verschiedene Modellorganismen. In dieser Arbeit wurde Drosophila melanogaster, mit ihren etwa 150 Uhrneuronen welche die Innere Uhr im Zentralen Nervensystem darstellen, als Modellorganismus verwendet. Der molekulare Mechanismus und die ineinandergreifenden Rückkopplungsschleifen mit den Hauptakteuren period, timeless, clock und cycle werden seit den 1970ern erforscht und wurden bisher recht gut charakterisiert. Aber der Einfluss einer funktionellen Inneren Uhr in Kombination mit diversen Faktoren und die daraus resultierenden Fitness Vorteile wurden in nur wenigen Studien untersucht und bleiben zu großen Teilen unbekannt. Deshalb war es das Ziel dieser Arbeit den Einfluss von Drosophilas Innere Uhr auf die Fitness der Taufliege aufzudecken. Um dieses Ziel zu erreichen wurden verschiedene Faktoren – wie z.B. Tageslänge, Luftfeuchtigkeit und Futterqualität – in Wildtyp CS und drei verschiedenen period Mutanten – namentlich perL, perS und per01, welche alle eine Punktmutation tragen, welche die Freilauf-Periodenlänge verändert oder zu Arrhythmizität führt – sowie einem weiteren arrhythmischen Fliegenstamm, clkAR, untersucht. In Konkurrenzversuchen konkurrierten Wildtyp und Uhrmutanten über bis zu 63 Generationen unter normalen 24 Stunden Rhythmen mit jeweils 12 Stunden Licht/Tag und 12 Stunden Dunkelheit/Nacht oder unter T-Zyklen mit 19 oder 29 Stunden, entsprechend der Freilauf-Periodenlänge der Mutanten, oder Dauerlicht (LL) im Falle der arrhythmischen Mutante, sowie unter naturähnlichen Bedingungen im Feldversuch in zwei aufeinanderfolgenden Jahren. Im Gesamten war der Wildtyp den Uhrmutanten überlegen, unabhängig von den Umweltbedingungen. Da die perL Mutanten Ihre Freilauf-Periodenlänge deutlich verlängerten, wurden die Konkurrenzexperimente mit auf natürlicher Weise mit dem Wildtyp CS rückgekreuzten Fliegenstämmen wiederholt. Mit diesen Experimenten konnte gezeigt werden, dass der genetische Hintergrund der Fliegenstämme – welche teils für Jahrzehnte im Labor gehalten und nur wenige Male rückgekreuzt werden – sehr wichtig ist und die Fitness der Fliegen beeinflusst. Aber auch die Länge der Tage (19 h, 24 h oder 29 h) beeinflusst die Fitness der Fliegen und ermöglicht es Ihnen in höherem Anteil in einer Population unter Konkurrenz zu bestehen. Weitere Faktoren, welche das Überleben unter Konkurrenz möglicherweise beeinflussen können, wie z.B. eine Paarungspräferenz und Laufaktivität von homo- und heterozygoten Weibchen oder die Anzahl an Spermien, die pro Paarung übertragen werden, wurden untersucht. Diese Faktoren allein konnten jedoch die Ergebnisse der Konkurrenzversuche nicht erklären und spielen dabei keine oder nur geringfügige Rollen und stellen ein Beispiel für die Komplexität des ganzen Systems mit noch weiteren unbekannten Faktoren dar. Im Weiteren wurde das Laufverhalten von ganzen Fliegenpopulationen aufgezeichnet, um zu erforschen, ob eine Fliegenpopulation einen gemeinsamen Freilauf an Laufaktivität aufweist oder nicht. Und tatsächlich konnte zum ersten Mal das Laufverhalten von ganzen Populationen aufgezeichnet werden und Sozialer Kontakt als Zeitgeber für Drosophila melanogaster bestätigt werden. Zusätzlich wurde in dieser Arbeit relative Luftfeuchtigkeit und deren Auswirkung auf die Fitness der Fliegen, als auch als potentieller Zeitgeber untersucht. Die Fliegen wurden zum Schlupf und zur Entfaltung der Flügel unterschiedlichen Luftfeuchtigkeiten ausgesetzt und es wurden Phasenverschiebungsversuche mit Luftfeuchtigkeitszyklen durchgeführt, um diese zwei verschiedenen Fragen nach Fitness und potentiellem Zeitgeber zu beantworten. Die Fruchtfliege schlüpft normalerweise in den Morgenstunden, wenn die Luftfeuchtigkeit relativ hoch ist, weshalb im Allgemeinen angenommen wird, dass dies zu diesem Zeitpunkt des Tages geschieht, um eine Austrocknung zu verhindern. Die Ergebnisse dieser Arbeit waren sehr eindeutig und demonstrierten, dass die relative Luftfeuchtigkeit keinen großen Einfluss auf die Fitness der Fliegen in Bezug auf den Schlupferfolg und korrektes Entfalten der Flügel hat und dass die Temperatur wohl eher der ausschlaggebende Faktor sein könnte. In den Phasenverschiebungsversuchen mit Luftfeuchtigkeitszyklen konnte aufgedeckt werden, dass relative Luftfeuchtigkeit keinen Zeitgeber für Drosophila melanogaster darstellt, aber die Laufaktivität der Fliegen beeinflusst und maskiert, indem das Laufverhalten bei bestimmten relativen Luftfeuchtigkeiten zugelassen oder unterdrückt wird. Außerdem wurde die Lebenserwartung der Wildtyp und Uhrmutanten Fliegenstämme unter verschiedenen Tageslängen und mit unterschiedlicher Futterqualität untersucht, um den Einfluss dieser Faktoren auf die Fitness und somit das Überleben der Fliegen auf Dauer zu charakterisieren. Wie erwartet starben die Fliegen auf dem nährstoffarmen Minimalmedium früher als auf dem nährstoffreichen Maximalmedium, aber es konnte auch ein kleiner Effekt der Tageslänge gezeigt werden. Hierbei lebten die Fliegen etwas länger, wenn die Tageslänge die Freilauf-Periodenlänge der Fliegen widerspiegelte. Diese Versuche zeigten auch einen Fitness Vorteil der Wildtyp Fliegen gegenüber der Uhrmutanten auf lange Sicht, jedoch nicht zu Beginn (in den ersten ca. 2-3 Wochen). Abschließend kann zusammengefasst werden, dass genetische Variation wichtig ist, um sich an Veränderungen in der Umwelt anzupassen und die eigene Fitness und somit Überleben zu steigern. Eine funktionelle Innere Uhr mit einer Periodenlänge von etwa 24 Stunden zu besitzen stellt einen Fitness Vorteil für die Fliegen dar, zumindest unter Konkurrenzbedingungen. Das ganze System ist sehr komplex und viele Faktoren – bekannte und noch unbekannte – spielen eine Rolle in diesem System, welches auf verschiedenen Ebenen interagiert, wie z.B. auf physiologischer, metabolistischer oder auf der Verhaltensebene.

In dieser Arbeit wurde die Systematik und Evolution der Viviparidae (Mollusca, Gastropoda, Caenogastropoda) mit einem Fokus auf den asiatischen Gattungen untersucht. Es wurde die erste umfassende gattungsübergreifende Phylogenie der Gruppe mit Vertretern von mehr als 70% der bekannten Viviparidengattungen durch die Analyse eines molekularen Datensatzes aus mitochondrialen wie auch nukleären Sequenzen rekonstruiert. Die Einteilung in die aufgrund von anatomischen Merkmalen beschriebenen Unterfamilien konnte durch die genetischen Untersuchungen bestätigt werden. Neben der molekularen Systematik stand auch die Aufklärung der historischen Biogeographie der Viviparidae im Fokus. Mithilfe von Fossilbelegen und der Anwendung einer molekularen Uhr wurde die Diversifikation dieser Familie in Raum und Zeit untersucht. Abschätzungen über das Alter der Abspaltungen der wichtigsten Abstammungslinien innerhalb der Viviparidae mittels der molekularen Uhr lassen sowohl Vikarianz- als auch Dispersal-Ereignisse am Zustandekommen heutiger Verbreitungsmuster erkennen. Die bisherige systematische Gliederung der Viviparidae ist ausschließlich durch einen conchologischen Ansatz geprägt. Bei der Untersuchung zur Evolution der Schale, unter Berücksichtigung der molekularen Ergebnisse, zeigt sich jedoch, dass eine klare Ordnung innerhalb der Vivipariden, bezogen auf die Entstehung von Farbbändern oder Skulpturierungen auf der Schalenoberfläche, nicht zu erkennen ist. Scheinbar komplexe Schalenmerkmale entstanden mehrfach unabhängig in unterschiedlichen Linien. Es konnte hier aber auch gezeigt werden, dass die Untersuchung von anatomischen Merkmalen im Vergleich zur Schale wesentlich besser geeignet ist, natürliche Verwandtschaftsbeziehungen zu erkennen. Die in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse schaffen die Grundlage für eine in Zukunft nötige Revision der Familie Viviparidae auf Gattungsebene. / This thesis focusses on the systematics and evolution of Viviparidae (Mollusca, Gastropoda, Caenogastropoda), a large and putatively ancient group of ovoviviparous freshwater gastropods with an almost worldwide distribution. With more than 200 described species with highly disparate shells, Asia and Australia have the highest viviparid diversity. Three genetic markers where used to calculate the first molecular phylogeny comprising more than 70% of all extant viviparid genera which provides new insights into the systematics and biogeography of this diverse group of freshwater snails. The traditional division into three subfamilies (Lioplacinae Gill, 1863, Viviparinae Gray, 1847 and Bellamyinae Rohrbach, 1937), based on anatomical data, is supported by the molecular phylogeny. The taxonomy of the Asian taxa is still largely based on shell morphology and rather inconsistent, though, making it difficult to gain deeper insights into their evolution and biogeography at present. The molecular phylogeny presented here indicates that the current shell morphology-based viviparid taxonomy does not reflect the phylogenetic relationships of species and clades. In addition to the focus on molecular systematics, a major part of this thesis is devoted to elucidating the historical biogeography of viviparids. A molecular clock analysis based on a calibration scheme using fossils of varying age and taxonomic affinity was used to yield divergence time estimates for the major viviparid lineages. Ancestral areas were inferred by parsimony and likelihood analyses. Viviparid distribution patterns have been shaped by both dispersal and vicariance events. The study of anatomical features turned out to be considerably better approach for establishing phylogenetic relationships of viviparids, manifested in good support of genera established by molecular data. The results obtained in this work provide the basis for a much needed revision of the Viviparidae at the generic level.

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L’acier Ferrium® M54® présente une composition chimique optimisée, basée sur 40 ans d’évolution et de développement des aciers à durcissement secondaire à précipitation de carbures M2C. Le compromis de propriétés Rm/KIC/KISCC obtenu par la nuance M54® permet d’envisager son utilisation dans les trains d’atterrissage d’avions gros porteurs. Cependant, les premiers essais mécaniques, réalisés par l’utilisateur pour la montée en maturité de la nuance, ont montré une variabilité des propriétés mécaniques suivant le traitement thermique appliqué. Ce travail de thèse s’applique donc à décrire les évolutions microstructurales au cours du traitement thermique de la nuance M54® et les impacts sur les propriétés mécaniques en se concentrant notamment sur le traitement par le froid. Les différentes conditions de mise en solution et de revenu testées ont montré une certaine stabilité de la précipitation au revenu et des propriétés mécaniques qui en découlent. La précipitation a été caractérisée à différentes échelles afin de la comparer avec celle issue des nuances de la même famille. En revanche, selon les conditions de traitement par le froid réalisées, la limite d’élasticité varie de manière significative sans qu’aucun des paramètres liés à la précipitation ne soient modifiés. Le taux d’austénite est en revanche un paramètre déterminant pour la limite d’élasticité et est très sensible aux conditions de traitement par le froid : temps et température entre la trempe à l’huile et le traitement cryogénique et température de traitement cryogénique. Un traitement thermique amélioré a ainsi été proposé pour obtenir un taux d’austénite réduit et constant et limiter ainsi les variations de limite d’élasticité. / Ferrium® M54® steel presents an optimized composition, based on 40 years of research and development on secondary hardening steels. This alloy exhibits an excellent Rm/KIC/KISCC balance that allows considering its use in landing gears applications of wide-body aircrafts in the future. However, initial mechanical tests performed by the end-user have shown variability in mechanical properties depending on the applied heat treatment. The main goal of this work is to describe the microstructural evolutions of the alloy M54® during heat treatment and their impact on the resulting mechanical properties with a specific focus on the effect of the cryogenic treatment.The different austenitizing and tempering conditions investigated have shown a stability of the tempering precipitation and mechanical properties. This precipitation has been characterized at different scales and compared with other grades of the same family. On the other hand, depending on cryogenic treatment conditions, a significant variation of the mechanical properties and in particular of the yield strength is observed without any modification in the precipitation distribution and volume fraction or size. Austenite content is critical for the yield strength and is very sensitive to the cryogenic treatment conditions: time and temperature before cryogenic treatment and temperature of cryogenic treatment. An improved heat treatment to obtain reduced and constant austenite content is proposed.

Circadiane Uhren sind endogene Oszillatoren, die tägliche Rhythmen in Physiologie, Metabolismus und Verhalten steuern. Auf molekularem Level wird die Dynamik der circadianen Oszillation über ein genregulatorisches Netzwerk aus transkriptionellen-translationalen Rückkopplungsschleifen gesteuert. Posttranslationale Modifikationen von Uhrproteinen sind für eine präzise Justierung der circadianen Periode essentiell. Dabei spielt die Phosphorylierung von Uhrproteinen für die Regulation von Aktivität, Stabilität und intrazellulärer Lokalisation eine wichtige Rolle. Bisher sind verschiedene Kinasen als Modulatoren der circadianen Uhr charakterisiert worden, jedoch ist eine funktionale Rolle von Protein Phosphatasen bisher nur unzureichend untersucht. In dieser Arbeit wurde mittels eines RNAi-basierten Screenings in oszillierenden humanen Zellen untersucht, ob sich die gezielte Depletion katalytischer Untereinheiten der Serin/Threonin-Phosphatasen auf die normale Oszillationsdynamik auswirkt und welche Rolle ausgewählte Phosphatase-Kandidaten für die posttranslationale Kontrolle des molekularen Oszillators spielen. Die RNAi vermittelte Depletion von Protein Phosphatase 4 führte gewebe- und speziesübergreifend zu einer signifikant kurzen circadianen Periode, während die Überexpression von wildtypischer Pp4c in einer stark reprimierten Amplitude resultierte. Mechanistische Untersuchungen zur funktionellen Relevanz von PP4c für die Regulation der circadianen Uhr zeigten, dass PP4c womöglich eine duale Rolle spielt: Einerseits ist PP4c in die direkte Aktivierung des Bmal1-Promotors über RRE-Elemente involviert. Anderseits wirkt PP4c inhibierend auf die CLOCK/BMAL1-vermittelte, E-Box getriebene Genexpression. Ein favorisiertes Modell fundiert auf der Vermutung, dass eine durch PP4c induzierte Modulation des Phosphorylierungsstatus von BMAL1 zu einem stabilen, aber transktiptionsinaktiven BMAL1 und damit zu einer verstärkten Repression der Uhrgentranskription führt. / Circadian clocks are endogenous oscillators that drive daily rhythms in physiology, metabolism and behavior. On the molecular level the dynamics of circadian oscillations are regulated by a transcriptional-translational gene-regulatory network. Posttranslational modifications of clock proteins are essential for the precise timing of an about 24 hour-period. Among these modifications, protein phosphorylation plays an important role in regulating activity, stability and intracellular localization of clock proteins. Several kinases were characterized as regulators of the circadian clock. However, the function of protein phosphatases, which balance phosphorylation events, in the mammalian clock mechanism is less well understood. By using a systematic RNAi-based approach in oscillating human cells, this work aimed to study the impact of catalytic subunits of Serine/Threonin-phosphatases on normal circadian dynamics and the functional role of potential candidates in the posttranslational control of the mammalian molecular oscillator. This study demonstrates, that genetic depletion of the catalytic subunit of protein phosphatase 4 results independently from tissue and species in a significant shorter period, whereas overexpression of wildtype PP4c results in a severely reduced amplitude rhythm. Mechanistic experiments to uncover the functional relevance of PP4c in the regulation of the circadian clock showed, that PP4c plays a dual role: Firstly, PP4 is involved in the direct activation of the Bmal1-promotor via RRE elements. Secondly, PP4c is inhibiting the CLOCK/BMAL1-mediated gene expression. A favored model is based on the assumption, that PP4c-induced modulation of the phosphorylation status of BMAL1 leads to a more stable and transcriptional inactive protein and thereby to a repression of the transcription of clock genes.

Die Phosphorylierung als posttranslationale Modifikation von Proteinen spielt bei Signalwegen in Zellen eine große Rolle. Für die Entschlüsselung des molekularen Mechanismus der circadianen Uhr ist es daher von Interesse, die Phosphorylierungsstellen beteiligter Proteine zu identifizieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Proteine Period I und II mittels Flüssigkeitschromatographie und Tandemmassenspektrometrie (LC-MS/MS) auf Phosphorylierungsstellen untersucht. Hierbei lag der Fokus auf der Verbesserung bestehender Methoden, um eine bessere und umfassendere Identifizierung der Phosphorylierungsstellen, insbesondere in Bezug auf mehrfach phosphorylierte Peptide, zu erreichen. Der Arbeitsablauf beinhaltete die Verwendung mehrerer Proteasen, um eine hohe Sequenzabdeckung des Proteins zu erreichen. Nach der Proteolyse wurden die Phosphopeptide mittels Titandioxid angereichert. Hierbei und bei der LC-MS/MS-Analyse wurde Citrat als Additiv verwendet, welches eine bessere Chromatographie multiphosphorylierter Peptide ermöglicht. Bei der MS/MS-Analyse wurden CID und ETD als Fragmentierungsmethoden eingesetzt. Es konnten durch diese Methodik 30 bzw. 42 Phosphorylierungsstellen an den Proteinen Period I und II identifiziert werden, von denen 26 bzw. 14 zuvor nicht beschrieben waren. Nach der qualitativen Identifizierung wurden quantitative Varianten der optimierten Analytik untersucht, um die biologische Funktion der gefundenen Phosphorylierungsstellen untersuchen zu können. Hierbei wurden das metabolische Labeling der Zellen mit 15N-stickstoffhaltigen Aminosäuren und die säurekatalysierte Isotopenmarkierung auf Peptidebene mit 18O-Sauerstoff untersucht. Mit einer optimierten Variante der säurekatalysierten Isotopenmarkierung mit 18O-Sauerstoff lassen sich die Carboxygruppen der Peptide in 5h 30min mit einer Rate von >97% 18O-Sauerstoff markieren. Mit dieser Methode können weitere funktionelle Untersuchungen der Phosphorylierung an den Period-Proteinen durchgeführt werden. / Protein phosphorylation, a posttranslational modification, plays an important role in signal cascades in cells. In order to understand the molecular mechanism of the circadian clock, it is thus of interest to identify the phosphorylation sites on proteins contributing to the system. During the work for this thesis, the proteins Period I and II were analyzed for phosphorylation sites with liquid chromatography and tandem mass spectrometry (LC-MS/MS). Hereby the focus was on improving existing methods in order to better identify multi-phosphorylated peptides. In the workflow, the Period proteins were digested with several proteases in order to archive a high sequence coverage for analysis. After proteolysis the phosphopeptides were subsequently enriched with titanium dioxide. During phosphopeptide enrichment and reversed phase chromatography, citrate was used as an additive for a better chromatography and recovery of multiphosphorylated peptides. During LC-MS/MS analysis, CID and ETD were used as fragmentation mechanisms in the mass spectrometer. Using these methods, 30 and 42 phosphorylation sites could be identified on the proteins Period I and II, respectively, including 26 and 14 which were previously unpublished. In order to unravel the biological function of these phosphorylation sites, quantitative methods for the optimized LC-MS approach were investigated. This included the metabolic labeling of cells with amino acids containing 15N-nitrogen as well as acid catalyzed 18O-oxygen labeling on peptide level. The developed optimized variant of acid catalyzed 18O-oxygen labeling achieves an inclusion of 18O-oxygen at the peptide carboxy groups with a rate of >97% in 5h 30min. This method can be used for further investigation of the biological function of the phosphorylation on the Period proteins.

Das Cyanobakterium Synechococcus elongatus PCC 7942 besitzt eine circadiane Uhr, die aus nur drei Proteinen besteht: KaiA, KaiB und KaiC. Durch 24stündige Phosphorylierungs- und ATPase-Zyklen des KaiC wird u. a. die globale Genaktivität gesteuert. Der Anteil circadian regulierter Gene sowie die Zahl und Organisation der kai-Gene scheinen in Cyanobakterien stark zu variieren. Um die Komponenten eines potenziell komplexeren Kai-Systems zu untersuchen, wurde in der vorliegenden Arbeit Synechocystis sp. PCC 6803 als Modell ausgewählt. In dessen Genom werden ein KaiA- sowie jeweils drei divergierte KaiB- und KaiC-Proteine kodiert. Durch in vitro Studien konnte die Aktivität von KaiC1 und KaiC3 erstmals charakterisiert werden: KaiC1 zeigte eine KaiA-abhängige Kinase-Aktivität und bildet mit KaiA und KaiB1 vermutlich einen „Standard-Oszillator“. KaiC3 wies die typischen Kinase-, ATP-Synthase- und ATPase-Aktivitäten des KaiC aus Synechococcus auf. Deren Ausprägung erschien jedoch modifiziert. Ferner wurde die zeitliche und räumliche intrazelluläre Verteilung des KaiA sowie der KaiC-Proteine aufgeklärt. Die Kai-Proteine verhielten sich insgesamt abweichend von den Homologen aus Synechococcus, was das Fehlen einer circadianen Rhythmik unter den gewählten Wachstumsbedingungen erklärt. Angesichts kontroverser Diskussionen über die molekularen Details der Assemblierung von KaiC und KaiB aus Synechococcus wurde in einem ergänzenden Projekt demonstriert, dass die gesteigerte Phosphorylierung des KaiC bei 4°C zur Bildung stabiler KaiC-KaiB-Komplexe führt. Die dabei etablierte Methode erlaubt Untersuchungen der KaiC-KaiB-Interaktion unter Verwendung der Wildtyp-Proteine. / The cyanobacterium Synechococcus elongatus PCC 7942 harbors a circadian clock consisting of only three proteins: KaiA, KaiB and KaiC. 24hour phosphorylation and ATPase cycles of KaiC control global gene activity. The number of circadian regulated genes as well as the number and organization of kai-genes seem to vary strongly among cyanobacteria. To analyze the components of a probably more complex Kai-system, Synechocystis sp. PCC 6803 was chosen as a model in the present study. Its genome encodes one KaiA- and each three KaiB and KaiC proteins. The activity of KaiC1 and KaiC3 was – for the first time - characterized by in vitro studies: KaiC1 displayed a KaiA-dependent kinase activity and builds a ,standard oscillator‘ together with KaiA and KaiB1. KaiC3 displayed the typical kinase, ATP synthase and ATPase activities of KaiC from Synechococcus. However, the characteristics of the activities appeared to be modified. Moreover, the temporal and spatial intracellular distribution of KaiA and the KaiC proteins was elucidated. Altogether, the Kai proteins performed different from their Synechococcus homologs, explaining the lack of circadian rhythms under the chosen growth conditions. In view of the controversial discussions about the assembly of KaiC and KaiB from Synechococcus, an additional project was set up to demonstrate that increased auto-phosphorylation of KaiC at 4 °C leads to the formation of stable KaiC-KaiB-complexes. In this context, a protocol was established that allows to analyse KaiC-KaiB interactions using wild-type proteins.