Universiẗat, Diss., 2004--Bielefeld.

Zugl.: München, Univ., Diss., 2008

A proper understanding of biological processes requires an understanding of genetics and evolutionary mechanisms. The vast amounts of genetical information that can routinely be extracted with modern technology have so far not been accompanied by an equally extended understanding of the corresponding processes. The relationship between a single gene and the resulting properties, phenotype of an individual is rarely clear. This thesis addresses several computational challenges regarding identifying and assessing the effects of quantitative trait loci (QTL), genomic positions where variation is affecting a trait. The genetic information available for each individual is rarely complete, meaning that the unknown variable of the genotype in the loci modelled also needs to be addressed. This thesis contains the presentation of new tools for employing the information that is available in a way that maximizes the information used, by using hidden Markov models (HMMs), resulting in a change in algorithm runtime complexity from exponential to log-linear, in terms of the number of markers. It also proposes the introduction of inferred haplotypes to further increase the power to assess these unknown variables for pedigrees of related genetically diverse individuals. Modelling consequences of partial genetic information are also treated. Furthermore, genes are not directly affecting traits, but are rather expressed in the environment of and in concordance with other genes. Therefore, significant interactions can be expected within genes, where some combination of genetic variation gives a pronounced, or even opposite, effect, compared to when occurring separately. This thesis addresses how to perform efficient scans for multiple interacting loci, as well as how to derive highly accurate empirical significance tests in these settings. This is done by analyzing the mathematical properties of the objective function describing the quality of model fits, and reformulating it through a simple transformation. Combined with the presented prototype of a problem-solving environment, these developments can make multi-dimensional searches for QTL routine, allowing the pursuit of new biological insight. / eSSENCE

Background: Lung cancer is the leading cause of cancer-related death and one of the most common cancer types worldwide. Epidermal growth factor receptor (EGFR) has been shown to be an important therapeutic target in non-small cell lung cancer. Kirsten rat sarcoma viral oncogene homologue (KRAS) is a downstream signalling molecule in the EGFR pathway. Lung cancer patients with EGFR mutations respond to tyrosine EGFR inhibitor therapy, in contrast, patients with KRAS mutations do not benefit of such treatment. Methods: This study investigates the frequency of EGFR and KRAS mutations in non-small cell lung cancer patients. Fifty-one lung cancer patients with primary non-small cell lung cancer diagnosed between 1995 and 2005 in the Uppsala-Örebro region were analysed by Sanger sequencing and Pyrosequencing to determine the mutation status of these genes. Results: Five EGFR mutations were found in four patients (8%), two deletions in exon 19, one point mutation in exon 20 and two point mutations in exon 21. KRAS mutations were found in 12 patients (24%), ten codon 12 mutations and two codon 61 mutations. Conclusions: This study confirms previous observations regarding the frequency of EGFR and KRAS mutations in non-small cell lung cancer. Mutations in EGFR and KRAS were mutually exclusive, indicating that both mutations present relevant tumorigenic genomic aberrations.

Oats (Avena sativa) have been one of the most important cereals in Swedish crop history, completely dominating domestic cereal production in the 19th and early 20th centuries. During this time, oats were mainly used as horse feed and since then, production has decreased with decreased use of horses. Oats have recently been rediscovered as a source of plant-based protein with several health benefits, and due to the low environmental requirements and effectiveness in cereal crop rotation, oats are yet again increasing in popularity. For future development of oat cultivars, insight into oat genetics and genomic history of oats is required. In this study, 84 archeological oat grains (1440-1766 AD) originating from desiccated and waterlogged sources in southern Sweden were analyzed to understand their genetic history. Next generation sequencing (NGS) of extracted DNA from individual grains revealed that the samples had varying oat alignment success, ranging from 0.01 - 34.38% (average: 9.00%). Through metagenomic analysis, it was concluded that, even though a large part of the acquired reads were bacterial, the endogenous oat content was enough to enable deeper bioinformatic analysis. Through Kompetitive Allele Specific PCR (KASP) genotyping, the genetic and geographic structuring was investigated by comparison with 343 previously genotyped 19th century oat landrace grains. Results showed that ancient landraces share genetic similarity with historical landraces and modern improved cultivars, implying that the with the introduction of improved cultivars, they were incorporated into ancient landraces, possibly to increase local adaptation. The analyses revealed a large within-accession variation in all results. An attempt was made to understand the source of this variation, but no pre-extraction parameters that increase sample success were distinguishable. With this study, it was shown that genotyping, sequencing and bioinformatic analysis of ancient oat samples is possible, and can be used to understand oat genetic history.

Multiple Sklerose ist eine der häufigsten neurologischen Erkrankungen, die zu motorischen, sensiblen und vegetativen Einschränkungen führt. Häufig beginnt die Erkrankung mit einem schubförmigen Verlauf, dem eine progrediente Verschlechterung folgt. Trotzdem leiden ca. 15% der Patienten bereits von Beginn an, an einer primär progressiven Variante der MS, die bereits mit der progredienten Phase beginnt. Bis jetzt ist die Pathophysiologie nicht vollständig verstanden. Lange Zeit dachte man, dass MS primär eine reine Autoimmun-Erkrankung darstellt, aber in den letzten Jahren ergab sich die Frage, ob es vor allem in den progressiven Formen, eine zytodegenerative Komponente gibt, auf die eine sekundäre Inflammation folgt. Eine mögliche Ursache stellen hier Mutationen des PLP 1 Gens dar, die normalerweise mit leukodystrophischen Erkrankungen assoziiert sind. Es gab zwei Fallberichte, in denen von Patienten berichtet wurde, die unterschiedliche Mutationen in diesem Gen hatten und den klinischen Phänotyp einer MS zeigten. Diese Arbeit sollte nun die Auswirkungen der Mutationen, beziehungsweise einer Nullmutation des PLP 1 Gens in 18- und zum Teil 12-Monate alten Mausmutanten untersuchen. Hier konnten Myelin-Veränderungen und axonaler Schaden in immunhistochemischen Untersuchungen sowie mittels Elektronenmikroskopie und optischer Kohärenztomographie gezeigt werden. Weiter konnte eine Neuroinflammation und damit einhergehend eine zunehmende Anzahl CD8+ T-Zellen sowie einer erhöhten Anzahl an Mikroglia/Makrophagen gefunden werden. Dies ging mit vergleichsweise reduzierten Leistungen der Mutanten bei der motorischen Rotarod-Analyse einher. Interessanterweise wurde weniger neuraler Schaden in den heterozygoten Varianten gefunden, obwohl das Ausmaß der Entzündung gleichblieb. Dies könnte für eine zielgerichtete immunvermittelte Schädigung der Oligodendrozyten sprechen, die zu neuronalem Schaden führt. So konnte gezeigt werden, dass es durch Punktmutationen in einem Myelinprotein-codierendem Gen zu einer sekundären Entzündung kommen kann, die mit dem klinischen Phänotyp einer progressiven MS einhergeht. Weiter sind diese Mausmodelle ein Beispiel für eine genetische Erkrankung des ZNS, in denen die Klinik maßgeblich durch die begleitende Inflammation und nicht allein durch den genetischen Schaden verursacht wird. / Multiple sclerosis (MS) is one of the most common neurological diseases, leading to motor, sensory and vegetative impairment. Frequently, the disease begins as a relapsing remitting form, which is followed by a progressive stage. Nevertheless about 15% of the patients suffer under a primary progressive multiple sclerosis, which starts with the progressive stage. Until now the pathophysiology is not completely understood. For a long time, multiple sclerosis was thought to be an autoimmune disease, but in the last years the question arose if the underlying cause, especially in the progressive forms (PMS), could be a cytodegenerative component, followed by secondary inflammation. A possible candidate here could be point mutations in the PLP 1 gene, which are usually associated with leukodystrophic disorders. There were two case reports about patients carrying distinct point mutations in this gene, leading to the clinical phenotype of multiple sclerosis. This thesis examines 18- and in part 12-month-old mice, carrying these point mutations or having a Plp 1 null mutation. Here myelin alterations and axonal damage in immunohistochemical stainings could be shown, as well as in the optical coherence tomography and electron microscopy. Furthermore, the occurrence of neuroinflammation comprising recruitment of microglia/macrophages and CD8 positive T-cells could be demonstrated. Also, typical clinical symptoms in the Rotarod test were found. Interestingly, there was less neural damage found in heterozygous females than in homozygous mutant mice, while the extent of inflammation was the same. This could indicate a targeted immune-mediated injury of oligodendrocytes leading to neuronal damage. In summary, this thesis shows that a point mutation of a gene coding for a myelin protein of oligodendrocytes can lead to secondary neuroinflammation and a neurological phenotype comparable to PMS. In addition, the generated mouse models are an example for genetic diseases of the CNS, in which the clinical outcome could be driven by inflammation and not only by the primary gene mutation.

In schnell wachsenden Hyphen des filamentösen Pilzes Ashbya gossypii ist die Oberflächenvergrößerung bis zu 40-fach höher, als in den Knospen des nah verwandten Pilzes Saccharomyces cerevisiae. Um die Wachstumszonen auf die Hyphenspitzen zu begrenzen, müssen Polaritätsfaktoren wie Rezeptoren und Sensoren, sowie überschüssiges Membranmaterial in subapikalen Bereichen von der Zelloberfläche entfernt werden. Dies wird durch den Prozess der Endozytose erreicht. In S. cerevisiae ist der Hauptendozytoseweg die Clathrin- und Aktin-abhängige Endozytose und der Prozess ist bereits gut charakterisiert. A. gossypii besitzt Homologe zu fast allen Komponenten dieser endozytischen Maschinerie und ist daher besonders gut geeignet die Anpassung des endozytischen Prozesses an schnelles, polares Wachstum zu untersuchen. Um die Endozytose während des polaren Hyphenwachstums zu analysieren, wurden neun homologe Proteine des aus S. cerevisiae bekannten Endozytosemechanismus mittels „live cell imaging“ und TIRF-Mikroskopie sowohl in langsam, als auch in schnell wachsenden Hyphen untersucht. Hierbei zeigte sich, dass die Endozytoserate in den schnell wachsenden Hyphen in A. gossypii im Vergleich zu Hefe-Zellen deutlich erhöht ist. Dies wird sowohl durch die Beschleunigung des endozytischen Prozesses, als auch durch eine erhöhte Anzahl an endozytischen Ereignissen pro µm2 Zelloberfläche erreicht. Die fluoreszenzmikroskopischen Analysen zeigten zudem, dass sich die Endozytosezone bei hoher Wachstumsgeschwindigkeit um ca. 3 µm in den hinteren Hyphenbereich verlagert. Ein wesentlicher Unterschied des endozytischen Prozesses in A. gossypii im Vergleich zu S. cerevisiae ist die Funktion von Clathrin. Clathrin kolokalisierte mit keiner der getesteten endozytischen Komponenten und konnte ausschließlich an zellinternen Strukturen detektiert werden. Dies deutet darauf hin, dass Clathrin bei der Endozytose in A. gossypii keine Rolle spielt und seine Funktion auf interne Kompartimente wie die Endosomen oder das Golgi-Netzwerk beschränkt ist. Die Unterschiede in der Clathrin-Funktion zwischen S. cerevisiae und A. gossypii hängen vermutlich mit einer minimalen Abweichung im Genset endozytischer Komponenten in A. gossypii zusammen. So besitzt A. gossypii kein Homologes zu ScSla2, welches in Hefe sowohl mit Clc1, als auch mit dem Aktin-Zytoskelett interagiert. Der Sequenzvergleich der Clc1-Proteine aus S. cerevisiae und A. gossypii zeigt, dass in AgClc1 die Sla2-Bindedomäne fehlt. Mittels eines Komplementationstests konnte nachgewiesen werden, dass die Fusion dieser Bindedomäne an das AgCLC1-Gen ausreicht, um die endozytische Funktion von Clathrin in S. cerevisiae wieder herzustellen. In S. cerevisiae führt die Interaktion von Sla2 und Clc1 zu einer verminderten Aktin-Anlagerung an das entstehende Vesikel und dient als Regulationsmechanismus für die Membraneinstülpung. Das Fehlen dieses Mechanismus könnte in A. gossypii die Membraneinstülpung durch vermehrte Aktin-Anlagerung beschleunigen und auf diese Weise zur Anpassung an das schnelle Hyphenwachstum beitragen.

Die Regulation der Genexpression steht am Anfang vieler zellbiologischer Prozesse wie beispielsweise dem Zellwachstum oder der Differenzierung. Gene werden an Promotoren transkribiert, wobei ein Promotor selbst aus vielen logischen Einheiten aufgebaut ist, den Transkriptionsfaktorbindestellen (TFBSs). Diese können sehr nah beieinander liegen, aber auch weit entfernt voneinander sein. Sie werden spezifisch von Transkriptionsfaktoren (TFs) gebunden, die die Transkritptionsrate z.B. verstärken (Enhancer) oder schwächen (Silencer) können. Zwei oder mehr dieser TFBSs mit bestimmtem Abstand werden als "Module" zusammengefasst, die über Spezies hinweg konserviert sein können. Typischerweise findet man Module in Zellen mit einem Zellkern. Spezies mit gemeinsamen Modulen können ein Hinweis auf die gemeinsame phylogenetische Abstammung darstellen, aber auch gemeinsame Funktionsmechanismen von TFs über Gene hinweg aufdecken. Heutzutage sind verschiedene Anwendungen verfügbar, mit denen nach TFBSs in DNA gesucht werden kann. Zum Zeitpunkt des Verfassens dieser Arbeit sind aber nur zwei kommerzielle Produkte bekannt, die nicht nur TFBSs, sondern auch Module erkennen. Deshalb stellen wir hier die freie und quelloffene Lösung "AIModules" vor, die diese Lücke füllt und einen Webservice zur Verfügung stellt, der es erlaubt nach TFBSs sowie nach Modulen auf DNA- und auf RNA-Abschnitten zu suchen. Für die Motivesuche werden entweder Matrizen aus der Jaspar Datenbank oder Matrizen vom Anwender verwendet. Darüberhinaus zeigen wir, dass unser Tool für die TF Suche nur Sekunden benötigt, wohingegen conTraV3 mindestens eine Stunde für dieselbe Analyse braucht. Zusätzlich kann der Anwender bei unserem Tool den Grad der Konserviertheit für TFs mit angeben und wir zeigen, dass wir mit unserer Lösung, die die Jaspar Datenbank heranzieht, mehr Module finden, als ein kommerziell verfügbares Produkt. Weiterhin kann mit unserer Lösung auch auf RNA-Sequenzen nach regulatorischen Motiven gesucht werden, wenn der Anwender die dafür nötigen Matrizen liefert. Wir zeigen dies am Beispiel von Polyadenylierungsstellen. Zusammenfassend stellen wir ein Werkzeug vor, das erstens frei und quelloffen ist und zweitens entweder auf Servern veröffentlicht werden kann oder On-Site auf einem Notebook läuft. Unser Tool erlaubt es Promotoren zu analysieren und nach konservierten Modulen sowie TFBSs in Genfamilien sowie nach regulatorischen Elementen in mRNA wie z.B. Polyadenylierungsstellen oder andere regulatorische Elemente wie beispielsweise Enhancern oder Silencern in genomischer DNA zu suchen. / Regulation of gene expression is at the root of many processes in cellular biology such as cell growth and differentiation. Promotors are the starting points for the transcription of a gene. The promotor itself consists of transcription factor binding sites (TFBSs) which can be closely located or vastly apart. They are recognized and bound by transcription factors (TFs) which themselves can e.g. enhance or silence the transcribing process by the RNA polymerases. Two or more of those transcription factor binding sites within a certain range are called a "module". Typically, those are found in cells with a nucleus and they may be conserved throughout species. The knowledge of modules may indicate a phylogenetic relationship among species but may also provide insight into the concerted actions of TFs on different genes. Currently there are a number of tools available that can enable a user to find TFBSs on DNA. But at the time of assembling this thesis, there are only two commercial software products available, that can not only detect TFs but also modules. Therefore, we present a free and open source solution that fills this gap by providing a web service that searches for TFBSs and modules on DNA as well as RNA stretches, called "AIModules". For that, matrices from the Jaspar database or user input matrices are used for motif discovery. Additionally, we show that our tool does TF analysis in seconds, whereas tools like conTraV3 took at least an hour. Furthermore, for the module search the user can specify the degree of conservation of the TFs. We show that with our solution using the JASPAR database we find more modules than a commercially available tool. Moreover, with our application RNA stretches can also be searched for regulatory motifs if suitable matrices are provided. We illustrate this for polyadenylation sites. Thus, our solution is free and open source, and can be deployed on servers as well as provided on-site on a notebook. We provide a tool to analyze promotors and search for conserved modules as well as common TFBSs in gene families, search for regulatory elements in mRNA such as polyadenylation sites or other regulatory elements such as enhancers or silencers in genomic DNA.

Formativ bedömning genom informations och kommunikationsteknik (IKT) kan vara ettkraftfullt verktyg i läraryrket som sparar tid och gynnar elevernas lärande. Men hur elevernaupplever metoden är ej undersökt. Studiens syfte är att undersöka hur eleverna upplever formativbedömning genom IKT inom genetikområdet. Metoden som använts är en kvalitativ metod iform av intervjuer i fokusgrupper med elever som läser biologi 1 på gymnasiet. Resultatet frånfokusgrupperna analyserades genom en innehållsanalys.Resultatet visar flera teman kopplade till frågeställningen. Eleverna upplever att den formativabedömningen genom IKT påverkar deras förståelse för genetiken genom att den synliggörbefintlig kunskap, ger feedback att ta sig vidare inom området samt möjlighet att testa sinkunskap. Eleverna uttrycker att metoden påverkar deras förståelse av den egna lärandeprocessengenom att synliggöra den befintliga lärandeprocessen samt synliggöra nästa steg men elevernauttrycker inget djup kring frågeställningen. Slutligen menar eleverna att det är en skillnad mellanformativ bedömning genom IKT och lärarledd formativ bedömning i djupet på den formativabedömningen, möjligheterna att tillgodose den formativa bedömningen och relationen tillläraren.Sammanfattningsvis visar resultatet att eleverna tycker att metoden hjälper dem förstågenetikområdet men är inte överens om hur djup den bör vara. Eleverna reflekterar inte särskiltmycket kring sin lärandeprocess och hur den påverkas av metoden. De upplever en stor skillnadmellan formativ bedömning genom lärare eller IKT men den är högst individuell.

In der vorliegenden Studie wurden Veränderungen des Darmmikrobioms anhand von Stuhlproben von Patienten mit akuter Leukämie longitudinal untersucht. Die Patienten wurden mit intensiver Chemotherapie behandelt. Die Therapie als auch die Erkrankung selbst führte zu einer erheblichen Immunsuppression der Patienten. Prophylaktisch und therapeutisch wurden intensive Antibiotikatherapien bei allen Patienten durchgeführt. Das Mikrobiom wurde quantitativ und qualitativ analysiert. Die Bakterienmenge der Stuhlproben wurde mittels quantitativer Polymerase-Kettenreaktion und die Diversität des Mikrobioms mittels 16s rDNA Sequenzierung aufgezeigt. Zusätzlich dazu fand eine mikrobiologische Kultivierung von Bakterien in Rektalabstrichen statt, um multiresistente Keime nachzuweisen. Ebenso wurde der klinische Verlauf der Patienten dokumentiert. Insgesamt wurde das Mikrobiom von drei verschiedenen Studiengruppen untersucht: Patienten mit akuter Leukämie, Patienten, die mit multiresistenten Keimen besiedelt waren und sich in der Nachsorge der Würzburger interdisziplinären onkologischen Tagesklinik befanden sowie gesunde Probanden. Im Mikrobiom der Patienten mit akuter Leukämie war eine deutlich geringere Diversität sowie eine deutlich geringere Bakterienmenge im Vergleich zu beiden anderen Studiengruppen festzustellen. Das Mikrobiom änderte sich während des Therapieverlaufs erheblich und am Beispiel von einigen Patienten konnte gezeigt werden, dass einzelne Bakterien das Mikrobiom dominierten. Des Weiteren waren im Mikrobiom der Patienten mit akuter Leukämie mehr potenziell pathogene sowie weniger potenziell protektive Bakterien im Vergleich zur Kontrollgruppe vorhanden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich das Mikrobiom der Patienten mit akuter Leukämie deutlich von dem der anderen Studiengruppen unterscheidet. Um die Daten zu validieren und einen eventuellen Einfluss des Mikrobioms auf das Überleben der Patienten zu identifizieren, sollten die Untersuchungen an einer deutlich größeren Studienpopulation wiederholt werden. / In the present study changes in the intestinal microbiome were examined longitudinally using stool samples from patients with acute leukemia. The patients were treated with intensive chemotherapy. The therapy as well as the disease itself led to a considerable immunosuppression of the patients. Prophylactic and therapeutic intensive antibiotic therapies were performed in all patients. The microbiome was analyzed quantitatively and qualitatively. The amount of bacteria in the stool samples was determined by a quantitative polymerase chain reaction and the diversity of the microbiome by 16s rDNA sequencing. In addition, a microbiological cultivation of bacteria in analswabs was performed to detect multiresistant bacteria. The clinical course of the patients was also documented. In total the microbiome was examined by three different study groups: patients with acute leukaemia, patients colonised with multi-resistant germs and undergoing follow-up treatment at the Würzburg interdisciplinary oncological day clinic, and healthy volunteers. In the microbiome of the patients with acute leukaemia, a significantly lower diversity as well as a significantly lower amount of bacteria was found in comparison to the two other study groups. The microbiome changed considerably during the course of therapy and it could be shown in the cases of some patients that individual bacteria dominated the microbiome. In addition, the microbiome of patients with acute leukaemia contained more potentially pathogenic and less potentially protective bacteria compared to the control group. In summary, the microbiome of patients with acute leukaemia differed significantly from that of the other study groups. In order to validate the data and identify a possible influence of the microbiome on the survival rates of the patients, the investigations should be repeated in a significantly larger study population.