In patients with Parkinson's disease (PD), the associated pathology follows a characteristic pattern involving inter alia the enteric nervous system (ENS), the dorsal motor nucleus of the vagus (DMV), the intermediolateral nucleus of the spinal cord and the substantia nigra, providing the basis for the neuropathological staging of the disease. Here we report that intragastrically administered rotenone, a commonly used pesticide that inhibits Complex I of the mitochondrial respiratory chain, is able to reproduce PD pathological staging as found in patients. Our results show that low doses of chronically and intragastrically administered rotenone induce alpha-synuclein accumulation in all the above-mentioned nervous system structures of wild-type mice. Moreover, we also observed inflammation and alpha-synuclein phosphorylation in the ENS and DMV. HPLC analysis showed no rotenone levels in the systemic blood or the central nervous system (detection limit [rotenone]<20 nM) and mitochondrial Complex I measurements showed no systemic Complex I inhibition after 1.5 months of treatment. These alterations are sequential, appearing only in synaptically connected nervous structures, treatment time-dependent and accompanied by inflammatory signs and motor dysfunctions. These results strongly suggest that the local effect of pesticides on the ENS might be sufficient to induce PD-like progression and to reproduce the neuroanatomical and neurochemical features of PD staging. It provides new insight into how environmental factors could trigger PD and suggests a transsynaptic mechanism by which PD might spread throughout the central nervous system.

In patients with Parkinson's disease (PD), the associated pathology follows a characteristic pattern involving inter alia the enteric nervous system (ENS), the dorsal motor nucleus of the vagus (DMV), the intermediolateral nucleus of the spinal cord and the substantia nigra, providing the basis for the neuropathological staging of the disease. Here we report that intragastrically administered rotenone, a commonly used pesticide that inhibits Complex I of the mitochondrial respiratory chain, is able to reproduce PD pathological staging as found in patients. Our results show that low doses of chronically and intragastrically administered rotenone induce alpha-synuclein accumulation in all the above-mentioned nervous system structures of wild-type mice. Moreover, we also observed inflammation and alpha-synuclein phosphorylation in the ENS and DMV. HPLC analysis showed no rotenone levels in the systemic blood or the central nervous system (detection limit [rotenone]<20 nM) and mitochondrial Complex I measurements showed no systemic Complex I inhibition after 1.5 months of treatment. These alterations are sequential, appearing only in synaptically connected nervous structures, treatment time-dependent and accompanied by inflammatory signs and motor dysfunctions. These results strongly suggest that the local effect of pesticides on the ENS might be sufficient to induce PD-like progression and to reproduce the neuroanatomical and neurochemical features of PD staging. It provides new insight into how environmental factors could trigger PD and suggests a transsynaptic mechanism by which PD might spread throughout the central nervous system.

DNA methylation is an essential epigenetic feature for the regulation and maintenance of heterochromatin. Satellite DNA is a repetitive sequence component that often occurs in large arrays in heterochromatin of subtelomeric, intercalary and centromeric regions. Knowledge about the methylation status of satellite DNA is important for understanding the role of repetitive DNA in heterochromatization. In this study, we investigated the cytosine methylation of the ancient satellite family pEV in the wild beet Beta procumbens. The pEV satellite is widespread in species-specific pEV subfamilies in the genus Beta and most likely originated before the radiation of the Betoideae and Chenopodioideae. In B. procumbens , the pEV subfamily occurs abundantly and spans intercalary and centromeric regions. To uncover its cytosine methylation, we performed chromosome-wide immunostaining and bisulfite sequencing of pEV satellite repeats. We found that CG and CHG sites are highly methylated while CHH sites show only low levels of methylation. As a consequence of the low frequency of CG and CHG sites and the preferential occurrence of most cytosines in the CHH motif in pEV monomers, this satellite family displays only low levels of total cytosine methylation.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung von Biosensoren mit dem Ziel, mit Hilfe der Kopplung molekular geprägter Polymere (MIPs) als neuartiges Rezeptormaterial und dem sensitiven Nachweisprinzip der Fluoreszenz eine neue Qualität des Analytnachweises zu erreichen. Es wurde eine neue Strategie zur Optimierung der Bindungseigenschaften von molekular geprägten Polymeren in wässrigen Lösungsmitteln entwickelt, die die Kopplung aus Design of Experiments und der Optimierung multipler Zielgrößen umfasst. Damit konnten die Polymerbindungseigenschaften für alle vier betrachteten Parameter wesentlich verbessert werden. Mit Hilfe stationärer und zeitaufgelöster Fluoreszenztechniken wurde die Aufklärung der Wechselwirkung zwischen MIP und Analyt auf molekularer Ebene sowie die Charakterisierung einer neuen Nachweisstrategie basierend auf einen Förster-Resonanzenergietransfer-Mechanismus realisiert. Es wurde ferner ein MIP-Sensor für biologische Proben mit mikrofluidischer Probenzuführung aufgebaut und mittels Fluoreszenzspektrometer als konventionelles Nachweisverfahren etabliert. Darauf aufbauend wurde der optische Nachweis miniaturisiert und somit miniaturisierte Lichtquellen und Detektoren sowie eine faser-optische Lichtleitung eingesetzt. Davon ausgehend erfolgte die Optimierung des Messaufbaus hinsichtlich der Sensitivität und Nachweisgrenze des fluoreszierenden Analyten. Schließlich wurden erstmalig fluoreszenzmarkierte MIP-Partikel zur Lokalisation und Quantifizierung auf Zelloberflächen eingesetzt, d.h. diese dienten als Antikörperersatz der Immunfärbung. / This thesis deals with the development of biosensors with the aim to couple molecularly imprinted polymers (MIPs) as new receptor material with the sensitive detection principle of fluorescence in order to improve analyte detection. A new strategy for optimization of binding parameters of molecularly imprinted polymers in aqueous media was developed which is based on the coupling of design of experiments and the optimization of multiple objective parameters. Due to that the polymer binding properties for all four considered parameters could be optimized considerably. With the help of steady state and time-resolved fluorescence techniques the interaction between MIP and analyte could be clarified on a molecular basis. Furthermore the characterization of a new detection strategy based on a Förster resonance energy transfer mechanism was realized. Moreover a MIP sensor with microfluidic sample handling for biological samples was built-up and established with fluorescence spectroscopy as conventional detection method. Based on that, the optical detection was miniaturized with respect to light sources, detectors as well as optical fibers for light guidance. This set-up was optimized concerning sensitivity and limit of detection of the fluorescent analyte. Finally, for the first time fluorescently marked MIP particles were applied for imaging on cell surfaces – meaning that they were used for immunostaining as antibody mimics.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung von Biosensoren mit dem Ziel, mit Hilfe der Kopplung molekular geprägter Polymere (MIPs) als neuartiges Rezeptormaterial und dem sensitiven Nachweisprinzip der Fluoreszenz eine neue Qualität des Analytnachweises zu erreichen. Es wurde eine neue Strategie zur Optimierung der Bindungseigenschaften von molekular geprägten Polymeren in wässrigen Lösungsmitteln entwickelt, die die Kopplung aus Design of Experiments und der Optimierung multipler Zielgrößen umfasst. Damit konnten die Polymerbindungseigenschaften für alle vier betrachteten Parameter wesentlich verbessert werden. Mit Hilfe stationärer und zeitaufgelöster Fluoreszenztechniken wurde die Aufklärung der Wechselwirkung zwischen MIP und Analyt auf molekularer Ebene sowie die Charakterisierung einer neuen Nachweisstrategie basierend auf einen Förster-Resonanzenergietransfer-Mechanismus realisiert. Es wurde ferner ein MIP-Sensor für biologische Proben mit mikrofluidischer Probenzuführung aufgebaut und mittels Fluoreszenzspektrometer als konventionelles Nachweisverfahren etabliert. Darauf aufbauend wurde der optische Nachweis miniaturisiert und somit miniaturisierte Lichtquellen und Detektoren sowie eine faser-optische Lichtleitung eingesetzt. Davon ausgehend erfolgte die Optimierung des Messaufbaus hinsichtlich der Sensitivität und Nachweisgrenze des fluoreszierenden Analyten. Schließlich wurden erstmalig fluoreszenzmarkierte MIP-Partikel zur Lokalisation und Quantifizierung auf Zelloberflächen eingesetzt, d.h. diese dienten als Antikörperersatz der Immunfärbung. / This thesis deals with the development of biosensors with the aim to couple molecularly imprinted polymers (MIPs) as new receptor material with the sensitive detection principle of fluorescence in order to improve analyte detection. A new strategy for optimization of binding parameters of molecularly imprinted polymers in aqueous media was developed which is based on the coupling of design of experiments and the optimization of multiple objective parameters. Due to that the polymer binding properties for all four considered parameters could be optimized considerably. With the help of steady state and time-resolved fluorescence techniques the interaction between MIP and analyte could be clarified on a molecular basis. Furthermore the characterization of a new detection strategy based on a Förster resonance energy transfer mechanism was realized. Moreover a MIP sensor with microfluidic sample handling for biological samples was built-up and established with fluorescence spectroscopy as conventional detection method. Based on that, the optical detection was miniaturized with respect to light sources, detectors as well as optical fibers for light guidance. This set-up was optimized concerning sensitivity and limit of detection of the fluorescent analyte. Finally, for the first time fluorescently marked MIP particles were applied for imaging on cell surfaces – meaning that they were used for immunostaining as antibody mimics.