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HuR promotes tumorigenic characteristics in hepatocellular carcinoma (2012)

Kathrin Schulz

In the absence of apparent mutations, alteration of gene expression patterns represents the key mechanism by which normal cells evolve to cancer cells. Gene expression is tightly regulated by posttranscriptional processes. Within this context, RNA-binding proteins (RBPs) represent fundamental factors, since they control mechanisms, such as mRNA-stabilization, -translation and -degradation. Human antigen R (HuR) was among the first RBPs that have been directly associated to carcinogenesis. HuR modulates the stability and translation of mRNAs which encode proteins facilitating various ‘hallmarks of cancer’, namely proliferation, evasion of growth suppression, angiogenesis, cell death resistance, invasion and metastasis. Furthermore, it is well established that tumor-promoting inflammation contributes to tumorigenesis. In this process, monocytes are attracted to the site of the tumor and educated towards a tumor-promoting macrophage phenotype. While HuR has been extensively studied in various tumor cell types, little is known about HuR in hepatocellular carcinoma (HCC). Thus, the aim of my work was to characterize the contribution of HuR to the development of cancer characteristics in HCC. I was particularly interested to investigate if HuR facilitates tumor-promoting inflammation, since a role for HuR has not been described in this context. To this end, I depleted HuR in HepG2 cells (HuR k/d) and used a co-culture model of HepG2 tumor spheroids and infiltrating monocytes to study the impact of HuR on the tumor microenvironment. I could show that depletion of HuR resulted in the reduction of cell numbers. Additionally, the expression of proliferation marker KI-67 and proto-oncogene c-Myc was reduced, supporting a proliferative role of HuR. Furthermore, exposure to cytotoxic staurosporine elevated apoptosis in HuR k/d cells compared to control cells. Concomitantly, the expression of the anti-apoptotic mediator B-cell lymphoma protein-2 (Bcl-2) was markedly reduced in the HuR k/d cells, pointing to an involvement of HuR in cell survival processes. Accordingly, a pro-survival function of HuR was also observed in tumor spheroids, since HuR k/d spheroids exhibited a larger necrotic core region at earlier time points and showed elevated numbers of dead cells compared to control (Ctr.) spheroids. Interestingly, HuR k/d spheroids isplayed reduced numbers of infiltrated macrophages, suggesting that HuR contributes to a tumor-promoting, inflammatory microenvironment by recruiting monocytes/macrophages to the tumor site. Aiming at identifying HuR-regulated factors responsible for the recruitment of monocytes, I found reduced levels of the chemokine interleukin 8 (IL-8) in supernatants of HuR k/d spheroids, supporting a critical involvement of HuR in the chemoattraction of monocytes. Analyzing supernatants of co-cultures of macrophages and HuR k/d or Ctr. spheroids revealed additional differences in chemokine secretion patterns. Interestingly, protein levels of many chemokines were elevated in co-cultures of HuR k/d spheroids compared to control co-cultures. Albeit enhanced chemokine secretion was observed, less monocytes are recruited into HuR k/d spheroids, further underlining the necessity of HuR in cancer related monocyte/macrophage attraction and infiltration. Differences between chemokine profiles of mono- and co-cultured spheroids could be attributable to changes in spheroid-derived chemokines as a result of the crosstalk with the immune cells. Provided the chemokines originate from monocytes/macrophages, the different secretion patterns suggest that HuR contributes to the modulation of the functional phenotype of infiltrated macrophages, since the tumorenvironment is critically involved in the shaping of macrophage phenotypes. Regions of low-oxygen (hypoxia) represent another critical feature of tumors. Therefore, I next analyzed the impact of HuR on the hypoxic response. Loss of HuR attenuated hypoxia-inducible factor (HIF) 2α expression after exposure to hypoxia, while HIF-1α protein levels remained unaltered. Considering previous results of our group, showing that HIF-2α depletion (HIF-2α k/d) resulted in the enhanced expression of HIF-1α protein, I aimed to determine the involvement of HuR in the compensatory upregulation of HIF-1α protein in HIF-2α k/d cells. I could demonstrate that not only total HuR protein levels, but specifically cytoplasmic HuR was elevated in HIF-2α depleted cells pointing to enhanced HuR activity. Silencing HuR in HIF-2α deficient cells attenuated enhanced HIF-1α protein expression, thus confirming a direct role of HuR in the compensatory upregulation of HIF-1α. This as also reflected on HIF-1α target gene expression. I further investigated the mechanism underlying the compensatory HIF-1α expression in HIF-2α deficient cells. Analyzing HIF-1α mRNA expression, I excluded enhanced HIF1-α transcription and stability to account for elevated HIF-1α expression in HIF-2α k/d cells. HIF-1α promoter activity assays confirmed the mRNA data. Furthermore, HIF-1α protein half-life was not elevated in HIF-2α k/d cells compared to control cells, indicating that HIF-1α protein stability is not altered in HIF-2α k/d cells. Analysis of the association of HIF-1α with the translational machinery using polysomal fractionation finally revealed an increased istribution of HIF-1α mRNA in the heavier polysomal fractions in HIF-2α k/d cells compared to control cells. Since augmented ribosome occupancy is an indicator for more efficient translation, I propose enhanced HIF-1α translation as underlying principle of the compensatory increase in HIF-1α protein levels in HIF-2α k/d cells. In summary, my results demonstrate that HuR is critical for the development of cancer characteristics in HCC. Future work analyzing the impact of HuR on tumor-promoting inflammation, specifically macrophage attraction and activation could provide new trategies to inhibit macrophage-driven tumor progression. Furthermore, I provide evidence that HuR contributes to the hypoxic response by regulating the expression of HIF-1α and HIF-2α. Targeting single HIF-isoforms for tumor therapy should be carefully considered, because of their compensatory regulation when one α-subunit is depleted. Thus, therapeutic strategies targeting factors such as HuR that control both α-subunits and at the same time prevent compensation might be more promising.

Die Bedeutung cGMP-abhängiger Phosphodiesterasen für die nozizeptive Transmission / vorgelegt von Aaron Markus Bothe (2012)

Aaron Bothe

Die Rolle von NO und cGMP in der Schmerzverarbeitung im Rückenmark ist in den letzten Jahren durch viele Berichte untermauert worden. Nicht vollständig bekannt sind hingegen die Mechanismen, derer sich cGMP bedient, um die Transmission von Schmerzen zu beeinflussen. In der vorliegenden Arbeit wurde deshalb untersucht, welche cGMPabhängigen Phosphodiesterasen (PDEs) hierbei eine Rolle spielen könnten und wie sich diese Beteiligung funktionell äußert. Dazu wurden immunhistochemische Färbungen von Rückenmarkschnitten angefertigt und Western-Blot-Analysen von Rückenmarkgewebe durchgeführt. Beide Methoden lieferten Hinweise dafür, dass die PDEs 1A, 1B, 3A,3B, 5A und 11A keine Rolle in der Verarbeitung von Schmerzen spielen. Demgegenüber scheinen die PDE1C, 2A und 10A in schmerzrelevanten Gebieten des Rückenmarks lokalisiert zu sein. Die funktionelle Relevanz der PDE2A und PDE10A im Rahmen der Schmerzverarbeitung wurde mit Hilfe des PDE2A-Inhibitors BAY 60-7550 und des PDE-10A-Inhibitors Papaverin in nozizeptiven Tiermodellen untersucht. Dabei bewirkte, im Modell der Complete Freund’s Adjuvant (CFA)-induzierten mechanischen Hyperalgesie, die i.p. Applikation von BAY 60-7550 oder Papaverin eine Verstärkung der Hyperalgesie. Weiterhin war die Leckzeit in der 2. Phase des Formalin-Modells bei einer Inhibition von PDE10A signifikant verlängert. Insgesamt bestätigen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit frühere Berichte, dass cGMP an der Schmerzsensibilisierung im Hinterhorn des Rückenmarks beteiligt ist und deuten auf eine Rolle insbesondere von PDE2A und 10A im Rahmen der Schmerzsensibilisierung hin.

Entwicklung einer reagenzienfreien Methode zur quantitativen Bestimmung der Inhaltsstoffe von Körperflüssigkeiten mit ATR-FTIR-Spektroskopie (2006)

Gamze Hoşafçı

Teile dieser Arbeit sind Thema folgender Publikationen: Gamze Hosafci, Oliver Klein, Gerhard Oremek, Werner Mäntele: Clinical chemistry without reagents? An infrared spectroscopic technique for determination of clinically relevant constituents of body fluids Anal Bioanal Chem, DOI 10.1007/s00216-006-0841-3 Gamze Hosafci, Oliver Klein, Gerhard Oremek, Werner Mäntele: Ein Tropfen Blut genügt: Reagenzienfreie Labordiagnostik in der Medizin mittels Infrarotspektroskopie GIT Labor-Fachzeitschrift, Bd 50 (2006), H. 4, S. 322-325, GIT Darmstadt Gamze Hosafci, Oliver Klein, Gerhard Oremek, Werner Mäntele: It Will Just Need a Drop of Blood: Reagent-free Laboratory Diagnostics in Medicine Based on Infrared Spectroscopy GIT Laboratory Journal, Bd 50 (2006), H. 2, S. 34-37, GIT Darmstadt Patent: W. Mäntele, O. Klein, G. Hosafci, G. Oremek: Vorrichtung für die qualitative und/oder quantitative Bestimmung von IR-aktiven Inhaltsstoffen in Flüssigkeiten sowie ein Verfahren zur qualitativen und/oder quantitativen Bestimmung von IR-aktiven Inhaltsstoffen in Flüssigkeiten Schutzrecht: DE102005048807 16.11.2006

Prozess und Outcome der kognitiven Therapie sozialer Phobien (2012)

Denise Ginzburg

Die Soziale Phobie ist eine weit verbreitete Störung, die ohne geeignete Therapie einen chronischen Verlauf annimmt und bei den Betroffenen zu einem hohen Leidensdruck führt. Für die Behandlung stehen sowohl pharmakologische als auch psychotherapeutische Therapieansätze zur Auswahl (siehe Heinrichs, Stangier, Gerlach, Willutzki, & Fydrich, 2011). Eine Reihe von randomisierten kontrollierten Studien belegen, dass die kognitive Therapie zu den effektivsten Behandlungsmethoden zählt. Die vorliegende Dissertation konzentriert sich auf unterschiedliche Aspekte, die die Dissemination dieses Ansatzes verbessern sollen. In einer Übersichtsarbeit (Ginzburg & Stangier, im Druck) wird zunächst ein Überblick über den aktuellen Forschungsstand zur Diagnostik und Therapie der Sozialen Phobie gegeben. Die Ergebnisse aktueller Metaanalysen zur Behandlung werden kritisch diskutiert. Besondere Beachtung wird dem kognitiven Therapieansatz nach Clark und Wells (1995) geschenkt, der mit sehr hohen Effektstärken beeindruckt. Diese Therapie wurde in mehreren randomisiert-kontrollierten Studien untersucht und zeigte sich Therapieformen wie der Interpersonellen Therapie (Stangier, Schramm, Heidenreich, Berger, & Clark, 2011; Mörtberg, Clark, Sundin, & Aberg, 2007), medikamentöser Therapie (Clark et al., 2003) oder Entspannungsverfahren (Clark et al., 2006) deutlich überlegen. Neueste Forschungsbefunde zu den einzelnen Komponenten dieser Therapie werden im Hinblick auf ihre aufrechterhaltende Funktion sozialer Ängste und ihrer Effektivität diskutiert. In einer zweiten Publikation (Ginzburg, Bohn, Stangier & Steil 2011) wird der kognitive Ansatz nach Clark und Wells auf eine komplexe, mit starker körperlicher Symptomatik verbundene Form der Sozialen Phobie, angewendet und evaluiert. Paruresis (Williams & Degenhardt, 1954) bezeichnet die Angst, auf öffentlichen Toiletten zu urinieren, und geht mit einem psychogenen Harnverhalt (Hammelstein, Pietrowsky, Merbach, & Brahler, 2005; Soifer, Nicaise, Chancellor, & Gordon, 2009) einher. Publikation 2 dokumentiert, wie das kognitive Modell nach Clark und Wells (1995) bei Betroffenen mit starken körperlichen Symptomen angewendet werden kann. In dem theoretischen Teil der Arbeit wird auf die Notwendigkeit einer genauen Operationalisierung der mit dem Störungsmodell verknüpften Interventionen hingewiesen und anhand einer Falldarstellung veranschaulicht. Für die Praxis ergibt sich die Konsequenz, dass das kognitive Modell einen flexible Fallkonzeption und Behandlungsplanung ermöglicht und auch auf untypische Behandlungsfälle übertragbar ist. Die flexible und kompetente Umsetzung von Interventionen spielt allerdings nicht nur bei komplexen Fällen eine Rolle. Im Rahmen der Psychotherapieprozessforschung ist der Therapeutenfaktor bei der Umsetzung der Therapiemethode und ihrer Interventionen von großer Bedeutung und beeinflusst maßgeblich die Effektivität der Behandlung (Perepletchikova & Kazdin, 2005). In randomisiert-kontrollierten klinischen Studien wird ein großes Augenmerk auf die Behandlungsintegrität, d.h. die Umsetzung von Behandlungsvorgaben durch den Therapeuten (Waltz, Addis, Koerner, & Jacobson, 1993; Weck, Bohn, Ginzburg, & Stangier, 2011), gelegt. Bislang liegen jedoch noch keine gesicherten Hinweise vor, ob die manualgetreue Durchführung der Interventionen an sich (Adhärenz), oder auch die kompetente Anpassung dieser Interventionen an den jeweiligen Behandlungskontext (Kompetenz), zu besseren Ergebnissen in der kognitiven Therapie sozialer Phobien führt. In Studie 3 (Ginzburg, Bohn, Weck, Clark und Stangier, submitted) wird der Einfluss von Adhärenz und Kompetenz auf das Therapieergebniss bei Patienten mit Sozialer Phobie überprüft. Die Ergebnisse zeigen, dass eine höhere Kompetenz, nicht jedoch Adhärenz, bei der Anwendung der vorgesehenen Interventionen auch mit einem besseren Behandlungserfolg einhergeht. Von besonderer Bedeutung für die Vorhersage des Therapieerfolges waren spezifisch verhaltenstherapeutische Kompetenzen. Obwohl Adhärenz und Kompetenz des Therapeuten die Effektivität von Psychotherapie signifikant beeinflussen, gehen vergleichsweise nur wenige Studien dieser Fragestellung nach (Perepletchikova, Treat, & Kazdin, 2007). Der hierfür notwendige hoher Zeit- und Kostenaufwand ist eine der wesentlichen Ursachen hierfür (Perepletchikova, Hilt, Chereji, & Kazdin, 2009). Um Adhärenz und Kompetenz reliabel und valide einschätzen zu können, sind Audio- bzw. Videoanalysen von Therapiesitzungen durch unabhängige und trainierte Beurteiler die Methode der Wahl. Die Reduktion des Zeitaufwandes durch die Konzentration auf relevante Videoausschnitte könnte zu einer Verbesserung der Rahmenbedingungen für die Psychotherapieforschung darstellen. In Studie 3 (Weck, Bohn, Ginzburg und Stangier, 2011) wird untersucht, ob therapeutische Adhärenz und Kompetenz auch auf der Grundlage von Sitzungsausschnitten reliabel erfaßt werden kann und den Therapieerfolg vorhersagen kann. Beim Vergleich von zwei Ratingmethoden zeigte sich, dass die genauesten Aussagen anhand der Analyse einer ganzen Sitzung getroffen werden konnten. Zusätzlich zeigten jedoch auch die Kompetenz- und Adhärenz-Einschätzungen des mittleren Sitzungsausschnittes einen hohen Zusammenhang zu den Ratings der Gesamtsitzung. Hieraus kann die Schlußfolgerung gezogen werden, dass die Analyse von Sitzungsausschnitten eine ökonomische Alternative zu der bisherigen Forschungspraxis darstellen kann, vollständige Sitzungen zu untersuchen.

Development of cue integration with reward-mediated learning (2012)

Thomas Weißwange

This thesis will first introduce in more detail the Bayesian theory and its use in integrating multiple information sources. I will briefly talk about models and their relation to the dynamics of an environment, and how to combine multiple alternative models. Following that I will discuss the experimental findings on multisensory integration in humans and animals. I start with psychophysical results on various forms of tasks and setups, that show that the brain uses and combines information from multiple cues. Specifically, the discussion will focus on the finding that humans integrate this information in a way that is close to the theoretical optimal performance. Special emphasis will be put on results about the developmental aspects of cue integration, highlighting experiments that could show that children do not perform similar to the Bayesian predictions. This section also includes a short summary of experiments on how subjects handle multiple alternative environmental dynamics. I will also talk about neurobiological findings of cells receiving input from multiple receptors both in dedicated brain areas but also primary sensory areas. I will proceed with an overview of existing theories and computational models of multisensory integration. This will be followed by a discussion on reinforcement learning (RL). First I will talk about the original theory including the two different main approaches model-free and model-based reinforcement learning. The important variables will be introduced as well as different algorithmic implementations. Secondly, a short review on the mapping of those theories onto brain and behaviour will be given. I mention the most in uential papers that showed correlations between the activity in certain brain regions with RL variables, most prominently between dopaminergic neurons and temporal difference errors. I will try to motivate, why I think that this theory can help to explain the development of near-optimal cue integration in humans. The next main chapter will introduce our model that learns to solve the task of audio-visual orienting. Many of the results in this section have been published in [Weisswange et al. 2009b,Weisswange et al. 2011]. The model agent starts without any knowledge of the environment and acts based on predictions of rewards, which will be adapted according to the reward signaling the quality of the performed action. I will show that after training this model performs similarly to the prediction of a Bayesian observer. The model can also deal with more complex environments in which it has to deal with multiple possible underlying generating models (perform causal inference). In these experiments I use di#erent formulations of Bayesian observers for comparison with our model, and find that it is most similar to the fully optimal observer doing model averaging. Additional experiments using various alterations to the environment show the ability of the model to react to changes in the input statistics without explicitly representing probability distributions. I will close the chapter with a discussion on the benefits and shortcomings of the model. The thesis continues whith a report on an application of the learning algorithm introduced before to two real world cue integration tasks on a robotic head. For these tasks our system outperforms a commonly used approximation to Bayesian inference, reliability weighted averaging. The approximation is handy because of its computational simplicity, because it relies on certain assumptions that are usually controlled for in a laboratory setting, but these are often not true for real world data. This chapter is based on the paper [Karaoguz et al. 2011]. Our second modeling approach tries to address the neuronal substrates of the learning process for cue integration. I again use a reward based training scheme, but this time implemented as a modulation of synaptic plasticity mechanisms in a recurrent network of binary threshold neurons. I start the chapter with an additional introduction section to discuss recurrent networks and especially the various forms of neuronal plasticity that I will use in the model. The performance on a task similar to that of chapter 3 will be presented together with an analysis of the in uence of different plasticity mechanisms on it. Again benefits and shortcomings and the general potential of the method will be discussed. I will close the thesis with a general conclusion and some ideas about possible future work.

Strongly correlated ultracold bosons in an optical lattice (2012)

Yongqiang Li

In this thesis, we have investigated strongly correlated bosonic gases in an optical lattice, mostly based on a bosonic version of dynamical mean field theory and its real-space extension. Emphasis is put on possible novel quantum phenomena of these many-body systems and their corresponding underlying physics, including quantum magnetism, pair-superfluidity, thermodynamics, many-body cooling, new quantum phases in the presence of long-range interactions, and excitational properties. Our motivation is to simulate manybody phenomena relevant to strongly correlated materials with ultracold lattice gases, which provide an excellent playground for investigating quantum systems with an unprecedented level of precision and controllability. Due to their high controllability, ultracold gases can be regarded as a quantum simula- tor of many-body systems in solid-state physics, high energy astrophysics, and quantum optics. In this thesis, specifically, we have explored possible novel quantum phases, thermodynamic properties, many-body cooling schemes, and the spectroscopy of strongly correlated many-body quantum systems. The results presented in this thesis provide theoretical benchmarks for exploring quantum magnetism in upcoming experiments, and an important step towards studying quantum phenomena of ultracold gases in the presence of long-range interactions.

Molekulargenetische Optimierung der Sphingoidbasen-Produktion der nicht-konventionellen Hefe Pichia ciferrii (2012)

Christoph Schorsch

Die nicht-konventionelle Hefe P. ciferrii produziert große Mengen der tetra-acetylierten Sphingoidbase Phytosphingosin (TAPS). Sphingoidbasen sind essentielle Komponenten des stratum corneums, der multilamellaren Barriere der menschlichen Haut, und daher in der Kosmetik-Industrie von großem Interesse. Im Rahmen dieser Arbeit sollte die biotechnologische Produktion der Sphingoidbasen Phytosphingosin, Sphinganin und Sphingosin auf molekularbiologischer Ebene in P. ciferrii charakterisiert und optimiert werden. Die Hefe P. ciferrii konnte durch Etablierung einer einfachen und hoch-effizienten Transformations-Methode auf genetischer Ebene leicht zugänglich gemacht werden. Durch Inaktivierung des für NHEJ essentiellen PcLIG4 Gens konnte die Effizienz zielgerichteter genomischer Integrationen von transformierten DNA-Konstrukten von 1 % auf 87 % erhöht werden. Die Etablierung des Cre-loxP Systems erlaubte das mehrfache Verwenden eines Selektions-Markers wodurch sukzessiv mehrere genomische Integrationen in einem Stamm ermöglicht wurden. Durch diese Errungenschaften konnte das Ziel „Optimierung der Sphingoidbasen-Produktion der nicht-konventionellen Hefe P. ciferrii“ im Folgenden erfolgreich verfolgt werden. Der initiale Schritt der Sphingoidbasen-Biosynthese ist die von der Serin-Palmitoyl-Transferase katalysierte Kondensation von L-Serin und Palmitoyl-CoA. Durch die Deletion von Genen, die am L-Serin-Katabolismus von P. ciferrii beteiligt sind (PcSHM1, PcSHM2und PcCHA1), konnte die de novo Sphingoidbasen-Biosynthese optimiert werden und führte in einem lig4? Stamm zu einer etwa dreifachen Erhöhung der TAPS-Produktion. Weitere Ansätze den (vermutlich durch L-Serin feed back regulierten) L-Serin-Biosyntheseweg bzw. die in vivo L-Serin-Verfügbarkeit zu optimieren, führten nicht zu einer gesteigerten TAPS-Produktion. Durch weitere Deletion und Überexpression von Genen des Sphingolipid-Stoffwechsels konnte die TAPS-Produktion jedoch um ein Vielfaches verbessert werden. So konnte ein Stamm konstruiert werden, der die Gene PcLCB1, PcLCB2 und PcSYR2 überexprimiert und Deletionen der Gene PcSHM1, PcSHM2, PcCHA1, PcLCB4 und PcORM12 trägt. Dieser Stamm (CSS.L4.O.L2.L1.S2) wies eine mehr als fünffach erhöhte maximale spezifische TAPS-Produktbildungsrate (q Pmax ) auf und produzierte mit 2 g * L rund siebenmal mehr TAPS als der lig4? Ausgangsstamm, weshalb ein Einsatz dieses Stammes für die industrielle TAPS-Produktion denkbar wäre. Ausgehend von einem für die TAPS- (und somit Sphingoidbasen-) Produktion optimierten Stamm sollten Stämme mit optimierter TriASa- oder TriASo-Produktion für industrielle Zwecke generiert werden. Es stellte sich allerding heraus, dass erhöhte Mengen dieser Sphingoidbasen wahrscheinlich wachstumshemmend für P. ciferrii sind, weshalb eine weitere Produktions-Optimierung nicht ohne Weiteres möglich ist. In einem Laborstamm gelang es jedoch, durch Konstruktion und anschließende Transformation eines optimierten integrativen Plasmids (trägt die Gene, die für die Produktion von Sphingosin bzw. TriASo nötig sind) eine TriASo-Produktion von bis zu 30 mg * g (BTM) zu erzielen, wobei gleichzeitig die Bildung des Nebenprodukts TriASa auf weniger als 4 mg * g (BTM)reduziert wurde. Weiterhin konnte durch Deletion von PcSCS7 in einem TriASo-Produktionsstamm die TriASa-Produktion mehr als vierfach reduziert werden. Die Bildung eines weiteren von P. ciferrii gebildeten Nebenproduktes [Tri-Acetyl-Sphingadienin (TriASd)] konnte durch Deletion des PcSLD1 Gens unterbunden werden. Nach Inaktivierung von PcSCH9 konnte eine fast 20 %ige Verbesserung der TriASo-Produktion erreicht werden. Es konnten zwei putative Acetyl-Transferasen identifiziert werden (PcAft2 und PcSli1), die an der Acetylierung von Phytosphingosin (zu TAPS), Sphinganin (zu TriASa) und Sphingosin (zu TriASo) beteiligt sind. Die Aufklärung und Optimierung dieser von PcAtf2 und PcSli1 katalysierten Schritte sind vielversprechende Ansatzpunkte die Sphingoidbasen-Produktion in P. ciferrii weiter zu optimieren.

Regulation der Sphingosinkinase-1 durch G alpha q (2012)

Ralf Frederik Claas

Innerhalb der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Teilaspekte des S1P-Signalsystems näher untersucht. Der erste Teil der Arbeit geht der Frage nach, welche Störungen das Ausschalten der S1P-Lyase in der Ca2+-Homöostase verursacht. Die Messung der zellulären Lipidkonzentrationen ergab in Sgpl1-/--MEFs einen sechsfach höherer Wert für S1P und einen doppelt so hohen Wert für Sphingosin als in den Sgpl1+/+-MEFs. [Ca2+]i wurde an Einzelzellen mit Hilfe des Proteinfarbstoffs Cameleon untersucht, wobei [Ca2+]i-Anstiege durch den SERCA-Inhibitor Thapsigargin induziert wurden. So konnte gezeigt werden, dass sowohl in Sgpl1+/+-MEFs als auch in Sgpl1-/--MEFs zwei verschiedene Subtypen existieren, die sich hinsichtlich Geschwindigkeit und Ausmaß des [Ca2+]i-Anstiegs unterscheiden. Die basale [Ca2+]i war im Subtyp der Sgpl1-/--MEFs mit einem schnellen und kurzen [Ca2+]i- Anstieg signifikant erhöht, während das Maximum des Thapsigargin-induzierten [Ca2+]i- Anstiegs im Subtyp der Sgpl1-/--MEFs mit einem langsamen und langen [Ca2+]i-Anstieg signifikant erhöht war. Die AUC des Zeitverlaufs nach der Stimulation mit Thapsigargin war in beiden Subtypen der Sgpl1-/--MEFs signifikant erhöht, was bedeutet, dass der Ca2+-Gehalt der Thapsigargin-sensitiven Speicher in Sgpl1-/--MEFs höher als in Wildtyp-MEFs war. Im zweiten Teil der Arbeit wurden Aspekte der Modulation des S1P-Signalsystems durch das Sphingosin-Analogon cis-4-Methylsphingosin näher untersucht. Die Messung der Lipidkonzentrationen von cis-4-Methylsphingosin und dem Phosphorylierungsprodukt cis-4- Methyl-S1P erfolgte dabei in HEK-293-Zellen und deren Überständen mittels LC-MS/MS. Hierbei wurde erstmals cis-4-Methyl-S1P im Zellkulturüberstand nachgewiesen, was bedeutet, dass cis-4-Methylsphingosin nach der intrazellulären Phosphorylierung sezerniert werden kann. Dieser Mechanismus bildet die Grundlage dafür, dass cis-4-Methylsphingosin nicht nur intrazellulär wirken, sondern ebenso wie FTY720 als S1P-Rezeptor-Modulator fungieren kann. Der dritte und umfangreichste Teil der Arbeit befasst sich mit der Regulation der SK1 durch G-Protein-gekoppelte Rezeptoren. Um die Rolle von Gαq/11-Proteinen bei der Ansteuerung der SK1 durch G-Protein-gekoppelte Rezeptoren weiter zu analysieren, wurde zunächst die Rezeptor-induzierte Translokation der SK1 in MEFs untersucht, die sowohl in Gαq als auch in seinem Homolog Gα11 doppelt defizient waren (Gαq/11 -/--MEFs). Die SK1-Translokation war nur nach Transfektion mit Gαq möglich. Um Hinweise auf die strukturellen Erfordernisse für die SK1-Ansteuerung durch Gαq zu erhalten, wurde der Einfluss verschiedener Gαq-Mutanten auf die Translokationshalbwertszeit der SK1 untersucht. So waren alle untersuchten Mutanten in der Lage, die SK1-Translokation in Gαq/11 -/--MEFs zu vermitteln. Die Expression der Gαq- W263D-Mutante führte dabei zu einer signifikant verlangsamten SK1-Translokation. Die durch Gαq-T257E-vermittelte Translokation war erst nach mehreren Minuten feststellbar. Die Abhängigkeit der SK1-Translokation von Gαq wurde auf zellulärer Ebene durch Coexpression einer katalytisch inaktiven Mutante der G-Protein gekoppelter Rezeptorkinase 2 (GRK2) als Gαq-scavenger in HEK3-Zellen nachgewiesen. Dies führte zu einer vollständigen Inhibierung der Carbachol-induzierten SK1-Translokation. Hingegen führte die Überexpression der SK1 in den M3-Rezeptor exprimierenden HEK-293-Zellen zu einer reduzierten Carbachol-induzierten Aktivierung der PLCβ. Dieser Effekt war unabhängig von der katalytischen Aktivität der SK1. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass die SK1 mit den Effektoren GRK2 und PLCβ um gemeinsame Bindungsstellen der aktivierten G-Protein Untereinheit Gαq konkurriert. Zusätzlich wurde die direkte Interaktion zwischen Gαq und SK1 auf Proteinebene mittels optischer Thermophorese nachgewiesen. Dazu wurde die humane SK1 als N-terminal getaggtes His6-MBP-Fusionsprotein exprimiert, aufgereinigt und charakterisiert. So konnte gezeigt werden, dass die mit dem Fluoreszenzfarbstoff NT647- markierte hSK1 (hSK1*) mit dem TNF Rezeptor-assoziiertem Faktor 2 (TRAF2), nicht jedoch mit dem N-terminalen Fragment des TRAF family member-associated NF-kappa-B activator (TANK) interagierte. Sowohl inaktives Gαq als auch [AlF4]--aktiviertes Gαq interagierten mit der hSK1* mit einem vergleichbaren kD-Wert. Auch mit NT-647-markiertes Gαq interagierte mit der hSK1 sowohl in der inaktiven als auch in der [AlF4]--aktivierten Form, wohingegen es nicht mit TANK oder TRAF2 interagierte. Insgesamt zeigen die erhaltenen Daten, dass die SK1 ein direktes Target von Gαq ist und sie an genau dieselben Gαq-Reste bindet, an die auch die klassischen Effektoren PLCβ, p63RhoGEF und GRK2 binden.

Conceptual design of an ALICE Tier-2 centre integrated into a multi-purpose computing facility (2012)

Mykhaylo Zynovyev

This thesis discusses the issues and challenges associated with the design and operation of a data analysis facility for a high-energy physics experiment at a multi-purpose computing centre. At the spotlight is a Tier-2 centre of the distributed computing model of the ALICE experiment at the Large Hadron Collider at CERN in Geneva, Switzerland. The design steps, examined in the thesis, include analysis and optimization of the I/O access patterns of the user workload, integration of the storage resources, and development of the techniques for effective system administration and operation of the facility in a shared computing environment. A number of I/O access performance issues on multiple levels of the I/O subsystem, introduced by utilization of hard disks for data storage, have been addressed by the means of exhaustive benchmarking and thorough analysis of the I/O of the user applications in the ALICE software framework. Defining the set of requirements to the storage system, describing the potential performance bottlenecks and single points of failure and examining possible ways to avoid them allows one to develop guidelines for selecting the way how to integrate the storage resources. The solution, how to preserve a specific software stack for the experiment in a shared environment, is presented along with its effects on the user workload performance. The proposal for a flexible model to deploy and operate the ALICE Tier-2 infrastructure and applications in a virtual environment through adoption of the cloud computing technology and the 'Infrastructure as Code' concept completes the thesis. Scientific software applications can be efficiently computed in a virtual environment, and there is an urgent need to adapt the infrastructure for effective usage of cloud resources.

Ultrasonic and magnetic investigations in frustrated low-dimensional spin systems (2012)

Thanh Cong Pham

Doctoral Thesis

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