Doctoral Thesis
Refine
Document Type
- Doctoral Thesis (5) (remove)
Language
- German (5) (remove)
Keywords
- Nervensystem (5) (remove)
Zerebrale kavernöse Malformationen (CCMs) sind vaskulĂ€re Fehlbildungen des zentralen Nervensystems, welche sich klinisch durch epileptische AnfĂ€lle, fokale neurologische AusfĂ€lle und Kopfschmerzen Ă€uĂern. Sie treten sowohl sporadisch als auch im Rahmen einer autosomal-dominant erblichen Form auf. Krankheitsassoziierte Varianten wurden in drei Genen beschrieben: CCM1, CCM2 und CCM3. Patienten mit pathogenen Varianten im CCM3-Gen fallen hĂ€ufig durch einen schwereren PhĂ€notyp und ein frĂŒheres Manifestationsalter auf. Der genaue Verlauf der molekularen CCM-Pathogenese ist jedoch bisher nicht ausreichend verstanden. In dieser Arbeit wurde deshalb die Entwicklung eines humanen in vitro Modells in den Fokus gestellt. Im Gegensatz zu bisher publizierten Studien, die auf einer transienten Herunterregulation von CCM3 beruhen, wurden hier die Folgen eines Langzeit-CCM3-Verlustes untersucht. Unter Verwendung der Komponenten des CRISPR/Cas9-Systems wurde ein Modell etabliert, welches die komplette Inaktivierung von CCM3 in kavernösen Endothelzellen von TrĂ€gern heterozygoter pathogener Keimbahnvarianten nachahmt.
In humanen Endothelzellen fĂŒhrte die CRISPR/Cas9-vermittelte CCM3-Inaktivierung zu verĂ€nderten endothelialen Eigenschaften, welche die Morphologie, die Apoptoseinduktion, die StabilitĂ€t kapillarĂ€hnlicher Strukturen sowie die SphĂ€roidorganisation umfassen. Zudem kam es zu einer vermehrten Aktin-Stressfaserbildung. Auf molekularer Ebene war eine verĂ€nderte Expression von Genen zu beobachten, deren Produkte eine Rolle in der Regulation von Zellverbindungen, der Zellmembran oder der extrazellulĂ€ren Matrix spielen. Insbesondere das unter Basalbedingungen stark in Endothelzellen exprimierte Fibronektin war signifikant herunterreguliert. Die Zugabe exogenen Fibronektins konnte die Zellmorphologie, die SphĂ€roidorganisation und die kortikale Anordnung des Aktin-Zytoskelettes normalisieren. Da auch nach CRISPR/Cas9-induzierter Inaktivierung von CCM1 und CCM2 diese Effekte beobachtet werden konnten, deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass der Aufbau einer intakten fibronektinhaltigen endothelialen Matrix von der FunktionalitĂ€t der CCM-Proteine abhĂ€ngt. KĂŒnftige Studien werden die Modulation der gestörten endothelialen Apoptoseinduktion als neuen Ansatz zur Identifizierung medikamentöser Therapieoptionen adressieren.
Lebenslang persistierende Neurogenese ist ein fester Bestandteil des olfaktorischen Systems bei reptanten Dekapoden (âPanzerkrebseâ; lat. reptans â kriechend; griech. deca â zehn, podes â FĂŒĂe). Dabei generiert das deutocerebrale proliferative System ĂŒber die Larvalphase hinaus neue Neuronen, die in die bestehenden neuronalen Netzwerke der deutocerebralen chemosensorischen Loben (auch âolfaktorische Lobenâ) integriert werden. WĂ€hrend in zahlreichen Studien die phĂ€notypische AusprĂ€gung, der zellulĂ€re Mechanismus zur Umsetzung adulter Neurogenese und deren regulierende Faktoren umfassend untersucht und zum Teil kontrovers diskutiert wurden, ist ĂŒber die phylogenetische Verbreitung in anderen Taxa der Malacostraca (âHöhere Krebseâ; griech. malakos â weich, ostrakon â Schale) nichts bekannt. Daher wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit verschiedene Vertreter aus Malakostrakentaxa mit unterschiedlicher phylogenetischer Position untersucht und unter evolutionĂ€ren Aspekten diskutiert. Wie gezeigt werden konnte, ist adulte Neurogenese vermutlich ein plesiomorphes Merkmal der Eumalacostraca, welches in Vertretern der Euphausiacea (âLeuchtgarnelenâ; griech. phausis â Leuchten) und Peracarida (âRanzenkrebseâ; griech. pera â Ranzen, karides â kleine Seekrebse) reduziert wurde. In AbhĂ€ngigkeit von der zugrunde gelegten Verwandtschaftshypothese ist die Reduktion der persistierenden Neurogenese entweder mehrfach unabhĂ€ngig (konvergent) erfolgt oder ein apomorphes Merkmal eines Monophylums aus Euphausiacea und Peracarida. Dagegen ist innerhalb der Decapoda eine Ausdehnung und strukturelle Erweiterung des deutocerebralen proliferativen Systems feststellbar. Um einen möglichen Zusammenhang zur KomplexitĂ€t und Bedeutung des olfaktorischen Systems zu ĂŒberprĂŒfen, wurden zusĂ€tzlich die neuroanatomischen Merkmale von Vertretern der Decapoda und der Peracarida (am Beispiel der Amphipoda) vergleichend betrachtet. Dabei konnte innerhalb der Decapoda eine Korrelation zwischen der Entwicklung des deutocerebralen proliferativen Systems und der Evolution des akzessorischen Lobus bei Vertretern der Reptantia sowie dessen Reduktion in der Gruppe der Meiura, zu denen die Vertreter der Brachyura (âEchte Krabbenâ; griech. brachys â kurz, oura â Schwanz) und Anomura (âMittelkrebseâ; griech. anomalos â ungleich) gehören, festgestellt werden. Basierend auf diesen Ergebnissen wurden Vermutungen ĂŒber die im Adultus neu generierten Neuronenklassen und somit ĂŒber die Funktion adulter Neurogenese aufgestellt. In allen anderen untersuchten Taxa der Malacostraca konnte dagegen keine Korrelation mit der KomplexitĂ€t des olfaktorischen Systems festgestellt werden.
Der phylogenetische Ursprung der Hexapoda (Insekten sensu lato) ist kontrovers diskutiert. Einige morphologische Merkmale suggerieren ein SchwestergruppenverhĂ€ltnis zu den Myriapoda (TausenfuÌĂer; Tracheatahypothese), wĂ€hrend molekulare Sequenzdaten und andere morphologische Merkmale eine nĂ€here Verwandtschaft zu den Crustacea (Krebstiere; Tetraconatahypothese) suggerieren. Ein Organsystem hat in dieser Diskussion eine besonderen Stellenwert, das Nervensystem. Die Neurophylogenie befasst sich mit der Rekonstruktion von Verwandtschaftsbeziehungen basierend auf neuroanatomischen Daten. In der vorliegenden Dissertation wird der phylogenetische Ursprung der Hexapoda, unter besonderer BerĂŒcksichtigung basaler Taxa, nĂ€hre beleuchtet. Das Sensilleninventar zweier basaler Hexapoda [Eosentomon pinetorum (Protura: Eosentomidae) und Lepisma saccharina (Zygentoma: Lepismatidae)] wird basierend auf rasterelektronen-mikroskopischen Daten dargestellt. Neuroanatomische Daten wurden mit verschiedenen histologischen Techniken (Immunhistochemie, SerienduÌnnschnitte, Computertomografie, dreidimensionale Rekonstruktionen) gewonnen. In der vorliegenden Dissertation werden Befunde zur Neuroanatomie zweier basaler Hexapoda [E. pinetorum und Thermobia domestica (Zygentoma: Lepismatidae)] und eines Vertreters der Myriapoda [Scutigerella causeyae (Symphyla: Scutigerellidae)] beschrieben. Eigene Befunde werden mit Literaturangaben verglichen und Implikationen fuÌr die sensorische Ăkologie primĂ€r flĂŒgelloser Hexapoda und die Neurophylogenie der Mandibulata werden diskutiert. FuÌr die Hexapoda wird das Grundmuster sensorischer Strukturen und assoziierter Nervensystemkompartimente (Neuropile) rekonstruiert. Basierend auf den Befunden zum Grundmuster der Hexapoda werden Konsequenzen fuÌr die sensorische Ăkologie in fruÌhe Evolution der Hexapoda und eine nĂ€here Verwandtschaft zu den Myriapoda oder Crustacea diskutiert. AbschlieĂend wird eine computergestuÌtzte Analyse zur Merkmalsevolution verschiedener Neuropile in 83 rezenten Arthropoden dargestellt. Bis auf die Ultrastruktur der Ommatidien (einzelne Einheiten der Komplexaugen) legt die Morphologie sensorischer Strukturen eine nĂ€here Verwandtschaft zu den Myriapoda vor. Bestimmte Sensillentypen (Sensillum basiconicum, S. trichobothrium) kommen nur bei den Hexapoda und Myriapoda, aber auch den Chelicerata (ChelicerentrĂ€ger) vor. Neuroanatomische Befunde legen eine nahe Verwandtschaft zwischen Hexapoda und Crustacea nahe. Eine belastbare Hypothese zur Neurophylogenie in den Arthropoda ist aufgrund mangelnder Vergleichbarkeit von Literaturangaben und unsicherer Homologisierungen neuronaler Strukturen nicht möglich. Aus neurophylogenetischer Sicht ist ein SchwestergruppenverhĂ€ltnis der Hexapoda zu den Crustacea oder einem subspezischem Crustaceataxon am besten begruÌndet.
In einer Welt durchsetzt mit GerĂŒchen, haben marine Tiere hochentwickelte chemosensorische Systeme entwickelt um den vielfĂ€ltigen Anforderungen des Lebens und Ăberlebens gerecht zu werden. Nahrungserwerb, Kommunikation, das Erkennen von RĂ€ubern oder potentieller Partner sind in diesem Kontext nur als Rahmen zu nennen. Durch eine Vielzahl an Sensillen, sowie durch spezifische, olfaktorisch gefĂŒhrte Verhaltensweisen, wie dem antennal flicking oder Stimulus-gerichteter Navigation, zeigen viele Vertreter der Malacostraca ein hohes MaĂ an PrĂ€zision und Genauigkeit in der Differenzierung und Lokalisierung von DĂŒften. Die Mehrzahl der detaillierten morphologischen und ethologischen Studien konzentrierte sich bislang jedoch auf decapode Crustaceen. Das auĂer Acht lassen kleinerer Spezies abseits der klassischen Modellorganismen fĂŒhrte daher zu einer gewissen Einseitigkeit unseres VerstĂ€ndnisses der chemosensorischen Pfade und Nahrungssuchstrategien. WĂ€hrend einige der terrestrischen Asseln (Oniscidea) schon gelegentlich als Vorlage fĂŒr Studien dienten um die chemosensorischen Pfade in puncto Morphologie, Physiologie und Verhalten zu untersuchen, beruht unser VerstĂ€ndnis der chemischen Ăkologie mariner Isopoden lediglich auf vereinzelten Beobachtungen und Annahmen. In der vorliegenden Arbeit sollen verschiedene Aspekte der Morphologie und PhĂ€nomenologie der Chemorezeption der baltischen Riesenassel Saduria entomon (Valvifera) LINNAEUS 1758 berĂŒcksichtigt werden. AbschlieĂend soll anhand der vorgelegten Ergebnisse ein Rahmen entworfen werden, in welchem die Terrestrialisierung der Oniscidea neu betrachtet werden muss. GestĂŒtzt durch 3D Rekonstruktionen, konventionelle Lichtmikroskopie sowie konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie, wurden die generelle Anatomie des Gehirns, sowie das neuronale Substrat der chemosensorischen Pfade untersucht. WĂ€hrend es innerhalb der terrestrischen Isopoden zu einer drastischen GröĂenreduktion ihrer ersten Antenne und allen mit dieser assoziierten Gehirnareale kam, besitzt S. entomon ein olfaktorisches System, das in Bezug auf die antennale und neuronale Morphologie noch sehr grundmusternah aufgebaut ist. Im Vergleich mit den Decapoda zeigen sich jedoch deutliche Unterschiede in der strukturellen DiversitĂ€t und dem Umfang von Nervengewebe das in der Verarbeitung chemischer Informationen beteiligt ist. Gleich ihren terrestrischen Verwandten zeigt S. entomon zudem einige Besonderheiten, die die sensorischen Pfade der zweiten Antenne betreffen. Die mikroglomerulĂ€re Organisation des assoziierten Neuropils deutet auf eine zunehmende Bedeutung dieses Anhangs in der Wahrnehmung und Verarbeitung chemischer Informationen hin. Verhaltensuntersuchungen lassen jedoch Zweifel an dem olfaktorischen Potential dieser Spezies aufkommen. Mittels eines Y-Labyrinthes und einer Reihe an DĂŒften, dem das Tier in seiner natĂŒrlichen Umgebung begegnen mag, konnte gezeigt werden, dass S. entomon einen offenkundigen Mangel an PrĂ€zision aufweist, Stimuli zu differenzieren, sowie die Quelle eines Stimulus zu lokalisieren. In lediglich vier von 15 Experimenten lieĂ sich eine statistisch signifikante Verhaltensantwort beobachten. In diesen konnte darĂŒber hinaus nur ein Stimulus als attraktiv identifiziert wurde. Auf Basis von Freilandbeobachtungen, die das Tier mit einer gewissen ZufĂ€lligkeit umherwandernd darstellen, wurde ein Experiment entwickelt in welchem S. entomon in einem Mikrokosmos, und nur durch chemosensorische Sinne, einen Köder lokalisieren sollte. Obwohl es zwischen Kontrolle und Stimulusexperimenten deutliche Unterschiede in den aufgenommenen Bewegungsparametern gab, war kein von anderen Malacostraca oder Hexapoda bekanntes Suchmuster zu identifizieren. Eine statistische Auswertung der durch das Tier zurĂŒckgelegten Pfade ergab jedoch, dass die Tiere sich einer chemotaktischen Orientierung bedienten. Diese scheint zudem einer positiven rheotaktischen Bewegung ĂŒberlagert. Um die Bedeutung der chemosensorischen AnhĂ€nge fĂŒr eine erfolgreiche Nahrungssuche zu verdeutlichen, wurden chemische Ablationen der ersten und zweiten Antennen durchgefĂŒhrt. Einige wenige Tiere waren zwar noch in der Lage den Köder zu lokalisieren, die Deaktivierung der Antennen fĂŒhrte aber zu einer beinahe vollstĂ€ndigen UnfĂ€higkeit den Stimulus ausfindig zu machen. Eine Pfadanalyse konnte daher Chemotaxie als elementaren Orientierungsmechanismus ausschlieĂen. Statt dieser wurde Chemokinesie mit einer ausgeprĂ€gten positiven rheotaktischen Komponente identifiziert. DarĂŒber hinaus demonstriert dieses Experiment die AbhĂ€ngigkeit S. entomonâs von der komplexen Interaktion der Distanz- und Kontaktchemorezeptoren fĂŒr einen effizienten Suchlauf. Bislang wurde davon ausgegangen, dass terrestrische Isopoden es nicht geschafft haben ihr olfaktorisches System derart anzupassen, dass es in Luft anstatt von Wasser operiert. Um der Notwendigkeit eines chemosensorischen Systems gerecht zu werden, entwickelte sich daher de novo ein System, in welchem die zweite Antenne sowie ihr neuronales Substrat entsprechend transformiert wurden. Das Vorhandensein eines gleichartig organisierten Systems in einem relativ nah verwandten marinen Vertreter deutet jedoch darauf hin, dass die Tendenz zu dieser Funktionstransformation der zweiten Antenne bereits im letzten gemeinsamen Vorfahren vorhanden war und somit der Kolonisation des Landes durch die Asseln vorausging. Die zweite Antenne als der maĂgebliche chemosensorische Anhang der Oniscidea kann daher als PrĂ€adaptation verstanden werden, welche im Laufe ihrer Terrestrialisierung eine antennulare Olfaktion zweitrangig, wenn nicht sogar obsolet machte.
Innerhalb der Crustacea evolvierte der Landgang mindestens zehn Mal unabhĂ€ngig voneinander. Die Evolution des Landganges geht mit einer Vielzahl von morphologischen und physiologischen Anpassungen einher, die sich im Vergleich mit rezenten aquatischen Taxa und ihren nĂ€chsten terrestrischen Verwandten rekonstruieren lassen. Im Rahmen des Promotionsprojektes dienten vorangegangene neuroanatomische Untersuchungen am Landeinsiedler Coenobita clypeatus (Fabricius, 1787) und dem nah verwandten Palmendieb Birgus latro (Linnaeus, 1767) sowie auch das wenige Wissen ĂŒber die Lebensweise des Palmendiebes als Ausgangspunkt, Hypothesen zur Sinnes- und Orientierungsleistung zu entwickeln und mit verschiedenen Verhaltensversuchen im Labor (C. clypeatus) bzw. im Freiland (B. latro) zu testen. Morphologische und verhaltensbiologische Befunde wurden mit Daten anderer Vertreter innerhalb der Anomala, Brachyura und Isopoda verglichen. FĂŒr die neuroanatomischen Untersuchungen wurden histologische und immunhistochemische Experimente und deren Analyse mithilfe der Lichtmikroskopie, der konfokalen Laser-Scanning-Mikroskopie durchgefĂŒhrt und mittels dreidimensionaler Rekonstruktion und Morphometrie gestĂŒtzt. Zur Evaluierung des Wanderungsverhaltens und der Orientierungsleistung von B. latro wurden verschiedene Freilandversuche auf der Weihnachtsinsel wĂ€hrend vier Forschungsreisen im Zeitraum von 2008 bis 2012 vorgenommen. FĂŒr die verhaltensbiologische Untersuchung des Palmendiebes wurden Experimente mithilfe von Telemetrietransmittern fĂŒr die Untersuchung des Wanderungsverhaltens und der Tagesrhythmik genutzt. Die neuroanatomischen Daten terrestrischer Vertreter dieser drei Taxa im Vergleich zu ihren nĂ€chsten marinen Verwandten, lassen den Schluss zu, dass die Strukturen des primĂ€ren olfaktorischen Pfades im Zuge des Landgangs unterschiedlichen morphologischen Transformationen unterlagen. Hierbei fĂ€llt auf, dass die Strukturen des primĂ€ren Riechsystems bei terrestrischen Vertretern innerhalb der Anomala stark vergröĂert sind, wohingegen diese innerhalb der Brachyura deutlich geringere Dimensionen aufweisen. Innerhalb der Landasseln (Isopoda: Oniscidea) scheinen die primĂ€ren Verarbeitungszentren der Olfaktion, die deutocerebralen chemosensorischen Loben im Gehirn, reduziert zu sein, da sie sich mit den hier verwendeten Methoden nicht identifizieren lieĂen. Die ersten Antennen der terrestrischen Isopoda sind im Vergleich zu den untersuchten marinen Asseln, aber auch im Vergleich zu den anderen beiden Taxa deutlich reduziert. Es wird in diesem Zusammenhang vermutet, dass andere sensorische wie verarbeitende Strukturen des Nervensystems es vermögen, das Fehlen bzw. die starke Reduktion des primĂ€ren olfaktorischen Systems zu kompensieren. Es wurden Versuche durchgefĂŒhrt, um die Reaktion des Palmendiebes auf verschiedene Duftstoffe im Freiland zu analysieren. Hierbei zeigten Acetoin, Trimethylamin und Dimethyltrisulfid die höchsten Attraktionswirkungen. ZusĂ€tzlich wurden Laborexperimente im Windkanal an Coenobita clypeatus etabliert, die das Ziel hatten, das Duftspektrum dieser dem Palmendieb nahe verwandten Tiere zu evaluieren und geruchsgesteuertes Suchverhalten zu analysieren. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Tiere sich bei der Stimulation durch natĂŒrliche Duftstoffe entlang der Duftfahne entgegen der Strömungsrichtung zielgerichtet zum Stimulus bewegten. Durch die Telemetrieversuche konnte gezeigt werden, dass der Palmendieb auch auĂerhalb der Reproduktionszeit zum Teil weite Distanzen zurĂŒcklegt, aber auch ĂŒber eine gewisse Ortstreue verfĂŒgt und dieses Verhalten somit als semi-nomadisch charakterisiert werden kann. WĂ€hrend der Wanderungen wird vermutlich die Spurverfolgung als Navigationsstrategie genutzt, wobei auch Hinweise auf Pfadintegration als eine weitere Navigationsstrategie hindeuten. Dabei wird aufgrund der bevorzugten NachtaktivitĂ€t der Tiere davon ausgegangen, dass die Orientierung bei der Spurverfolgung chemisch gesteuert sein könnte. Diese These wird auch durch einfache Attraktionsversuche gestĂŒtzt, bei denen einige Versuchstiere, trotz Blendung, den Köder erfolgreich aufsuchen konnten. Die lokomotorische AktivitĂ€t im Tagesgang, welche mithilfe von Beschleunigungssensoren (Akzellerometer) aufgezeichnet werden konnte, scheint besonders unter dem Einfluss der relativen Luftfeuchtigkeit zu stehen. Dabei konnte im Beobachtungszeitraum neben stabilen diurnalen, crepuscularen bis nocturnalen AktivitĂ€tsmustern, auch kathemerales Verhalten dokumentiert werden. Neben individuellen Abweichungen im Tagesgang der lokomotorischen AktivitĂ€t, konnte fĂŒr die meisten der Versuchstiere ein AktivitĂ€tsmaximum wĂ€hrend der Zeit des Sonnenuntergangs festgestellt werden, wohingegen wĂ€hrend der Mittagszeit das ĂŒberwiegende AktivitĂ€tsminimum lag. Dies stĂŒtzt wiederum die Hypothese, dass es einen Zusammenhang zwischen der Dynamik der AktivitĂ€t und der Dynamik der relativen Luftfeuchtigkeit geben könnte.