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Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der genetischen Grundlage der essentiellen Hypertonie. Viele Experimente konnten Genorte finden, die an der Blutdruckregulation beteiligt sind und bei Mutation zu Anstiegen des Blutdruckes führen. Bisher wurden jedoch keine Gene gefunden, die eine essentielle Hypertonie verursachen. Mittels der phänotypischen Selektion auf Bluthochdruck wurden Rückkreuzungshybriden aus normotensiven BB/OK Ratten und spontanhypertensiven SHR/Mol Ratten gezüchtet und im Anschluss mit Mikrosatellitenmarkern auf Veränderungen im Genom untersucht. Der Tierexperimentelle Teil dieser Arbeit und eine erste Untersuchung des Genoms mit 259 Mikrosatellitenmarkern wurde bereits 1997 durchgeführt [Klöting I. et al. 1997]. Die genaue Beschreibung des Rattengenoms und daraus resultierend die Vervielfachung der Mikrosatellitenmarker zur Analyse des Genoms machten eine Weiterführung der Arbeit sinnvoll. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Genom der Rückkreuzungshybriden mithilfe von weiteren 509 Mikrosatellitenmarkern auf Unterschiede im Vergleich zu normotensiven BB/OK Ratten untersucht. Wie bereits 1998 konnten auf Chromosom 14 Genorte ausgemacht werden, die nicht ausschließlich BB/OK zuzuordnen waren, sondern stattdessen Eigenschaften der spontanhypertensiven SHR-Mol Rattenlinie zeigten. Mithilfe der DNA-Sequenzierung konnten auf Chromosom 3 Mutationen entdeckt werden, die im kodierenden Bereich für das Gen Rnd3 liegen. Dieses Gen spielt eine Rolle bei der Hemmung der Ausbildung von Stressfasern. Diese Proteine verankern Zellen über Fokalkontakte an der Plasmamembran und sind unter anderem in den großen Gefäßen und dem Myokard zu finden. Hieraus lässt sich eine Relevanz für die Ausprägung von Hypertonie ableiten. Weitere Veränderungen im Genom der Rückkreuzungstiere konnten nicht gefunden werden. Hieraus kann man schlussfolgern, dass bei guter Abdeckung des Genoms der Ratten nur wenige bestimmende Gene eine Rolle bei der Ausprägung der Hypertonie spielen. Die Annahme, dass die essentielle Hypertonie über eine Vielzahl von Genen vererbt wird, erscheint anhand der gefundenen Ergebnisse unwahrscheinlich und bestätigt Ergebnisse der Entwicklung einer hypertonen Wistarratte von Okamato et al. 1966 [Udenfriend S. Et al. 1976]. Ob es sich bei den Veränderungen, die entdeckt wurden, um hauptursächliche Gene der essentiellen Hypertonie handelt, kann mit dieser Arbeit nicht geklärt werden. Klöting I. et al 1997: Klöting I, Kovacs P, Kuttler B, Phenotypic consequences after restoration of lymphopenia in the diabetes-prone BB/OK rat, Biochem Biophys Res Commun, 1997, Vol. 239 No. 1, 106-110 Udenfriend S. et al 1976: Udenfriend S., Bumpus F.M., Foster H.L., Freis E.D., Hansen C.T., Lovenberg W.M., Yamori Y., Spontaneously hypertensive (SHR) rats: Guidelines for breeding, care, and Use, ILAR
Genome-wide association studies (GWAS) are used to identify genetic markers linked with at least partially heritable diseases or phenotypes without prior knowledge of any disease-associated genetic loci. In summer 2008, all individuals of the population based cohort Study of Health in Pomerania (SHIP) were individually genotyped using the Affymetrix Genome-Wide Human SNP Array 6.0 microarray. The aim of this work was to establish an efficient workflow for GWAS using the more than 4000 individually genotyped samples of the SHIP cohort as well as pooled samples, focusing exclusively on analyzing genetic variations based on single nucleotide polymorphisms (SNPs). Firstly, an optimal array platform for the genotyping analysis had to be chosen that detected most of the available genetic variants at a high level of accuracy. Secondly, extensive quality controls had to be performed starting from DNA extraction and including tests of the generated array data by the analysis software to obtain the most reliable data for the subsequent association studies. For the identification of loci with smaller genetic influences, individual cohorts were meta-analyzed in large nationally and internationally organized consortia (e.g. CHARGE, BPGen, HaemGen, GIANT, CKD Gen). To participate in those meta-analyses, a comparable common set of genetic data had to be generated. This was done by imputation of the data generated by individual array-based genotyping on the basis of a reference panel using chromosomal linkage information. Due to the extensive phenotype information in the SHIP study, it was possible to perform many genome-wide discovery analyses and replication studies of possible susceptibility loci in a short time once the genetic data was available and processed. This resulted in the necessity to set up an efficient workflow for storing the huge amount of genetic data, converting it into different formats readable for specific analysis software, performing the association analyses and processing the results into a human-readable and clear format. This included replications, GWAS and meta-analyses of several cohorts. Many susceptibility loci were newly identified in different association studies with the SHIP data included and were subsequently published. In this work, genetic association studies with the SHIP data included were performed and published on blood pressure, uric acid concentrations, cardiac structure and function, lipid metabolism, hematological parameters, kidney functions, smoking quantity, circulating IGF-I and IGFBP-3 concentrations and thyroid volume including the risk of goiter development. Besides the SHIP cohort, there was a need to use other, especially patient cohorts for GWAS. Since no genotype information from these patient cohorts was available and the individual genotyping of many probands is still expensive and therefore often not affordable, we established the cost-effective allelotyping method that relied on pooling of DNA samples prior to the hybridization with microarrays. After estimating the pooling-specific error of a case-control allelotyping study, the allelotyping approach was used for identifying genetic susceptibility loci associated with aggressive periodontitis. If not referring to work of collaborators, all statistical analyses, data handling and in silico work concerning the SHIP data described in this context was performed by the author of this dissertation.
Ein wichtiger Aspekt der Pankreatitisforschung ist neben der Aufklärung der Pathophysiologie das Erkennen von Prognosefaktoren, die eine Aussage über den Verlauf einer Pankreatitis zu einem möglichst frühen Zeitpunkt nach Beginn der Erkrankung ermöglichen. Dies ist insbesondere wichtig um solche Patienten zu identifizieren, die später einen schweren Krankheitsverlauf haben, Komplikationen entwickeln und daher möglichst frühzeitig einer intensiven Überwachung und Therapie zugeführt werden müssen. Eine frühe verlässliche Prognose würde es ermöglichen vorhandene Ressourcen möglichst nur dort einzusetzen, wo sie gebraucht werden. Das Auftreten von Morbus Crohn ist mit Mutationen des NOD2 Gens assoziiert. NOD2 ist ein intrazellulärer Rezeptor zur Erkennung von krankheitsassoziierten bakteriellen Strukturen. NOD2 vermittelt die Induktion von α-Defensinen, antimikrobiellen Peptiden der Darmschleimhaut und ist somit mitverantwortlich für die Aufrechterhaltung der Darmbarriere. Da die bakterielle Translokation auch im Rahmen einer akuten Pankreatitis eine lebensbedrohliche Komplikation darstellen kann wurde in der vorliegenden Studie untersucht, ob Mutationen des NOD2 Gens (R702W, G908R, 3020InsC) in Zusammenhang mit dem Verlauf der akuten Pankreatitis stehen. Dazu wurde die DNA von 192 Patienten mit leichtem oder schwerem Verlauf einer akuten Pankreatitis und 120 gesunden Kontrollprobanden, von den Universitätsstandorten Greifswald und Magdeburg analysiert. Das Auftreten der drei NOD2-Mutationen wurde mit Taqman-Analyse und anschließender genomischer Sequenzierung untersucht. Bei der statistischen Auswertung der Ergebnisse der Patienten aus Greifswald konnte erstmals ein Zusammenhanges zwischen dem Verlauf der schweren akuten Pankreatitis und der R708W Mutation des NOD2 Gens belegt werden. Für die Kohorte der Patienten aus Magdeburg war die Assoziation der NOD2-Mutationen jedoch nicht signifikant, so dass insgesamt eine eindeutige Aussage bezüglich der Fragestellung nicht abschließend getroffen werden konnte. Die vorliegende Studie deutet darauf hin, dass NOD2-Mutationen als Risikofaktor bei einem schweren Pankreatitisverlauf für deren letalen Ausgang anzusehen sind. Um die Rolle der NOD2-Mutationen endgültig zu klären sollten jedoch weitere Studien mit größeren Patientenzahlen durchgeführt werden.
Coenzym A ist ein essentieller und ubiquitärer Cofaktor, dessen zentrale Bedeutung für den Stoffwechsel aus der Aktivierung und Übertragung von Acylgruppen resultiert. Der Biosyn-theseweg von Coenzym A (CoA) ausgehend von Pantothenat (Pan) umfasst fünf enzymatische Schritte, die in Pro- und Eukaryoten konserviert sind. Die Hefe S. cere¬visiae ist in der Lage, sowohl eine de novo Pantothenat-Synthese durchzuführen als auch mittels Fen2-Transporter dieses Intermediat aufzunehmen. Die Phosphorylierung von Pan durch die Pantothenat Kinase (PanK) stellt vermutlich den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt dar, der in Form einer Inhibition durch das Endprodukt bzw. dessen Derivate erfolgt. Ziel dieser Arbeit sollte es sein, grundlegende Erkenntnisse zu den Enzymen des CoA-Biosyntheseweges, deren Organisation und Regulation in der Hefe zu bekommen. Durch „metabolic engineering“ sollte versucht werden, einen Stamm zu konstruieren, der im Vergleich zu einem Wildtyp einen erhöhten CoA-Gehalt aufweist. Für das Genprodukt von YDR531W in S. cerevisiae konnte aufgrund der Verwertbarkeit von 14C-Pantothenat als Substrat die Vermutung bestätigt werden, dass es sich um eine PanK handelt, so dass dieses Gen die neue Bezeichnung CAB1 („Coenzym A Biosynthese“) erhielt. Es erfolgt eine „Feedback“-Inhibition durch CoA und in stärkerem Maße durch dessen Thioester Acetyl-CoA. Der Einfluss von Malonyl-CoA und Palmitoyl-CoA auf die Aktivität der PanK ist vernachlässigbar. Durch gerichtete Mutagenese konnte eine Acetyl-CoA insensitive deregulierte PanK-Variante CAB1W331R erzeugt werden, die, verglichen mit dem Wildtyp, eine etwa vierfach gesteigerte Aktivität aufweist. Für die vier weiteren Gene YIL083C, YKL088W, YGR277C und YDR196C, die aufgrund von Ähnlichkeiten zu humanen CoA-Genen identifiziert wurden, konnte der Nachweis erbracht werden, dass es sich um CoA-Biosynthesegene handelt. Eine Nullmutation in jedem dieser essentiellen Gene ließ sich durch das entsprechende E. coli Gen, für die der enzymatische Nachweis der Genprodukte vorliegt, heterolog komplementieren. Folgende neue Genbe-zeichnungen wurden aufgrund der Abfolge der Reaktionsschritte vergeben: YIL083C = CAB2 (codiert für die Phosphopantothenyl Cystein Synthetase, PPCS), YKL088W = CAB3 (Phosphopantothenylcystein Decarboxylase, PPCDC), YGR277C = CAB4 (Phosphopante-thein Adenyltransferase, PPAT) und YDR196C = CAB5 (Dephospho-CoA.Kinase, DPCK). Für CAB1, CAB2 und CAB5 war ein moderater Anstieg der Genexpression zu beobachten, wenn Glucose durch Ethanol als C-Quelle ersetzt wurde. Die Abwesenheit von Aminosäuren beeinflusste die Expression der CAB Gene kaum. Mit Hilfe chromatographischer Reinigungsschritte war eine Cofraktionierung der epitopmar-kierten Proteine Cab3 und Cab5 möglich, die einen ersten Hinweis auf die Existenz eines CoA-synthetisierenden Enzymkomplexes (CoA-SPC) lieferten. Dessen durch Gelfiltration bestimmte Größe beträgt ungefähr 327 kDa. In vitro-Interaktionsstudien ergaben, dass Cab1 (PanK) nicht an der Bildung dieses Komplexes beteiligt ist und dass Cab2, Cab3, Cab4 und Cab5 mit Cab3 interagieren. Weiterhin konnten Wechselwirkungen zwischen Cab4 und Cab5 nachgewiesen werden. Durch Konstruktion von Längenvarianten der genannten Proteine wurden die für die Interaktionen jeweils verantwortlichen Proteinabschnitte kartiert. Vermutlich dient Cab3 als zentrales „Gerüstprotein“ des gesamten CoA-SPC-Komplexes. Mit ausschließlich bakteriell synthetisierten Proteinen konnte zumindest für Cab3 gezeigt werden, dass die Interaktionen direkt erfolgen. In einem weiteren Teil dieser Arbeit wurde versucht, durch Überexpression der CoA-Bio-synthesegene die zelluläre CoA-Synthese zu beeinflussen. Mit Hilfe integrativer Plasmide wurden MET25-Promotor-kontrollierte Überexpressionskassetten aller CAB-Gene sukzes¬sive in einen Wildtypstamm eingeführt. Für das Gen der PanK wurde das Wildtyp-Allel CAB1 bzw. die deregulierte Variante CAB1W331R verwendet. Einen Unterschied zwischen den Stämmen konnte für den Acetyl-CoA-, allerdings nicht für den CoA-Gehalt gemessen werden. Überexpressionsstämme mit der regulierten PanK bzw. der deregulierten PanK-Variante enthielten im Vergleich zum Wildtyp die 3-fache bzw. sogar die 6-fache Menge an Acetyl-CoA. Dieser Befund belegt die Schrittmacherfunktion der PanK für den gesamten CoA-Biosyntheseweg.
In der Hefe Saccharomyces cerevisiae werden die Strukturgene der Phospholipid-Biosynthese auf Transkriptionsebene in Abhängigkeit der Verfügbarkeit der Phospholipidvorstufen Inositol und Cholin (IC) über ein in der Promotorregion befindliches UAS-Element, genannt ICRE („inositol/choline-responsive element“), reguliert. Bei Mangel an IC kommt es zu einer Anhäufung des Intermediats Phosphatidsäure, wodurch der Repressor Opi1 außerhalb des Zellkerns am endoplasmatischen Reticulum verankert wird. Dadurch kann ein Heterodimer, bestehend aus den bHLH-Proteinen Ino2 und Ino4, an das ICRE-Motiv binden und die transkriptionelle Aktivierung vermitteln. Ist ausreichend IC vorhanden, gelangt der Repressor Opi1 in den Zellkern und bindet an Ino2. Dadurch ist eine Aktivierung nicht mehr möglich. Ferner kontaktiert Opi1 über seine Opi1-Sin3-Interaktionsdomäne (OSID) die Corepressor-Komplexe Sin3 und Cyc8/Tup1, die durch Rekrutierung von Histondeacetylasen (HDACs) zur Chromatinverdichtung und damit zur Genrepression führen. In einer früheren Arbeit wurde beobachtet, dass die regulierte Expression von Genen der Phospholipid-Biosynthese auch durch die Phosphatkonzentration beeinflusst wird. Es konnte festgestellt werden, dass bei Phosphatmangelbedingungen die Expression ICRE-abhängiger Gene auf 10 % reduziert ist. Eine Δopi1-Mutante zeigte dieses Expressionsmuster jedoch nicht mehr. Dieser Befund wies darauf hin, dass Opi1 seine Repressorfunktion sowohl bei IC-Überschuss als auch bei Phosphatmangel ausführt. Ein Protein, welches die Phosphatverfügbarkeit an Opi1 möglicherweise über eine Phosphorylierung vermitteln könnte, ist die cyclinabhängige Proteinkinase Pho85, für die eine in vitro Interaktion mit Opi1 gezeigt wurde. Um diese Hypothese zu überprüfen, wurden mittels gerichteter Mutagenese Aminosäurereste mutmaßlicher Pho85-Phosphorylierungsstellen im Opi1-Protein (S321, T51) gegen das nicht mehr phosphorylierbare Alanin ausgetauscht. Hefestämme, die solche Opi1-Protein-varianten (S321A, T51A) synthetisierten, zeigten jedoch weiterhin einen klaren Einfluss des Phosphatmangels auf die Expression eines ICRE-regulierten Reportergens. Dies lässt darauf schließen, dass die Repression unter Phosphatmangelbedingungen nicht über eine Phosphorylierung von Opi1 durch Pho85 zu Stande kommt. Parallel durchgeführte in vitro-Interaktionsstudien zeigten, dass die Bindung von Pho85 an Opi1 über zwei unabhängig voneinander funktionierende Interaktionsdomänen im Opi1-Protein (aa 30-70 und aa 321-350) erfolgt. Mit Hilfe des „Two-Hybrid“-Systems wurde festgestellt, dass die Opi1-Pho85 Wechselwirkung in vivo phosphatabhängig stattfindet. Die Befunde erlauben die Hypothese, dass Pho85 bei Phosphatüberschuss u. a. die OSID im Opi1 abdeckt, dadurch die Wechsel-wirkung mit Sin3/Cyc8 verhindert und eine gesteigerte Genexpression zulässt. Mittels Chromatin-Immunopräzipitation (ChIP) konnte gezeigt werden, dass Opi1, Co-Repressoren wie Sin3 und Cyc8 als auch die HDACs Hda1 und Hos1 an Promotoren ICRE-regulierter Gene Ino2-abhängig anwesend sind. Des Weiteren wurde festgestellt, dass sich Sin3 unabhängig von Opi1 an ICRE-haltigen Promotoren befindet. Dieses Ergebnis wider-sprach einer früheren Arbeitshypothese, konnte aber durch weitere Versuche, die eine direkte in vitro Interaktion von Sin3 mit dem Ino2-Aktivator zeigten, plausibel in ein neues Rekrutierungsmodell eingefügt werden. Abschließend wurden die am Beispiel von Opi1 gewonnenen Erkenntnisse durch in vitro Interaktionsanalysen diverser spezifischer Repressoren mit den pleiotropen Co-Repressoren Sin3 und Cyc8/Tup1 erweitert. Für zahlreiche Repressoren wurde gefunden, dass sie parallel mit Sin3 und Cyc8 interagieren (u. a. Rox1, Yox1, Dal80 und Mot3). Durch Kartierungsexperimente konnten minimale Repressordomänen charakterisiert werden, die die Interaktion zu Sin3 bzw. Cyc8 vermitteln, und sequenzhomologe Domänenstrukturen analysiert werden. Des Weiteren zeigte sich, dass alle Repressoren, die mit Sin3 wechselwirken, dessen Domänen PAH1 oder PAH2 („paired amphipathic helix“) kontaktieren.
Genomics is the field of modern biology that studies the genome as the sum of all genes of a given organism. Genomics includes the analysis of genomic variations in order to identify genetic susceptibility loci for various human diseases. Besides genomics, there are related fields summarized by the term "Omics" such as transcriptomics and proteomics, studying the sum of all transcripts and proteins in a defined biological system, respectively. Genetic variants, namely single nucleotide polymorphisms (SNPs) and copy number variations (CNVs) are used to identify genomic loci associated with human traits and diseases. Genome-wide association studies (GWASs) based on SNP data have been performed for a wide range of human traits and diseases. In the population-based Study of Health in Pomerania (SHIP) and the independent SHIP-TREND study, whole-genome genotyping data were available for 4081 and 986 individuals, respectively. In contrast to the widely used GWAS based on SNPs, association studies using CNV data are difficult to implement and thus less common. Therefore, one aim of this work was to detect CNVs using the whole-genome genotyping data available for 4081 individuals from SHIP. Another aim was to develop an efficient workflow for the analysis of these CNVs. As most common genetic variants exhibit only relatively small effects on phenotypic variability, large sample sizes are needed to maximize the statistical power to detect such effects. Therefore, the integration of data from multiple collaborating studies is indispensable. In this context, several CNV studies with the SHIP data have been performed and published, for example on body mass index (BMI) phenotypes where the SHIP cohort was used as a population-based control. Trait-associated genetic markers identified through GWASs are often intergenic or synonymous coding, and those loci identified through whole-genome CNV analyses often contain multiple genes, making it difficult to identify the causal variants. In this context, the functional analysis of identified loci aids in determining causal variant(s). One possibility to conduct functional analysis is the expression quantitative trait loci (eQTL) analysis, defined as the association of genome-wide genotyping data with genome-wide gene expression data based on measured transcriptomes. This allows the identification of genetic variants influencing the expression levels of defined genes. A further example are transcriptome-wide association analysis (TWAS), defined as the association of phenotype data with whole-genome expression data. Thus, another aim of this work was to establish an analysis pipeline for processing such expression data, which were available for about 1000 individuals from the SHIP-TREND study. Here, array-based gene expression data were generated using RNA prepared from whole-blood. Interpretation of TWAS results is often difficult, because of possible reverse causation on gene expression data. Furthermore, technical errors of measurement may bias the results. In a comprehensive work, biological and technical factors influencing measured gene expression data have been identified and were subsequently taken into account to improve the association analyses. To further elucidate the molecular mechanisms underlying the relationship of gene expression levels with human traits or diseases, pathway analyses using the Ingenuity Pathway Analysis (IPA) tool have been performed in connection with the TWAS. As for GWASs, the associations identified in TWAS usually exhibit only small effect sizes, highlighting the need for larger studies or meta-analysis to identify all susceptibility variants. In this context several eQTL- and TWAS meta-analyses using the SHIP-TREND data have been performed, for example on the phenotypes age, sex, BMI, smoking status and serum lipid traits. The results of these analyses are in preparation for publication and the most advanced example, the correlation of expression data with BMI, is presented here. The integration of whole-genome genotyping and expression data provides new functional information of the underlying biological mechanisms of complex human traits and diseases. Within the frame of this work, this could be demonstrated for the example of susceptibility to Helicobacter pylori infection.
Myxomycetes (Amoebozoa, plasmodial slime molds) are one of the last larger groups of organisms where the biodiversity is not yet investigated by molecular methods, except for a very few cultivable model species. Based on the first phylogenies for the group produced in 2012 and 2013, this thesis work explores the genetic diversity of wild populations of myxomycetes, addressing two questions: 1. Does diversity and phylogenetic trees found with barcode markers fit the current morphological species concept, and do barcode markers reveal a lower or higher diversity than found by morphological characters? In the first case, morphological characters seen as decisive for species differentiation would be plastic (shaped by the environment), in the second case we must assume the existence of cryptic species. 2. Can genetic markers be used to see if natural populations of myxomycetes reproduce mainly sexual or asexual? Sexuality is proven to occur in the Amoebozoa, but asexual reproduction should be advantageous for habitat colonization. Experiments with cultivable species have shown that both reproductive modes occur in the myxomycetes. Two species complexes were chosen for an in-depth investigation. The first species is the common wood-inhabiting myxomycete Trichia varia (Pers. ex J.F. Gmel.) Pers., one of the first myxomycetes to be described and always seen as a variable, yet single, species. The second example involves a snowbank species so far known as Lamproderma atrosporum Meyl., which was recently transferred to a genus on its own, Meriderma Mar. Mey. & Poulain, and a morphological species concept, including several taxa, was proposed. Trichia varia belongs to the bright-spored myxomycetes. Partial sequences of three independent markers (nuclear small-subunit ribosomal RNA gene, SSU, extrachromosomal; protein elongation factor 1 alpha gene, EF1A, chromosomal; cytochrome oxidase subunit 1 gene, COI, mitochondrial) from 198 specimens resulted in a three-gene phylogeny containing three groups, within each group combinations of the single-marker genotypes occurred exclusively. Complete SSU sequences were generated for 66 specimens, which revealed six positions that can carry group I introns and putatively functional or degenerated homing endonuclease genes in two groups. All observations (genotypic combinations of the three markers, signs of recombination, intron patterns) fit well into a pattern of three cryptic biological species that reproduce predominantly sexual but are reproductively isolated. The pattern of group I introns and inserted homing endonuclease genes mounts evidence that the Goddard-Burt intron life cycle model applies to naturally occurring myxomycete populations. A total of 89 specimens of the dark-spored myxomycete genus Meriderma from five European mountain ranges were sequenced for partial genes of SSU and EF1A. The latter gene includes an extremely variable spliceosomal intron. Three clades, the two morphologically recognizable taxa M. fuscatum, M. aggregatum, and the morphologically complicated complex species M. atrosporum agg., were recovered. The EF1A-based phylogeny of the 81 specimens of M. atrosporum agg. resulted in seven subclades, with the two EF1A-haplotypes of a sequence sharing always one subclade for each of the 50 heterozygous specimens, a pattern consistent with the existence of several independent but sexually reproducing biospecies. Identical EF1A genotypes occurred more often within a regional population than in between. A simulation assuming panmixis within a biospecies but not in between, and isolation between mountain ranges suggested that similar numbers of shared genotypes can be created by chance through sexual reproduction alone. Numbers of haplotypes shared between mountain ranges correlate with geographical distance, suggesting occasional long-distance dispersal by spores. An enlarged data set containing 227 partial SSU sequences of Meriderma spp. identified 53 ribotypes, with a ribotype accumulation curve indicating 68.4±14.5 ribotypes to expect according to the Chao2 estimator. The topology of the SSU phylogeny generally confirms results from the partial SSU and EF1A data set of 89 specimens, where several putative biospecies could be recognized. A novel method for automated analyses of SEM images allows to derive quantitative descriptors for spore ornamentation, which were subjected to multivariate analyses. Spore ornamentation provided traits with the highest explanatory power in a multivariate statistics, whereas spore size and stalk length were much less significant. For some but not all putative biospecies a unique combination of morphological characters was found, which is in accordance with the hypothesis of instant sympatric 8 speciation via mutations creating incompatible strains splitting from existing biospecies. The morphologically recognizable taxa of the genus are described and a key for the genus Meriderma is given. To compare morphological and molecular diversity in lignicolous myxomycetes, all specimens found in a study covering the late-autumn aspect were sequenced, using partial SSU gene as a barcode marker. A total of 161 logs in the old-growth forest Eldena, northeastern Germany, was surveyed, resulting in 530 collections representing 27 taxa from 14 genera. Bright-spores species were far more abundant than dark-spored taxa. A phylogeny based on partial SSU sequences for bright-spored myxomycetes revealed morphospecies to be largely consistent with phylogenetic groups. Most but not all morphospecies may contain multiple ribotypes that cannot be differentiated by light microscopy. This first study backing up a traditional morphology-based survey by a full molecular component demonstrates that partial SSU sequences can function as reliable barcode markers for myxomycetes, but reveals as well a significant, yet not infinite, amount of hidden diversity. The main conclusions of this work, set up in the frame of a project funded by the German Research Council (DFG), are the following: 1. Sexual reproduction seems to be an important, if not the dominating mode (apart from clonal myxamoebal populations built up by binary fission) of reproduction in naturally occurring populations of myxomycetes. 2. From the two investigated species complexes we can expect many, if not most, morphopecies to be composed of reproductively isolated, sexually reproducing, biospecies. 3. Partial SSU sequences, as most widely used in this study, seem to represent suitable barcode markers for the group and can be used to distinguish the (usually cryptic) biospecies, although they alone do not allow any conclusions about reproductive isolation and speciation processes. 4. We have to expect a significant amount of hidden diversity in myxomycetes, which will increase the number of taxa from ca. 1000 recognized morphologically by a factor between two and ten.
This thesis draws a comprehensive picture about the radiation and diversification of truncatelloidean gastropods across the south pacific. It covers three more specifc studies focussing on the Truncelloideans from Fiji, Vanuatu and New Caledonia, respectively. And a conclusive analysis that combines the results of the three more specific studies and enhances them using species from the Austral Islands, Lord Howe Island, the Indonesian island Sulawesi as well as several species from New Zealand and Australia. Molecular phylogenies were calculated using four nuclear gene fragments (ITS2; 18S rRNA; 28S rRNA and Histone 3) besides the mitochondrial COI and 16S rRNA. Further molecuular data was used to calculate dated phylogenies, perform ancestral range reconstructions and develop a modified molecular barcoding approach.
Psychiatric disorders are highly heritable. But the underlying molecular mechanisms are largely unknown or not understood. For many disorders, candidate genes have been proposed which are biologically driven or based on large GWAS studies. In this work different approaches were shown to investigate the impact of genetic risk factors for major psychiatric disorders in the general population. These genetic risk variants include single nucleotide polymorphisms associated with schizophrenia or major depression and were analyzed using the whole-genome information in polygenic scores or candidate marker analysis in GxE studies. Genetic data from SHIP-0 and SHIP-TREND have been used to calculate a polygenic risk score for schizophrenia. Here, the association between this genetic score and brain alterations is shown in three independent samples (SHIP-2, SHIP-TREND and BIG) which revealed no hint of a common genetic basis for schizophrenia and brain structure. These results are in line with other studies that also failed to find a genetic overlap. The same polygenic scores had been used in a PHEWAS analysis in SHIP-0 where an inverse association to migraine was found. This association could be attributed to the NMDA receptor activation via D-serine at the glutamatergic synapse. To assess the impact of environmental factors on the path from genes to phenotype, gene-environment interactions were applied. A significant interaction could be observed between rs7305115 (TPH2) and rs25531 (5-HTTLPR) and childhood abuse on current depression score in SHIP-LEGEND and SHIP-TREND. In summary, genetic variants associated with major psychiatric disorders can exhibit pleiotropic effects on common phenotypes in the general population.
Species persistence in the face of rapidly progressing environmental change requires adaptive responses that allow organisms to either cope with the novel conditions in their habitat or to follow their environmental niche in space. A poleward range shift due to global warming induced habitat loss in the south has been predicted for the lesser horseshoe bat, Rhinolophus hipposideros. Theoretical as well as numerous empirical studies link range expansion success to increased dispersal and reproduction rates due to spatial sorting and r-selection resulting from low population densities at the expansion front. R. hipposideros females however are highly philopatric and the species’ life history reflects a K- rather than an r-strategy, encompassing a long life span and limited individual annual reproductive output. I therefore investigated if adaptations in these traits determining range expansion success (dispersal and reproduction) can be observed in this bat species of high conservation concern. Genetic diversity presents a critical factor for adaptive responses to global change, both for range expansion and for coping with novel environmental conditions. I hence explored the genetic diversity levels of European R. hipposideros leading edge populations and their drivers for an assessment of these populations’ evolutionary potential and the development of conservation recommendations.
Comparing range expansion traits between an expanding R. hipposideros metapopulation in Germany and a non-expanding one in France revealed that range expansion was associated with an increase in juvenile survival and fecundity, and no decrease in adult survival. These results demonstrate than an increase in reproduction and growth rates is generally possible in R. hipposideros, indicating a potential adaptation (sensu lato) to range expansion. A positive correlation between adult and juvenile survival in the expanding metapopulation suggests higher resource acquisition in the expanding metapopulation, giving rise to the question if the observed demographic changes have a genetic basis or if they are rather induced by differences in environmental conditions between the two metapopulations. Long-term range expansion success requires adaptive evolutionary changes. The relative contribution of the former and that of undirected changes resulting e.g. from differences in resource availability therefore will have to be investigated in more detail in the future to allow predictions about range expansion dynamics in R. hipposideros.
The number of individuals within a radius of approximately 60 to 90 km around a population (as a measure of connectivity) was identified as the main positive driver of the studied populations’ genetic diversity. Overall genetic diversity levels in German R. hipposideros populations were found to be reduced compared to populations in France as a legacy of demographic bottlenecks resulting from severe population declines in the mid-20th century. This finding is alarming as future range expansion can be expected to entail a further decrease in genetic diversity. The resulting loss of genetic diversity can be expected to be particularly strong in R. hipposideros due to the detected dependence of genetic diversity on connectivity, because range expansion often results in small and patchy populations.
Protecting and ideally re-installing genetic diversity in R. hipposideros leading edge populations therefore presents a conservation goal of utmost importance. To achieve this endeavour, conservation efforts should target the protection of extensive networks of well-connected populations. Geographical concentration of individuals should be avoided and populations in key locations that connect clusters must be protected particularly well to prevent populations from becoming isolated. Continuous, regular monitoring of population trends is also important for a quick registration of disturbances or threats, and the subsequent rapid development of countermeasures to preclude further demographic declines.
The reduced levels of genetic diversity in the German metapopulation precluded a reliable quantification of dispersal rates due to the reduced power of discrimination between individuals. While ongoing re-colonization and the establishment of new maternity colonies provide evidence for increased dispersal in the expanding metapopulation, evaluating the expected range expansion velocity of R. hipposideros in relation to the estimated velocity of global warming induced habitat loss will require the confirmation of the existing preliminary dispersal data by employing more genetic markers.