Evolution of insect olfactory genes

The sense of smell is one of the oldest senses, dating all the way back to the first animals 600 million years ago. The power to detect and discriminate odor molecules is often strongly connected to survival and reproductive success. This strong selective pressure has led to highly sensitive olfactory systems across animal phyla. The olfactory systems of vertebrates, mollusks, arthropods and nematodes share many features that are intriguingly similar. Although there is an evolutionary convergence towards a conserved organization of signaling pathways in vertebrate and invertebrate olfactory systems the gene families involved in odorant transfer to the receptors and the receptors themselves were recruited to olfactory systems independently in different animal lineages. In insects mainly two receptor families have been described as detectors of olfactory cues: Olfactory receptors (OR) and ionotropic receptors (IR). While IRs are expressed in chemosensory tissue across protostomes, ORs were only found in insects. A similar situation was described for odorant binding proteins (OBP). Both gene families are thought to have evolved after the insect ancestor colonized land, causing a need to detect airborne chemicals. Since all previous assumptions referred to studies on flying insects, the major aim of my thesis was to investigate the olfactory system of the two primarily wingless insects, Lepismachilis y-signata (Archaeognatha: Machilidae) and Thermobia domestica (Zygentoma, Lepismatidae). The results of this thesis suggest that insect ORs appeared after insects´ conquered land, maybe as adaptation to the insect flight and the demands on sensory speed and acuity rose thereby. The first terrestrial insects might have used the evolutionary older IRs for odor detection as the closest relatives of hexapods, the crustaceans do. OBPs evolved earlier and independently from ORs. After the evolution of ORs, OBPs might be coopted secondarily into OR/Orco based olfactory pathways

40S ribosome biogenesis co-factors are essential for gametophyte and embryo development

Ribosome biogenesis is well described in Saccharomyces cerevisiae. In contrast only very little information is available on this pathway in plants. This study presents the characterization of five putative protein co-factors of ribosome biogenesis in Arabidopsis thaliana, namely Rrp5, Pwp2, Nob1, Enp1 and Noc4. The characterization of the proteins in respect to localization, enzymatic activity and association with pre-ribosomal complexes is shown. Additionally, analyses of T-DNA insertion mutants aimed to reveal an involvement of the plant co-factors in ribosome biogenesis. The investigated proteins localize mainly to the nucleolus or the nucleus, and atEnp1 and atNob1 co-migrate with 40S pre-ribosomal complexes. The analysis of T-DNA insertion lines revealed that all proteins are essential in Arabidopsis thaliana and mutant plants show alterations of rRNA intermediate abundance already in the heterozygous state. The most significant alteration was observed in the NOB1 T-DNA insertion line where the P-A3 fragment, a 23S-like rRNA precursor, accumulated. The transmission of the T-DNA through the male and female gametophyte was strongly inhibited indicating a high importance of ribosome co-factor genes in the haploid stages of plant development. Additionally impaired embryogenesis was observed in some mutant plant lines. All results support an involvement of the analyzed proteins in ribosome biogenesis but differences in rRNA processing, gametophyte and embryo development suggested an alternative regulation in plants

Untersuchungen zu standortunabhängigen Eigenschaften des Wachstums für verschiedene Baumarten

Untersuchungen zu standortunabhängigen Eigenschaften des Wachstums für verschiedene Baumarten unter Verwendung einer Polynommethode und mit Hilfe des Evolonmodells

Klinische und funktionelle Ergebnisse nach Chopart-Luxationsfrakturen: Eine retrospektive Untersuchung

Thema: Klinische und funktionelle Langzeitergebnisse nach Chopart-Luxationsfrakturen Fragestellung: Chopart-Luxationsfrakturen sind seltene und oft übersehene Fußverletzungen, welche in der gegenwärtigen Literatur häufig unterrepräsentiert werden. Zielsetzung dieser retrospektiven Studie ist die Evaluation verschiedener patientenbezogener und behandlungsspezifischer Faktoren bezüglich ihres Effektes auf die resultierende Fußfunktion. Methodik: Zwischen 01/1994 und 12/2009 wurden 122 Chopart-Luxationsfrakturen in einem Traumazentrum behandelt. Davon wurden 73 Patienten mit 75 Chopart-Verletzungen nachuntersucht (59,8%). Der mittlere Follow-up-Zeitraum betrug 10 (4 - 18) Jahre. Das Durchschnittsalter lag bei 38 (14 - 68) Jahren. Einerseits wurde zur Einteilung der lokalen Verletzungsschwere die Zwipp-Klassifikation genutzt, andererseits wurde das Auftreten isolierter Chopart-Luxationsfrakturen oder weitere ipsilaterale Fußfrakturen bzw. Polytraumata erfasst. Das Outcome wurde mittels AOFAS Ankle-Hindfoot Score, Foot-Function-Index (FFI-D) sowie der körperlichen (KSK) und psychischen (PSK) Summenskala des SF-36 evaluiert. Arthroseausprägungen und Fehlstellungen wurden mithilfe von Röntgenbildern quantifiziert. Ursächlich war ein Verkehrsunfall in 53,4%, gefolgt von Höhenstürzen in 20,5%. Ein Arbeitsunfall lag in 23,3% vor. Die distale Gelenkreihe (Os naviculare und Os cuboideum) war mit 86 Frakturen mehr als doppelt so häufig betroffen wie die proximale Reihe (Taluskopf und Proc. anterior calcanei) mit 35 Frakturen. In nahezu 30% waren die Patienten polytraumatisiert. Ergebnisse: Die mittleren Werte im AOFAS-Score-Wert betrugen 71,5, im FFI-D 26,9 und in der SF-36 KSK und PSK 43,5 bzw. 51,2 Punkte. Signifikant niedrigere Fuß-Scores wurden beim Vorliegen eines Arbeitsunfalles (FFI, p=0,010), einer höheren allgemeinen (FFI, p=0,001) und lokalen (AOFAS, p=0,022) (das Chopart-Gelenk betreffenden) Verletzungsschwere sowie einer offenen Verletzung des Fußes (AOFAS, p<0,001) gesehen. Weiterhin waren ein mehrzeitiges operatives Vorgehen (AOFAS, p=0,024) sowie die Verwendung von primären (FFI, p=0,027) oder sekundären Arthrodesen (AOFAS, p=0,035) mit signifikant schlechteren Ergebnissen assoziiert. Patienten mit Infektionen im Wundgebiet zeigten einen Trend zu schlechteren Ergebnissen in den Scores. In der überwiegenden Mehrzahl wurden schwere radiologische Arthroseausprägungen gesehen, welche mit signifikant schlechteren funktionellen Scores korrelierten. Rund ein Drittel der Patienten wies Beeinträchtigungen im Beruf auf, über die Hälfte zeigte Einschränkungen in der Freizeit bzw. im Sport. Schlussfolgerung: Chopart-Luxationsfrakturen haben relevante Auswirkungen auf die Langzeitprognose der Patienten. Dabei korreliert die Verletzungsschwere negativ mit dem funktionellen Resultat. Ein rechtzeitiges Erkennen der Fraktur mit zeitgerechter, anatomischer Wiederherstellung der Zweisäulenstatik und der Gelenkebenen und anschließender stabiler Retention sowie Transfixierung bei ligamentären Instabilitäten sicherte überwiegend gute klinische und funktionelle Ergebnisse

A CAI study on transition zones of conventional and Double-Double laminates

Laminate-thickness tapering opportunities of Double-Double (DD) laminates are unique, compared to conventional laminates (denoted as Quad) in aerospace, which are typically composed of 0°, 45°, -45°, 90° plies. The more aggressive tapering concept of DD, with drop-offs located on laminate's outer surfaces, promises simplification in terms of manufacturing. However, the DD concept bears the risk to impede crack propagation after impacts negatively, as no full plies cover building-block run outs. The present article utilizes conventional CAI (AITM-1-0010) infrastructure to examine how the characteristics of DD and Quad laminates deviate, when laminate transition zones experience impact loads. Sample dimensions and the overall testing procedure was executed as close as possible to the AITM norm, which is usually intended for testing quasi-isotropic, 4 mm thick laminates. The study focuses on M21E/IMA UD carbon-fiber epoxy prepreg. A tapered sample represents the key object of the present experimental study. It features a laminate transition from 16- to a 32-ply region, with a 1:10 ramp. Both regions are quasi-isotropic. The individual ply run outs are distributed along the transition zone (staggering), as it is done in industry. The examined DD laminate represents a structural equivalent of the Quad laminate (identical [A] matrix). The transition zone shows 4-building-block run outs. The tapered samples are impacted from both sides, to assess the effects of the differences in laminate architecture. Constant-thickness, 16-ply and 32-ply, samples complement the tests of the tapered samples. The study features a delamination area assessment, based on ultra-sonic scans, as well as the analysis of CAI tests

Convergent evolution of pregnancy-specific glycoproteins in human and horse

Pregnancy-specific glycoproteins (PSGs) are members of the carcinoembryonic antigen cell adhesion molecule (CEACAM) family that are secreted by trophoblast cells. PSGs may modulate immune, angiogenic and platelet responses during pregnancy. Until now, PSGs are only found in species that have a highly invasive (hemochorial) placentation including humans, mice and rats. Surprisingly, analyzing the CEACAM gene family of the horse, which has a non-invasive epitheliochorial placenta, with the exception of the transient endometrial cups, we identified equine CEACAM family members that seem to be related to PSGs of rodents and primates. We identified seven genes that encode secreted PSG-like CEACAMs. Phylogenetic analyses indicate that they evolved independently from an equine CEACAM1-like ancestor rather than from a common PSG-like ancestor with rodents and primates. Significantly, expression of PSG-like genes (CEACAM44, CEACAM48, CEACAM49 and CEACAM55) was found in non-invasive as well as invasive trophoblast cells such as purified chorionic girdle cells and endometrial cup cells. Chorionic girdle cells are highly invasive trophoblast cells that invade the endometrium of the mare where they form endometrial cups and are in close contact with maternal immune cells. Therefore, the microenvironment of invasive equine trophoblast cells has striking similarities to the microenvironment of trophoblast cells in hemochorial placentas, suggesting that equine PSG-like CEACAMs and rodent and primate PSGs have undergone convergent evolution. This is supported by our finding that equine PSG-like CEACAM49 exhibits similar activity to certain rodent and human PSGs in a functional assay of platelet–fibrinogen binding. Our results have implications for understanding the evolution of PSGs and their functions in maternal–fetal interactions

The analysis of the carcinoembryonic antigen and pregnancy specific glycoprotein gene family of the horse

Eine wohlgeordnete Immunreaktion verlangt eine Koordination zwischen den einzelnen Zellen des angeborenen und erworbenen Immunsystems, was neben den sezernierten Molekülen, wie den Zytokinen und Chemokinen, über Oberflächenmoleküle der verschiedenen Rezeptorfamilien vor allem auch aus dem Bereich des Leukozyten-Rezeptor-Komplexes vermittelt wird. Neben den weitreichend bekannten und analysierten Familien, wie der KIR- oder der LIR-Familie, zählt dazu auch die CEA-Genfamilie. Diese befindet sich im erweiterten Bereich des LRCs und ist bei verschiedenen Säugerspezies bereits in mehr oder weniger großem Umfang nachgewiesen. Auch im Genom des Pferdes konnten Hinweise auf Mitglieder dieser Genfamilie gefunden und später auch experimentell ihr Vorhandensein bestätigt werden. Während bei anderen Spezies, wie dem Menschen oder den Nagerspezies Maus und Ratte, die Ausdehnung dieser Familie schon eingehend untersucht wurden, ist über diese beim Pferd noch nicht allzu viel bekannt. Aus Genomanalysen, die zum Teil im Rahmen einer Bachelorarbeit (Aleksic, 2010) bestätigt wurden, lässt sich vermuten, dass diese Genfamilie auch beim Pferd relativ viele Mitglieder umfasst, unter denen sich auch sezernierte Mitglieder befinden. Solche sezernierten Mitglieder werden auch als PSGs bezeichnet und sind bislang nur von Spezies mit einer hämochorialen Plazenta bekannt, wo auch in den meisten Fällen ihr Expressionsort liegt. Das Pferd hingegen bildet eine epitheliochoriale Plazenta aus, bei der der feto-maternale Kontakt nur marginal besteht, bis auf den Bereich der Endometrial Cups, wo sich eine, der hämochorialen Plazenta nicht unähnliche Situation finden lässt. Diese Mitglieder wurden bereits von der AG Kammerer (Aleksic et al, 2016) genauer untersucht, weshalb im Rahmen dieser Arbeit spezielles Augenmerk auf membranverankerte Mitglieder gelegt wurde. Eine weitere Besonderheit der CEA-Genfamilie ist die Ausbildung von Signalmotiven in Form eines ITIM- oder ITAM-Motivs. Auch bei den membranverankerten Mitgliedern der equinen CEA-Familie lassen sich Hinweise auf die Ausprägung solcher Rezeptormotive finden. Von den zwei ITIM-haltigen Rezeptoren CEACAM1 und CEACAM43 konnte die Expression in verschiedenen Geweben nachgewiesen werden, wobei Spleißvarianten entdeckt wurden, die bereits von der Maus bekannt waren. Die restlichen equinen Mitglieder der CEA-Genfamilie, die nach Genomanalysen ein ITIM oder ITAM im zytoplasmatischen Anteil tragen sollten, haben dieses Signalmotiv allem Anschein nach verloren. Bei keinem dieser CEACAMs konnte nach Sequenzanalysen noch ein Signalmotiv im exprimierten Gen nachgewiesen werden. Dafür konnten außergewöhnliche Motive, wie eine spezielle, repetitive Sequenz im extrazellulären Anteil des CEACAM54 als tatsächlich im fertigen Gen vorhandene Sequenz bestätigt werden. In ersten Expressionsstudien über die Generierung von Fusionsproteinen konnte nachgewiesen werden, dass diese speziellen Gene tatsächlich exprimierbar sind. Der einzige equine CEA-Vertreter mit einem vorhergesagten ITAM-Motiv, das CEACAM41, hat dieses nach den hier gefundenen Ergebnissen verloren. Die einzigen nachweisbaren exprimierten Spleißvarianten deuten auf Grund des Fehlens der Transmembrandomäne auf ein lösliches Molekül hin. In anderen Spezies, wie dem Hund, in denen ITAM-Motive in der CEACAMs nachgewiesen wurden, blieben diese erhalten und wurden im Gegensatz zum Pferd sogar eher dupliziert. Anders als von anderen Spezies bekannt, ist das Expressionsmuster der sezernierten PSG-ähnlichen CEACAMs, nicht auf die Plazenta beschränkt, sondern weist im Gegenteil eine erhöhte Expression auf den Immunzellen, speziell den aktivierten T-Lymphozyten auf. Die immunologische Bedeutung dieser löslichen CEACAMs im Pferd wird noch durch die Tatsache unterstrichen, dass einige lösliche Mitglieder nur auf bestimmten Lymphozytenklassen exprimiert werden, wie das CEACAM55, dass auf den CD4-positiven T-Zellen spezifisch nachgewiesen werden kann. Diese Subklasse stellt auch die T-Helferzellen, die eine geordnete Immunreaktion ermöglichen. Ausblick Lymphozyten, speziell einige Subklassen, wie die CD4-positiven T-Helferzellen koordinieren eine regulierte Immunantwort. Die im Pferd nachgewiesene Population von sezernierten, PSG-ähnlichen CEACAMs in dem Anteil der aktivierten Lymphozyten könnten eine entscheidende Rolle in diesem Regulationsmechanismus spielen, da sie im Gegensatz zu Zytokinen und Chemokinen deutlich stabiler sind und so Kommunikation der Immunzellen auch über weite Strecken im Körper ermöglichen. Mit diesem Gedanken bildet die hier vorliegende Arbeit eine Grundlage für weitere Forschung auf diesem Gebiet. Die für einige Mitglieder dieser Genfamilie in anderen Spezies bereits nachgewiesenen homophilen und heterophilen Interaktionen müssten für die CEA-Mitglieder im Pferd noch nachgewiesen, sowie die damit beeinflussten Zusammenhänge und Wechselwirkungen der einzelnen Mitglieder in diesem Netzwerk untereinander überprüft werden.A well-regulated immune reaction is built upon the coordination of the single cells from the innate and the acquired immune system. Next to secreted molecules like cytokines and chemokines such a reaction is mainly mediated by surface molecules belonging to different receptor families found within the leucocyte receptor complex. Beside the well-known and analyzed families like the KIR- or the LIR-family, the CEA gene family belongs to them. This family is embedded within the extended region of the leucocyte receptor complex and is characterized for different mammalian species in a more or less large amount. In the genome of the horse clues for the existence of members belonging to the CEA gene family could be found and their availability was later experimentally proven. While the extension of this family is well examined in other species, like the human and in rodent species, for example mouse and rat, for horses such things are relatively unknown. Based on genome analyzations, partly confirmed during a bachelor thesis (Aleksic, 2010), it could be assumed that in the horse the expression of this family contain quite a few members, among which also secreted members are. Such secreted members are also known from other species developing a haemochorial placenta, in most cases the location where they are expressed, and are referred to as PSGs. In distinction to them the horse is building an epitheliochorial placentation in which the fetomaternal contact is marginally, except for the region of the endometrial cups, where a situation quite similar to this of the haemochorial placenta could be found. This specific members were already well characterized by the group of Robert Kammerer (Aleksic et al, 2016). There was a special eyemark on the membrane-anchored members of this family during the here presented research. Another characteristic of this CEA gene family is the expression of signaling motives by an ITIM or ITAM localized in their cytoplasmatic tail. Hints for the development of such kind of motives are also apparent in the equine CEA gene family. The expression for two of the ITIM-receptor bearing members of the horse, CEACAM1 and CEACAM43 is already proven whereas the detected splice variations are yet known from the mouse. The remaining members meant to bear an ITIM or ITAM in their cytoplasmatic part, seemed to have lost this signaling motives. After sequence analyzing of this members in neither of this expressed versions of the CEACAMs a signaling motive could be detected. Therefor some extraordinary motives like a special repetitive sequence could be characterized as an extracellular part of the CEACAM54, still present in the sequence of the finally expressed gene. Expression studies over a generation of a fusion protein de facto expression of this gene could be confirmed. The only ITAM bearing member of the CEA genes in the horse, the CEACAM41, lost this motive based on the results here. In all of the here detected splice variations the loss of the transmembrane domain suggest a secreted molecule. In other characterized species, like the dog, where ITAM-bearing CEACAMs can be detected, this signaling motives are preserved and in difference to the horse rather duplicated. Diverse from other species the expression pattern from the secreted PSG-like CEACAMs of the horse is not limited to the placental tissue but instead an increased expression upon the immunological cells and especially on the t-lymphocyte subpopulation was detected. The immunological importance of this secreted equine CEACAMs is underlined by the fact, that some members, like the CEACAM55, which is exclusively expressed upon CD4-positive T-cell, are only expressed on a particular subpopulation of the lymphocytes. Within the subpopulation of the t-cells helper cells can be located, which mediate a well-regulated immune reaction. Outlook Lymphocytes and especially some of their subsets like the CD4-positive T-helper cells are mediating a regulated immune response. The here identified population of secreted PSG in the horse like CEACAMs in this part of the activated lymphocytes could play a pivotal role in this regulation mechanism. Because in contrast to the cytokines and chemokines they are much more stable and can facilitate immunological communication between cells over a long distance in the body. Upon this thought the here presented work is the basis for further research on this field. In other species hemophilic and heterophilic interactions between members of the CEA gene family were shown. Such an interaction as well as correlations and interactions of the different members of the CEACAMs have not been proven for horses so far and need to be done