The influence of dispersal on a predator-prey system with two habitats

Dispersal between different habitats influences the dynamics and stability of populations considerably. Furthermore, these effects depend on the local interactions of a population with other species. Here, we perform a general and comprehensive study of the simplest possible system that includes dispersal and local interactions, namely a 2-patch 2-species system. We evaluate the impact of dispersal on stability and on the occurrence of bifurcations, including pattern forming bifurcations that lead to spatial heterogeneity, in 19 different classes of models with the help of the generalized modelling approach. We find that dispersal often destabilizes equilibria, but it can stabilize them if it increases population losses. If dispersal is nonrandom, i.e. if emigration or immigration rates depend on population densities, the correlation of stability with migration rates is positive in part of the models. We also find that many systems show all four types of bifurcations and that antisynchronous oscillations occur mostly with nonrandom dispersal

Incomplete pneumolysin oligomers form membrane pores

Pneumolysin is a member of the cholesterol-dependent cytolysin (CDC) family of pore-forming proteins that are produced as water-soluble monomers or dimers, bind to target membranes and oligomerize into large ring-shaped assemblies comprising approximately 40 subunits and approximately 30 nm across. This pre-pore assembly then refolds to punch a large hole in the lipid bilayer. However, in addition to forming large pores, pneumolysin and other CDCs formsmaller lesions characterized by low electrical conductance. Owing to the observation of arc-like (rather than full-ring) oligomers by electron microscopy, it has been hypothesized that smaller oligomers explain smaller functional pores. To investigate whether this is the case, we performed cryo-electron tomography of pneumolysin oligomers on model lipid membranes. We then used sub-tomogram classification and averaging to determine representative membrane-bound low-resolution structures and identified pre-pores versus pores by the presence of membrane within the oligomeric curve. We found pre-pore and pore forms of both complete (ring) and incomplete (arc) oligomers and conclude that arc-shaped oligomeric assemblies of pneumolysin can form pores. As the CDCs are evolutionarily related to the membrane attack complex/perforin family of proteins, which also form variably sized pores, our findings are of relevance to that class of proteins as well

Differentielle Aktivität des HNF1-alpha Insulators im transgenen Xenopus und in Zellkulturen

Die Expression des gewebespezifischen Transkriptionsfaktors HNF1a konnte in der vorliegenden Arbeit bei Xenopus laevis Larven unmittelbar vor der Metamorphose neben dem mesodermalen Mesonephros (persistierende Form der Niere bei Amphibien) auch in den entodermalen Geweben Darm, Leber und Pankreas nachgewiesen werden. Während ein langes HNF1a Promotorfragment (-5949/-58) in transgenen Xenopus laevis Larven eine Expression sowohl in der mesodermalen Niere als auch in entodermalen Geweben auslöst, ist ein kurzes HNF1a Promotorfragment (-594/-58) nicht ausreichend, um eine korrekte Expression des Transgens im Xenopus zu steuern. Durch das Einbringen unterschiedlicher HNF1a Promotorfragmente als Transgen konnte der regulatorische Bereich im HNF1a Promotor kartiert werden, welcher für eine korrekte Expression des Transgens verantwortlich ist. Es zeigte sich, dass eine Deletion stromabwärts von Position 2589bp zu einem Verlust entodermaler Aktivität sowie zu einer transienten Mosaikexpression einzelner GFP-fluoreszierender Zellen in frühen Stadien der Larvalentwicklung führt. Ein Flankieren des kurzen HNF1a Promotorfragmentes (-594/-58) mit einer doppelten Kopie des b-Globin Insulators 5-HS4 resultiert in einer korrekten Expression des Transgens sowohl in mesodermalen als auch in entodermalen Geweben, was auf ein regulatorisches Insulatorelement im HNF1a Promotor deutet, welches den Promotor des Transgen vor Einflüssen des umliegenden Chromatins schützen kann, und so für eine korrekte Expression des Transgens verantwortlich ist. Basierend auf einem in dieser Arbeit entwickelten Assay zum Nachweis der Enhancer Blocking Aktivität des b-Globin Insulators 5-HS4 des Huhns durch transiente Transfektion von HeLa-, HEK293- und FT02B-Zellen konnten zwei Fragmente im HNF1a Promotor identifiziert werden, welche die Fähigkeit eines Insulators aufweisen, bei einer Lokalisierung zwischen einem Enhancer und einem Promotor die Aktivierung des Promotors durch den Enhancer blockieren zu können. Diese Fragmente liegen in einem Bereich von Position 4036bp bis 2517bp, und damit stromaufwärts des Bereiches des HNF1a Promotors, welcher mit dem Schutz vor chromosomalen Positionseffekten verbunden ist. Die Ergebnisse deuten folglich darauf hin, dass die klassischen Eigenschaften des in dieser Arbeit identifizierten HNF1a Insulators, Schutz vor chromosomalen Positionseffekten und Enhancer Blocking Aktivität, zwei separate Aktivitäten darstellen, welche in verschiedenen Bereichen des Promotors lokalisiert sind. Mit Hilfe von Gelretardations-Kompetitionsexperimenten konnten potentielle Bindestellen für den multivalenten Transkriptionsfaktor CTCF, welche mit der Enhancer Blocking Aktivität des b-Globin Insulators und anderer Vertebraten-Insulatoren assoziiert sind, im HNF1a Promotor stromaufwärts von Position 2269bp identifiziert werden. Die CTCF-Bindestellen sind demnach nicht unmittelbar mit der Enhancer Blocking Aktivität des HNF1a Insulators verbunden, sondern sind vielmehr in einem Bereich des Promotors lokalisiert, welcher mit dem Schutz vor chromosomalen Positionseffekten assoziiert ist

Die Dynamik und Stabilität von räumlichen Nahrungsnetzen

Ökosysteme, genauer gesagt die hier behandelte Untergruppe der Nahrungsnetze, sind in ihrem dynamischen Verhalten und der Stabilität stets Effekten ausgesetzt, die eben dieses nachhaltig beeinflussen können. Um die Reaktion des gesamten Systems besser verstehen zu können, wird in dieser Arbeit untersucht, wie die Artenvielfalt und die Stabilität der Populationen von Eigenschaften, wie unter anderem der Migrationsbereitschaft der Populationen, der Gesamtspezieszahl aber auch dem Jagdverhalten, abhängt. Die Beziehung zwischen der Komplexität und der Stabilität in großen Nahrungsnetzmodellen wird zu Beginn der Arbeit untersucht. Hierzu werden Fixpunkte der Populationsdynamik mittels linearer Stabilitätsanalyse und der kürzlich eingeführten generalisierten Methode analysiert. Zuerst werden generelle Bedingungen hergeleitet, die zu einem positiven Komplexität-Stabilitäts-Verhältnis führen. Dies sind zum einen große Ressourcenbestände als Energielieferant und zum anderen eine stark dichteabhängige Mortalität, die die Konsumentenpopulation limitiert. Ein weiterer Fokus ist die Suche nach möglichst realistischen Werten für die Parameter der generalisierten Methode. Die empirisch unterstützen generalisierten Parameter liegen zumeist in einem Bereich, in dem eine positive Beziehung zwischen der Nahrungsnetzkomplexität und der Stabilität bestehen kann. Im Anschluss daran wird mit Hilfe von Computersimulationen für die Populationsdynamik von Systemen mit vielen Spezies die Stabilität von Nahrungsnetzen, die über mehrere Habitate (patches) verteilt und durch Migration miteinander verbunden sind, untersucht. Als Maß der Stabilität wird zum einen der Anteil an überlebenden Spezies (robustness, im Folgenden Robustheit genannt) genommen und zum anderen die Wahrscheinlichkeit, dass die Dynamik einen Fixpunkt erreicht. Beides wird abhängig von der Nahrungsnetzkomplexität, der Habitat-Anordnung und den Migrationsregeln untersucht. Es wird gezeigt, dass Migration im Allgemeinen die Robustheit erhöht. Dieser Anstieg ist für mittlere Migrationsraten und sternenförmige Anordnungen von Habitaten am stärksten. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Fixpunkt erreicht wird, nimmt für mittlere Migrationsraten ab und zeigt einen deutlichen Maximalwert für höhere Migrationsraten im Falle der sternförmigen Topologie. Diese verschiedenen Beobachtungen werden durch den Rettungseffekt (rescue effect), durch die dynamisch-bedingte Koexistenz von Spezies und durch den Aufbau von Biomassenvorräten in stark verknüpften Habitaten erklärt. Mit wachsender Spezieszahl werden die Unterschiede verschiedener Habitatanordnungen kleiner und die geringere Wahrscheinlichkeit für das Erreichen eines Fixpunktes verschwindet. Dies bedeutet, dass komplexe Nahrungsnetze in gewisser Weise dynamisch einfacher als Nahrungsnetze, die aus wenigen Spezies bestehen, zu verstehen sind. Zur Vertiefung des Verständnisses der kombinierten Eigenschaften von lokalen und räumlichen Effekten wird eine Analyse mittels der generalisierten Methode vom kleinsten System, d.h. ein 2-Habitat, 2-Spezies System, gemacht. Bekannte Ergebnisse über die stabilisierenden Parameter aus den großen Systemen der vorherigen Kapiteln werden hier nochmal für ein isoliertes Räuber-Beute-System bestätigt. Dies erfolgt im ersten Schritt analytisch und zusätzlich mittels der linearen Stabilitätsanalyse. Hier, wie auch in der kommenden räumlichen Untersuchung, kann man durch Wahl bestimmter Parameterbereiche unterschiedliche Szenarien (z.B. "innerhalb der Räuberpopulation herrscht keine Konkurrenz oder für zwei Habitate "die Beute migriert nicht) für die Systeme generieren. Mit dem zweiten Habitat wird die räumliche Komponente hinzugefügt und acht unterschiedliche Konfigurationen auf den Zusammenhang ihrer Parameter mit der Stabilität untersucht. Es zeigt sich, dass die lokalen Parameter weiterhin den größten Einfluss haben und Migration generell den Anteil an stabilen Netzen abnehmen lässt. Eine positive Korrelation der Migrationsintensität mit der Stabilität ist für Parameter, die die Biomassenabnahme beschreiben, möglich. Für ein System mit adaptiver Migration wird am Ende noch eine kurze Analyse der vorliegenden Oszillationen durchgeführt. Es zeigt sich anhand der Eigenvektoren, dass generell synchrone und asynchrone Oszillationen möglich sind, wobei entscheidend der Wert der zugehörigen Eigenwerte ist

HPLC-based activity profiling for GABAA receptor modulators from the traditional Chinese herbal drug Kushen ( Sophora flavescens root)

An EtOAc extract from the roots of Sophora flavescens (Kushen) potentiated γ-aminobutyric acid (GABA)-induced chloride influx in Xenopus oocytes transiently expressing GABAA receptors with subunit composition, α 1 β 2 γ 2S. HPLC-based activity profiling of the extract led to the identification of 8-lavandulyl flavonoids, kushenol I, sophoraflavanone G, (−)-kurarinone, and kuraridine as GABAA receptor modulators. In addition, a series of inactive structurally related flavonoids were characterized. Among these, kushenol Y (4) was identified as a new natural product. The 8-lavandulyl flavonoids are first representatives of a novel scaffold for the targe

A gradient-forming MipZ protein mediating the control of cell division in the magnetotactic bacterium Magnetospirillum gryphiswaldense

Cell division needs to be tightly regulated and closely coordinated with other cellular processes to ensure the generation of fully viable offspring. Here, we investigate division site placement by the cell division regulator MipZ in the alphaproteobacterium Magnetospirillum gryphiswaldense, a species that forms linear chains of magnetosomes to navigate within the geomagnetic field. We show that M. gryphiswaldense contains two MipZ homologs, termed MipZ1 and MipZ2. MipZ2 localizes to the division site, but its absence does not cause any obvious phenotype. MipZ1, by contrast, forms a dynamic bipolar gradient, and its deletion or overproduction cause cell filamentation, suggesting an important role in cell division. The monomeric form of MipZ1 interacts with the chromosome partitioning protein ParB, whereas its ATP-dependent dimeric form shows non-specific DNA-binding activity. Notably, both the dimeric and, to a lesser extent, the monomeric form inhibit FtsZ polymerization in vitro. MipZ1 thus represents a canonical gradient-forming MipZ homolog that critically contributes to the spatiotemporal control of FtsZ ring formation. Collectively, our findings add to the view that the regulatory role of MipZ proteins in cell division is conserved among many alphaproteobacteria. However, their number and biochemical properties may have adapted to the specific needs of the host organism

Tripartite phase separation of two signal effectors with vesicles priming B cell responsiveness.

Antibody-mediated immune responses rely on antigen recognition by the B cell antigen receptor (BCR) and the proper engagement of its intracellular signal effector proteins. Src homology (SH) 2 domain-containing leukocyte protein of 65 kDa (SLP65) is the key scaffold protein mediating BCR signaling. In resting B cells, SLP65 colocalizes with Cbl-interacting protein of 85 kDa (CIN85) in cytoplasmic granules whose formation is not fully understood. Here we show that effective B cell activation requires tripartite phase separation of SLP65, CIN85, and lipid vesicles into droplets via vesicle binding of SLP65 and promiscuous interactions between nine SH3 domains of the trimeric CIN85 and the proline-rich motifs (PRMs) of SLP65. Vesicles are clustered and the dynamical structure of SLP65 persists in the droplet phase in vitro. Our results demonstrate that phase separation driven by concerted transient interactions between scaffold proteins and vesicles is a cellular mechanism to concentrate and organize signal transducers

Gefriertrocknung in der Wirbelschicht : Möglichkeiten und Grenzen für die Anwendung in der Pharmazie

Die Gefriertrocknung in der Wirbelschicht ist ein Verfahren bei dem das Produkt die Eigenschaften von Lyophilisaten aufweist. In der Herstellung können jedoch die Vorteile der Wirbelschichttrocknung genutzt werden. Das Verfahren teilt sich in zwei Verfahrensschritte. Im ersten Schritt wird das flüssige Gut in einer Kältekammer zerstäubt und im freien Fall eingefroren. Im zweiten Schritt wird das gefrorene Gut in einer Wirbelschichtkammer getrocknet. Diese Zweiteilung erweist sich aufgrund unterschiedlicher Anforderungen hinsichtlich der Anlagendimensionierung der beiden Schritte als notwendig. Im Trocknungsschritt ist eine minimale Teilchengröße von etwa 200 μm vorgegeben. Kleinere Teilchen lassen sich aufgrund des hohen Gewichtsverlustes in der Gefriertrocknung im letzten Drittel der Primärtrocknung und in der Sekundärtrocknung nicht mehr mit sinnvollen Luftmengen fluidisieren. Diese nehmen zu kleine Werte an. Eine Erzeugung von Partikeln größer 200 μm erfordern jedoch Fallstrecken über 1 m Länge. Je nach gewünschter Partikelgr öße kann die Kältekammer deutlich größere Dimensionen annehmen, als diese für eine Trocknungskammer notwendig wären. Zur Generation von Tropfengrößen über 200 μm wurden verschiedene Düsensysteme evaluiert. Für die Evaluierung des Verfahrens erwies sich eine Zweistoffdüse als vorteilhaft. Für die Produktion von Partikeln zeigte sich jedoch ein Düsensystem als vorteilhaft, das mit dem Prinzip des zwangszerst örten laminaren Strahlzerfalls Lösungen zerstäubt. Durch letzteres Verfahren kann der bei anderen Düsensystemen auftretende Feinanteil vermieden werden. Aufgrund der hohen Einfriergeschwindigkeiten (mehr als 50 °C/s) ergeben sich ausschließlich amorphe Produkte. Dieses macht das Verfahren geeignet für die Trocknung von Protein und Peptidformulierungen, die besonders in amorphen Matrizes stabilisiert werden können. Es wurden deshalb hinsichtlich der Trocknungstemperaturen von Temperaturen zwischen -40 bis -30 °C

Die Komponenten des mARC-Enzymsystems im N-reduktiven Metabolismus humaner Zellen

Die mitochondriale Amidoxim reduzierende Komponente mARC ist ein erst kürzlich entdecktes Molybdoenzym, das zusammen mit den Elektronentransportproteinen Cytochrom b5 (CYB5) und NADH-Cytochrom b5 Reduktase (CYB5R) in vitro die Redukti-on diverser N hydroxylierter Verbindungen katalysiert. Daher ist allgemein anerkannt, dass das mARC-haltige Enzymsystem für die Aktivierung von N hydroxylierten Amidin- und Guanidin-Prodrugs und für die Entgiftung toxischer Hydroxylamine verantwortlich ist. Alle bisher hierauf analysierten Säugetier-Genome codieren für zwei mARC-Proteine, die eine hohe Sequenzähnlichkeit aufweisen. Mit RNAi Experimenten in humanen Zellen konnten in dieser Arbeit die für den Zellmetabolismus essentiellen Komponenten des N reduktiven Systems identifiziert werden. Dabei wurde erstmals gezeigt, dass beide mARC-Proteine im Zellmetabolismus die Fähigkeit haben N hydroxylierte Substrate zu reduzieren, dass aber das Ausmaß der Beteiligung stark vom Expressionslevel des jeweiligen mARC-Proteins abhängig ist. Des Weiteren wurde das mitochondriale CYB5B als essentielle Komponente identifiziert, während die Beteiligung der mikrosomalen CYB5-Isoform ausgeschlossen werden konnte. CYB5R3 wurde als die für den N reduktiven Metabolismus relevante Reduktase ermittelt. Untersuchungen mit Apo-CYB5B zeigen, dass die N Reduktion strikt vom CYB5-Häm abhängig ist, so dass für CYB5 innerhalb des N reduktiven Systems eine Funktion als Elektronentransportprotein angenommen werden kann. Mittels des etablierten mARC-Knockdowns wurde untersucht, ob die im rekonstitu-ierten System beobachtete Detoxifizierung des mutagenen Nukleobasenanalogons 6 N Hydroxyadenin (HAP) und des Nukleosidanalogons 6 N Hydroxyadenosin (HAPR) durch das mARC-haltige N reduktive Enzymsystem im humanen Zellsystem einen relevanten Entgiftungsweg darstellt. Für HAP wurde eine mARC-abhängige N reduktive Entgiftung in HEK 293 Zellen nachgewiesen. Für HAPR wurde unterdessen gezeigt, dass die Metabolisierung zu Inosin nur in geringem Maße über eine mARC-vermittelt N Reduktion zum Intermediat Adenosin verläuft, sondern primär direkt von der Adenosindesaminase katalysiert wird. Zur Detektion HAP-induzierter Apoptose wurden zwei Assays etabliert. Es zeigte sich, dass mARC2 HeLa Zellen vor den apoptotischen Effekten des Basenanalogons schützen kann, während mARC1 bei der reduktiven Detoxifizierung von HAP in HeLa Zellen scheinbar keine entscheidende Rolle spielt.The mitochondrial Amidoxime Reducing Component mARC is a recently discovered molybdenum containing enzyme. In vitro mARC catalyzes, together with the electron transport proteins cytochrome b5 (CYB5) and NADH-cytochrome b5 reductase (CYB5R), the reduction of various N hydroxylated compounds. Therefore, the mARC-containing enzyme system is considered to be responsible for the activation of amidoxime- and N hydroxylated guanidine-prodrugs and for the detoxification of toxic hydroxylamines. All hitherto analyzed mammalian genomes code for two mARC proteins, which share a high sequence similarity. In this study the essential components of the N reductive system in cell metabolism were identified by RNAi experiments in human cells. Thereby, it could be demonstrated for the first time that both mARC proteins are capable of reducing N hydroxylated substrates in cell metabolism. However, the extent of their involvement is highly dependent on the expression level of the particular protein. Furthermore, the mitochondrial isoform of CYB5 (CYB5B) was clearly identified as an essential component, whereas the involvement of the microsomal isoform (CYB5A) could be excluded. CYB5R3 was determined to be the relevant reductase for N reductive metabolism. Using apo-CYB5B N reductive catalysis was proven to strictly depend on CYB5-heme. Therefore, it can be assumed that CYB5B functions as an electron transport protein within the N reductive system. By applying the established mARC-knockdown it was tested whether the mARC-containing N reductive enzyme system could play a significant role in detoxification of the mutagenic nucleobase analog 6 N hydroxyadenine (HAP) and the nucleoside analog 6 N hydroxyadenosine (HAPR) in human cell metabolism. The mARC-dependent N reductive conversion of HAP in HEK 293 could be demonstrated. For HAPR, on the other hand, it was shown that its metabolism to inosine is only to a small extent mARC-mediated via the N reduction to adenosine as an intermediate. In fact, a direct dehydroxylamination of HAPR is catalyzed by adenosine deaminase. Two assays were established for the detection of HAP-induced apoptosis. Using these assays mARC2 was shown to protect HeLa cells against the apoptotic effects of the base analog, whereas the involvement of mARC1 in reductive detoxification of HAP does not seem to be pivotal