Genome reorganization in different cancer types: detection of cancer specific breakpoint regions

Background: Tumorigenesis is a multi-step process which is accompanied by substantial changes in genome organization. The development of these changes is not only a random process, but rather comprise specific DNA regions that are prone to the reorganization process. Results: We have analyzed previously published SNP arrays from three different cancer types (pancreatic adenocarcinoma, breast cancer and metastatic melanoma) and from non-malignant control samples. We calculated segmental copy number variations as well as breakpoint regions. Some of these regions were not randomly involved in genome reorganization since we detected fifteen of them in at least 20% of all tumor samples and one region on chromosome 9 where 43% of tumors have a breakpoint. Further, the top-15 breakpoint regions show an association to known fragile sites. The relevance of these common breakpoint regions was further confirmed by analyzing SNP arrays from 917 cancer cell lines. Conclusion: Our analyses suggest that genome reorganization is common in tumorigenesis and that some breakpoint regions can be found across all cancer types, while others exclusively occur in specific entities

Einfluss von Kopienzahlvariationen auf die Tumorentwicklung

Tumorentstehung ist ein Prozess, bei dem die Abläufe innerhalb der Zelle schrittweise verändert werden. Die vielfältigen Interaktionen bei der Tumorentstehung sind jedoch bislang nicht vollständig erforscht. Bisher wurden vorwiegend Genexpressionsanalysen genutzt, die jedoch nur eine Zeitaufnahme aller Genexpressionen innerhalb der Zelle darstellen und somit allein nicht ausreichend zur Charakterisierung eines Tumors. Wir haben mithilfe von Affymetrix Mouse Diversity Genotyping Microarrays Mausbrustdrüsengewebe entsprechend unserem Dreistufen-Mausmodell analysiert und die Kopienzahländerungen berechnet. Wir fanden eine zunehmende stufenweise Änderung von den transgenen zu den Tumorproben. Die Berechnung von chromosomalen Segmenten mit gleicher Kopienzahl zeigte deutliche Fragmentmuster. Unsere Analysen zeigen, dass die Tumorentstehung ein schrittweiser Prozess ist, der sowohl durch Amplifikationen als auch Deletionen chromosomaler Abschnitte definiert ist. Wir fanden charakteristisch konservierte Fragmentierungsmuster und individuelle Unterschiede welche zur Tumorgenese beitragen

Struktur und Funktion des LHC-II : röntgenkristallographische Strukturaufklärung und funktionelle Charakterisierung der drei Isoformen

Die bei der Photosynthese verwendete Lichtenergie wird zu einem großen Anteil von Lichtsammlersystemen bereitgestellt. In der pflanzlichen Photosynthese wird unterschieden zwischen Lichtsammlersytem I (light harvesting complex I, LHC-I), assoziiert mit Photosystem I (PS-I) und Lichtsammlersystem II (light harvesting complex II, LHC-II), assoziiert mit Photosystem II (PS-II). LHC-II ist der häufigste Protein-Pigment Komplex der Chloroplasten und bindet bis zu 50% aller Chlorophylle in der Thylakoidmembran. Der Protein-Pigment Komplex LHC-II hat vier, teils miteinander verwandte Funktionen in der Photosynthese. I) Die Sammlung und Weiterleitung von Lichtenergie, II) Stabilisierung der Granastapel, III) Ausgleich der Anregungsenergie von PS-I und PS-II, IV) Schutz der Photosynthese vor Überanregung mittels nichtphotochemischer Eliminierung von Anregungsenergie (NPQ). In der Pflanze bildet LHC-II Trimere in verschiedenen Kombinationen dreier Isoformen (Lhcb1, Lhcb2 und Lhcb3), wobei Lhcb1 mit 70-90% den Hauptteil des LHC-II stellt. Jedes Monomer bindet 8 verschiedene Co-Faktoren in unterschiedlichen Mengen, die ca. 30% seiner Masse ausmachen. Die drei Isoformen des LHC-II sind in allen Pflanzen stark konserviert. Die funktionelle Bedeutung der Isoformen ist jedoch weitestgehend unklar. Dies liegt vor allem an der schwierigen Isolierung reiner Isoformen aus Pflanzenmaterial. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden deshalb alle drei Isoformen rekombinant hergestellt und mit getrennt isolierten Lipiden und photosynthetischen Pigmenten in ihre native Form gefaltet. Die anschließende biochemische und spektroskopische Charakterisierung zeigte einen hohen Grad an Homologie zwischen den drei Isoformen, wobei Lhcb3 die größten Unterschiede aufwies (Standfuss und Kühlbrandt 2004). Die wahrscheinlichsten Funktionen für Lhcb1 und Lhcb2 ist die Anpassung der Photosynthese an variierende Lichtbedingungen. LHC-II Heterotrimere mit Lhcb3 Anteil könnten an der Weiterleitung von Lichtenergie von der Haupt Lhcb1/Lhcb2 Antenne zum PS-II Reaktionszentrum beteiligt sein. Für die Erforschung des LHC-II war das mittels Cryo-Elektronenmikroskopie an 2D Kristallen erstellte atomare Modell des Komplexes von enormer Bedeutung. Ein tiefes Verständnis der Funktionen des LHC-II benötigt jedoch eine Struktur von höherer Auflösung, welche mit 2D Kristallen nur schwer zu erreichen ist. Im Verlauf der Arbeit wurden deshalb mehr als 100000 3D Kristallisationsexperimente durchgeführt, wodurch die Kristallisation von aus Erbsenblättern isoliertem und in vitro gefaltetem LHC-II gelang. Die 3D Kristalle aus nativem Material zeigten einen für die röntgenkristallographische Strukturaufklärung ausreichenden Ordnungsgrad und führten zu einer Struktur des LHC-II bei 2.5 Å Auflösung (Standfuss et al., eingereicht). Die Struktur zeigt 223 der 232 Aminosäuren und die Position und Orientierung von 4 Carotinoiden (2 Luteine, 1 Neoxanthin und 1 Violaxanthin), 14 Chlorophyllen (8 Chl a und 6 Chl b) und zwei Lipiden (PG und DGDG) pro Monomer. Diese Informationen sind essentiell für das Verständnis des Energietransfers innerhalb des LHC-II und zu den Photoreaktionszentren und sollten zusammen mit der großen Anzahl von spektroskopischen Untersuchungen eine zukünftige detaillierte Modellierung dieser ultraschnellen und extrem effizienten Energietransfer Prozesse ermöglichen. Auf Basis der Ladungsverteilung der stromalen Seite des Komplexes konnte ein Modell für die Beteiligung des LHC-II an der Stapelung von Grana in Chloroplasten erstellt werden. Dieses liefert außerdem eine plausible Erklärung für den mittels Phosphorylierung des N-Terminus gesteuerten Ausgleich von Anregungsenergie zwischen PS-I und PS-II. Die 2.5 Å Struktur des LHC-II zeigt schließlich einen einfachen aber effektiven Mechanismus zur Optimierung und Schutz des Photosyntheseapparates mittels NPQ. Dieser benötigt keine Strukturänderungen des LHC-II oder der restlichen Lichtsammelantenne und beruht auf der reversiblen Bindung der Xanthophylle Violaxanthin und Zeaxanthin an LHC-II. Diese Arbeit liefert damit Beiträge zu allen Funktionen des LHC-II Komplexes und hilft damit grundlegende Regulationsmechanismen und die Bereitstellung von solarer Energie für die pflanzliche Photosynthese zu verstehen.Light energy for photosynthesis is mainly collected by light harvesting systems. In plant photosynthesis these are the light-harvesting-complex I (LHC-I) and the light-harvesting-complex II (LHC-II) associated with photosystems (PS) I and II, respectively. LHC-II is the most abundant pigment-protein complex in plant chloroplasts and binds about 50% of all chlorophyll in the thylakoid membrane. The protein-pigment complex LHC-II has four distinct but related roles in plant photosynthesis. I) Optimal positioning of pigment molecules for light harvesting and transfer of excitation energy to the reaction centers. II) Separating different parts of the photosynthetic apparatus by maintaining and stabilizing thylakoid grana. III) Balancing of excitation energy flow to the reaction centers of PS-I and PS-II through a mechanism regulated by phosphorylation of the LHC-II N-terminus, IV) Prevention of photosystem overexcitation through a process called non-photochemical quenching (NPQ). LHC-II forms trimers in different combinations of three isoforms (Lhcb1, Lhcb2 and Lhcb3), of which Lhcb1 with 70-90% is the most abundant. Each monomer binds 8 different kinds of co-factors accounting for about 30% of its mass. The LHC-II isoforms are highly conserved among different species and therefore they are expected to have distinct functional roles. So far, studies of the LHC-II complex have been carried out either with LHC-II preparations isolated from plants containing all isoforms or with recombinant Lhcb1 produced in vitro from its components. A detailed understanding of the functional implications of LHC-II heterogeneity, however, depends on the availability of pure LHC-II isoforms in the amounts necessary for spectroscopic and biochemical investigations. In the first part of this thesis, all three LHC-II isoforms were produced by in vitro folding of functional complexes from bacterially expressed polypeptide, pigments and lipids. On these complexes a biochemical and spectroscopic characterization has been performed (Standfuss and Kühlbrandt 2004). Our results indicate a high degree of similarity between all isoforms. However Lhcb3 shows significant differences with respect to pigment organization, trimer formation and spectroscopic properties. It can be concluded that the main role of Lhcb1 and Lhcb2 is in the adaptation of photosynthesis to different light regimes. The most likely role of Lhcb3 is that Lhcb3-containing LHC-II trimers function as intermediaries in excitation energy transfer from the main Lhcb1/Lhcb2 antenna to the PS-II core. Electron microscopy (EM) and electron diffraction of two-dimensional (2D) crystals yielded the first atomic model of LHC-II, revealing the position of 12 chlorophylls and two carotenoids and thus providing crucial information for our present understanding of the complex. A full understanding of the LHC-II functions requires a structure at higher resolution, for which the 2D membrane crystals were not sufficiently well ordered. Therefore more then 100000 crystallization experiments were performed resulting in 3D crystals of native LHC-II isolated from pea seedlings and LHC-II folded in vitro from inclusion bodies and pigments. Crystals obtained from the native complex were sufficiently well ordered for x-ray crystallography and resulted in a LHC-II structure at 2.5 Å resolution (Standfuss et al., submitted). The structure shows 223 of the 232 aminoacids and the position and orientation of 4 carotenoids (2 luteins, 1 neoxanthin and 1 violaxanthin), 14 chlorophylls (8 Chl a and 6 Chl b) and two lipids (PG and DGDG) per monomer. In combination with available spectroscopic data this information will allow a detailed understanding of the ultrafast and extremely efficient energy transfer inside LHC-II and from the complex to the photosystems. Based on the charge distribution on the stromal side of LHC-II a model for grana membrane appression could be proposed. This model furthermore explains how phosphorylation of the LHC-II N-terminus can control the distribution of excitation energy between PS-II and PS-I. Finally the structure suggests an easy but effective mechanism for optimizing and protecting the photosynthetic apparatus via non-photochemical quenching (NPQ). This NPQ mechanism does not involve structural changes of LHC-II nor the remaining Light-harvesting antennae and is based on the reversible binding of the xanthophylls violaxanthin and zeaxanthin to the LHC-II complex. This thesis therefore contributes significantly to our knowledge of all known functions of LHC-II and helps to understand fundamental regulation mechanisms and the supply of solar energy for plant photosynthesis

SNP microarray analyses reveal copy number alterations and progressive genome reorganization during tumor development in SVT/t driven mice breast cancer

BACKGROUND: Tumor development is known to be a stepwise process involving dynamic changes that affect cellular integrity and cellular behavior. This complex interaction between genomic organization and gene, as well as protein expression is not yet fully understood. Tumor characterization by gene expression analyses is not sufficient, since expression levels are only available as a snapshot of the cell status. So far, research has mainly focused on gene expression profiling or alterations in oncogenes, even though DNA microarray platforms would allow for high-throughput analyses of copy number alterations (CNAs). METHODS: We analyzed DNA from mouse mammary gland epithelial cells using the Affymetrix Mouse Diversity Genotyping array (MOUSEDIVm520650) and calculated the CNAs. Segmental copy number alterations were computed based on the probeset CNAs using the circular binary segmentation algorithm. Motif search was performed in breakpoint regions (inter-segment regions) with the MEME suite to identify common motif sequences. RESULTS: Here we present a four stage mouse model addressing copy number alterations in tumorigenesis. No considerable changes in CNA were identified for non-transgenic mice, but a stepwise increase in CNA was found during tumor development. The segmental copy number alteration revealed informative chromosomal fragmentation patterns. In inter-segment regions (hypothetical breakpoint sides) unique motifs were found. CONCLUSIONS: Our analyses suggest genome reorganization as a stepwise process that involves amplifications and deletions of chromosomal regions. We conclude from distinctive fragmentation patterns that conserved as well as individual breakpoints exist which promote tumorigenesis

Leistungsbewertung im Air Traffic Management: Methodik, Analyse und Evaluation

Flugsicherungsdienstleistungen ermöglichen die effiziente und konfliktfreie Durchführung von Flügen und sind damit ein Grundpfeiler des Luftverkehrssystems. Wachsende Verkehrszahlen sowie steigender Kostendruck erfordern innovative Maßnahmen zur operativen Verbesserung des Luftverkehrsmanagements (Air Traffic Management, ATM). Auch kurzfristige und unvorhersehbare Schwankungen, wie bspw. durch politische Krisen oder Pandemien, stellen die Flugsicherungs-unternehmen (Air Navigation Service Provider, ANSPs) zunehmend vor große Herausforderungen. Infolgedessen wird der Bewertung der Leistungsfähigkeit von ANSPs sowie der Identifikation valider Maßnahmen zur Steigerung der Performance eine hohe Bedeutung zugemessen. Die Dissertation adressiert daher drei wesentliche Forschungsfragen: 1. Wie kann die Leistungsfähigkeit von Flugsicherungsdienstleistern gemessen werden? 2. Welche endogenen und exogenen Faktoren haben einen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der ANSPs? 3. Welche Maßnahmen und Handlungsempfehlungen sind abzuleiten, um die Effizienz der Flugsicherungsdienstleister zu steigern? Gemäß der ersten Forschungsfrage war es zunächst notwendig, eine geeignete Metrik für die Messung der Leistungsfähigkeit zu identifizieren. Die Ergebnisse von Vorabstudien zeigten, dass innerhalb Europas eine hohe Heterogenität hinsichtlich der verwendeten Systeme und Verfahren besteht. Die daraus folgende Komplexität hatte einen Einfluss auf die ökonomische Modellierung eines ANSPs. Je nach Betriebsebene (ANSP, Kontrollzentralen, Sektoren, etc.) waren zudem Anpassungen dieses Modells notwendig. Eine zentrale Aufgabe innerhalb der Dissertation bestand in der Überführung des ökonomischen Modells in eine geeignete Benchmarking-Methode zur Messung der Performance. Die verwendete Methodik hängt maßgeblich vom Analyseziel, der Modellierung, der betrieblichen Ebene und den verfügbaren Daten (z. B. hinsichtlich Quantität und Qualität) ab. Gemäß der ökonomischen Modellierung setzen Effizienzanalysen im Luftverkehrsmanagement eine Methodik voraus, welche multiple Inputs und Outputs berücksichtigen kann. Innerhalb der Dissertation wurde für die Bewertung der Leistungsfähigkeit die Data Envelopment Analysis (DEA) fokussiert, wenngleich verschiedene Methoden angewendet und die erzielten Ergebnisse verglichen wurden. Auf Basis einer intensiven Datenanalyse konnte nachgewiesen werden, dass die DEA zu suffizienten Ergebnissen führt. Sonderformen dieser Methodik führen dagegen weder zu erweiterten Erkenntnissen noch zu einer erhöhten Plausibilität. Unter der Nutzung von Paneldaten wurde zudem untersucht, wie sich die Leistungsfähigkeit im Zeitablauf geändert hat. Diese multiperiodischen Betrachtungen ermöglichten die Analyse des Einflusses signifikanter globaler und lokaler Ereignisse auf die Performance innerhalb des europäischen ATMs sowie einzelner ANSPs. Die zweite Forschungsfrage setzte sich mit den grundlegenden Einflussfaktoren auf die Performance auseinander. Dabei waren zwei wesentliche Elemente zu unterscheiden. Zum einen endogene Effekte, die in den operativen Charakteristiken der ANSPs begründet sind. Dies umfasst sowohl die Zusammenwirkung der betrieblichen Ebenen innerhalb eines ANSPs, als auch die ANSP-übergreifende Heterogenität. Zum anderen wurden exogene Faktoren berücksichtigt, welche nicht durch die Flugsicherungsdienstleister beeinflusst werden können. Für die Ursachenanalyse wurde eine Vielzahl (potentieller) Einflussfaktoren untersucht, welche auf Basis von Expertenbefragungen identifiziert wurden. Der Einfluss dieser Faktoren wurde mittels qualitativer und quantitativer Methoden getestet. Bei den quantitativen Analysen fanden mehrere Methoden Anwendung, u. a. basierend auf Querschnittsdaten (OLS-, Tobit- und Trunkated-Regressionen) oder Paneldaten (insbesondere Fixed- und Random-Effects Modelle). Die Koeffizienten und statistischen Signifikanzen unterschieden sich primär aufgrund des Benchmarking-Modells. Innerhalb eines Modells wichen die Koeffizienten zwischen den einzelnen Regressionsansätzen nur in geringem Ausmaß ab, wodurch eine Robustheit nachgewiesen werden konnte. Als ein wesentlicher Einfluss auf die Performance wurde die Struktur des Luftraumes identifiziert. Dabei wurde insbesondere untersucht, ob im europäischen ATM Größenvorteile existieren und welche betrieblichen Vorteile eine dynamische Sektorisierung bietet. Des Weiteren konnte nachgewiesen werden, dass v. a. die Volatilität des Verkehrs einen hohen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit hat. Auch die Auswirkungen von Prognosequalität und Systemunterschieden (USA vs. Europa) wurden in der Dissertation adressiert. Basierend auf den Erkenntnissen der ersten beiden Forschungsschwerpunkte wurden Handlungsempfehlungen, sowohl hinsichtlich der methodischen Umsetzung einer Leistungsbewertung, als auch zur Steigerung der Leistungsfähigkeit einzelner Unternehmen abgeleitet. Diese Handlungs-empfehlungen wurden zudem nach betrieblichen und institutionellen Maßnahmen differenziert. Die Empfehlungen umfassen insbesondere eine paneuropäisch standardisierte Erfassung von Daten, die Verbesserung einiger, von EUROCONTROL verwendeter Metriken, die Auswahl geeigneter Ressourcen und Leistungen für das Benchmarking-Modell sowie methodische Präferenzen bei den einzelnen Analyseschritten. Des Weiteren wurde ein Ausblick auf potentielle, zukünftige Forschungsschwerpunkte gegeben, wie bspw. die Schaffung eines Level-of-Service-Konzepts und die Ableitung dafür notwendiger Ressourcen-Puffer. Durch die gewonnenen Erkenntnisse liefert die Dissertation einen wesentlichen Beitrag, das zukünftige Luftverkehrsmanagement effizienter zu gestalten

Der Nacktmull als ein Modellorganismus für Krebsresistenz - Bioinformatische Analysen

Bei Nacktmullen wurde bisher Tumorentstehung nicht beobachtet. Zur Untersuchung der molekularen Ursachen dient der Nacktmull daher als ein wertvoller Modellorganismus für Krebsresistenz. Ziel dieser Arbeit war eine weiterführende Analyse des kürzlich publizierten Genoms des Nacktmulls. Eine Genvorhersage konnte auf Grundlage der vorhandenden Genom- und Transkriptomdaten durchgeführt und ein hypothetisches Netzwerk der Interaktionen der tumorinduzierenden Faktoren erstellt werden. Dieses Netzwerk basiert auf den Tumorsuppressor-Regulationswegen p53 und RB im Menschen. Die Genom- und Transkriptom-Daten des Nacktmulls weisen deutliche Unterschiede zu den Befunden im Menschen auf. Dieser Befund könnte ein erster Anhaltspunkt für die Aufklärung der molekularen Ursachen der Krebsresistenz von Nacktmullen sein

Cellular senescence predicts treatment outcome in metastasised colorectal cancer

Background: Cellular senescence is a terminal cell-cycle arrest that occurs in response to activated oncogenes and DNA-damaging chemotherapy. Whether cancer cell senescence at diagnosis might be predictive for treatment outcome is unknown. Methods: A senescence index (SI) was developed and used to retrospectively correlate the treatment outcome of 30 UICC stage IV colorectal cancer (CRC) patients with their SI at diagnosis. Results: 5-Fluorouracil/leucovorin-treated CRC patients achieved a significantly longer progression-free survival when presenting with SI-positive tumours before therapy (median 12.0 vs 6.0 months; P=0.044). Conclusion: Cancer cell senescence predicts treatment outcome in metastasised CRC. Prospective analyses of larger patient cohorts are needed

Stability characterization of the response of white storks foraging behavior to vegetation dynamics retrieved from Landsat time series

Agricultural activities cause rapid changes in vegetation development at local and regional scales. Those modifications affect the small-scale behavior of animals, like the foraging ground usage of breeding white storks. Only recently, a novel approach, that enables to quantify the relationship between mowing and harvesting activities and a prolonged foraging time of storks by combining remote sensing time series with GPS telemetry, has been proposed. This study examines the stability of this approach. We investigate two potential influencing factors: different vegetation indices and time lags over which vegetation dynamics were retrieved. Mostly independent from the vegetation index and time lag, we observed that storks spent large proportions of foraging time in areas characterized by a recent drop in vegetation indices, indicative for a preferred usage after harvesting and mowing events. This suggest that the proposed approach is relatively stable and hence, provides a reasonable basis to investigate the effects of anthropogenic vegetation alterations on animal behavior at small spatiotemporal scales

Laser Multi-Pass Narrow-Gap Welding – A Promising Technology for Joining Thick-Walled Components of Future Power Plants

Today, the average worldwide efficiency of coal-fired power plants stands at about 33 percent. The consistent use of state of the art technologies would enable an increase of the average efficiency of up to 47 percent and thus a sharp reduction of greenhouse gas emissions. The importance of improvements in this field becomes apparent when reviewing e.g. plans in Europe in 2017 for new power plants to be built across the continent. About 44 percent of the envisaged 153 gigawatts are still to be generated by fossil-fuel power plants [1]. One technical solution is to increase the steam turbine inlet temperature to 700°C. This, however, requires the use of nickel-based superalloys. Only these alloys satisfy all the requirements with regard to high-temperature, corrosion and oxidation resistance and creep behavior [2], [3]. Due to their relatively poor machinability, forgeability and high material costs compared to the steel-based alloys they are to replace, a more effective welding technology is needed to overcome the disadvantages of conventional welding technologies, i.e. large quantities of filler metal required and high energy input per unit length resulting in distortion and the potential reduction of high-temperature properties