Photosynthesis is widely distributed among Proteobacteria as demonstrated by the phylogeny of PufLM reaction center proteins

Two different photosystems for performing bacteriochlorophyll-mediated photosynthetic energy conversion are employed in different bacterial phyla. Those bacteria employing a photosystem II type of photosynthetic apparatus include the phototrophic purple bacteria (Proteobacteria), Gemmatimonas and Chloroflexus with their photosynthetic relatives. The proteins of the photosynthetic reaction center PufL and PufM are essential components and are common to all bacteria with a type-II photosynthetic apparatus, including the anaerobic as well as the aerobic phototrophic Proteobacteria. Therefore, PufL and PufM proteins and their genes are perfect tools to evaluate the phylogeny of the photosynthetic apparatus and to study the diversity of the bacteria employing this photosystem in nature. Almost complete pufLM gene sequences and the derived protein sequences from 152 type strains and 45 additional strains of phototrophic Proteobacteria employing photosystem II were compared. The results give interesting and comprehensive insights into the phylogeny of the photosynthetic apparatus and clearly define Chromatiales, Rhodobacterales, Sphingomonadales as major groups distinct from other Alphaproteobacteria, from Betaproteobacteria and from Caulobacterales (Brevundimonas subvibrioides). A special relationship exists between the PufLM sequences of those bacteria employing bacteriochlorophyll b instead of bacteriochlorophyll a. A clear phylogenetic association of aerobic phototrophic purple bacteria to anaerobic purple bacteria according to their PufLM sequences is demonstrated indicating multiple evolutionary lines from anaerobic to aerobic phototrophic purple bacteria. The impact of pufLM gene sequences for studies on the environmental diversity of phototrophic bacteria is discussed and the possibility of their identification on the species level in environmental samples is pointed out. © 2018 Imhoff, Rahn, Künzel and Neulinger

Studying the binding of phosphorylated peptides to proteins by molecular dynamics simulations

The knowledge about protein-protein interactions is rising steadily. Protein domains and signaling proteins in particular are becoming increasingly important in the search for new drugs to combat many diseases, as they are commonly found in central positions in protein interaction cascades. They often form complexes with specific types of peptides which is why it is interesting to study the interaction properties as well as the way in which the binding can be influenced. For the investigation of such complexes, computational methods can be used to get a deeper understanding of the mechanistical binding properties. In this thesis, I present our approaches on understanding the interactions of 14-3-3 proteins and PDZ domains with flexible peptides, intrinsically disordered regions of the partner proteins. Thereby, the main focus is on the influence of phosphorylation of serine residues in the peptides and how this effects the binding. Thus, I illustrate the results of various plain molecular dynamics simulations to study the mechanistic details of the interactions. Furthermore, the results of alchemical simulations for the calculation of relative binding free energies and parallel cascade selection molecular dynamics (PaCS-MD) simulations for the calculation of absolute binding free energies are outlined. Finally, I present a project where we studied the competitive binding between a peptide and an inhibitor to the same binding pocket of a PDZ domain using PaCSMD simulations.Das Wissen über Protein-Protein-Wechselwirkungen nimmt stetig zu. Besonders Proteindomänen sowie Signalproteine gewinnen bei der Suche nach neuen Medikamenten zur Bekämpfung diverser Krankheiten zunehmend an Bedeutung, da sie häufig im Zentrum von Proteinwechselwirkungskaskaden stehen. Da diese oft Komplexe mit bestimmten Peptiden bilden, ist es interessant, Interaktionseigenschaften und Möglichkeiten zur Beeinflussung der Bindung zu untersuchen. Dabei können computergestützte Methoden eingesetzt werden, um ein tieferes Verständnis der mechanistischen Bindungseigenschaften zu erlangen. In dieser Arbeit stelle ich unsere Ansätze zum Verständnis der Wechselwirkungen von 14-3-3-Proteinen und PDZ-Domänen mit flexiblen Peptiden vor. Hierbei haben wir vor allem den Einfluss der Phosphorylierung von Serinresten in den Peptiden auf die Bindungen untersucht. Es werden die Ergebnisse verschiedener Molekulardynamik (MD)-Simulationen vorgestellt, in denen die mechanistischen Details der Wechselwirkungen untersucht wurden. Weiterhin werden die Ergebnisse alchemistischer Simulationen zur Berechnung relativer und sogenannter “parallel cascade selection molecular dynamics” (PaCS-MD) Simulationen zur Berechnung absoluter freier Bindungsenergien dargestellt. Schließlich stelle ich ein Projekt vor, in dem wir die kompetitive Bindung zwischen einem Peptid und einem Inhibitor an dieselbe Bindungstasche einer PDZ-Domäne mit Hilfe von PaCS-MD-Simulationen untersucht haben.Deutsche Forschungsgemeinschaft - Projekt: How posttranslational modifications and alternative splicing affect protein-peptide interaction

Bone ash data in the context of phosphorus and phytase evaluation in poultry

Phosphorus (P) is an essential element that is crucial for various metabolic processes in the body of animals and humans. To keep the animals healthy and to obtain food products rich in nutrients, an adequate P supply is indispensable. Plant feedstuffs, the main components of poultry diets, contain P in a form that is only partially available to poultry. For this reason, poultry diets are often supplemented with mineral P. However, global rock phosphate reserves, where mineral P is mined from, are limited. Additionally, excessive P supply should also be avoided because of the environmental impact of P accumulation in the soil. Consequently, P supply not exceeding the requirements of poultry is essential to ensure animal wellbeing and to protect the environment. In order to feed diets with adequate concentrations of P, it is necessary to have suitable approaches for the determination of available P in the animal. The availability of P varies widely between feed components and it is also influenced by feed supplements and other factors. Bone ash analysis is an often-used tool to evaluate the relative bioavailability of P since a high amount of P is stored in the bones. A standard assay for bone ash analyses has never been agreed on. Therefore, many different approaches are described in the literature with an unknown impact on the results of P bioavailability studies. The main objective of the present thesis was to examine the suitability of bone ash data for the evaluation of available P in poultry with emphasis on methodological aspects. Therefore, different studies with broiler chickens and Japanese quail were conducted. The experiments comprised various aspects related to P availability in poultry. The effect of feed supplements in the form of phytase products, myo-inositol and a coccidiostat were evaluated. Furthermore, quantitative genetic analyses were performed. All experiments had in common that tibiotarsus (tibia) or foot ash data or both were used for the examination of the relative bioavailability of P. Based on the data that accrued during the studies described in the four manuscripts of this thesis, comprehensive methodological analyses were performed. The tibia and foot were compared regarding their appropriateness as a trait for the evaluation of the relative bioavailability of P by using bone ash data. The relationship between the two traits was investigated, as well as the relationship between foot or tibia ash and quantitative P measurements. Additionally, P concentration in the ash of both bone fractions was analysed and compared. Results indicated only minor differences between tibia and foot ash data. No clear preference for one of them could be deduced from the data. The left and right feet of broiler chickens were compared in terms of both ash concentration and total ash amount. Significant differences between the two feet of the same animal were detected for both traits. Consequently, not only the choice of the bone fraction but also of the body side should be considered when sampling for bone ash data. Ash data are mostly expressed as a concentration of the dry matter content of the bone. Also possible is the use of the absolute ash amount. The relationship of both ways of expression with traits of quantitative P measurements was analysed by using correlation coefficients and regression analyses. Results showed that the absolute ash amount was at least as suitable as ash concentration but has the advantage that it is easier to determine. Possible selection procedures for animals for bone ash analyses were simulated with data from two of the experiments. Often it is not possible to use all animals involved in an experiment for bone ash analyses. Therefore, the influence of sampling frequency and selection method on the outcome of P availability studies was evaluated. Results indicated that the number and selection method of animals for bone ash data might influence the results. However, it was not possible to recommend a specific selection method based on the obtained results. Estimates of heritability and genetic correlations showed the suitability of bone ash data as a proxy trait for P efficiency breeding of poultry. The absolute amount of bone ash data appeared to be most promising for this purpose. Bone ash data are a very useful and easy to determine trait to estimate the relative bioavailability of P. However, investigations performed in this thesis showed the importance of a careful selection of methods. A standardised assay would be helpful to obtain meaningful and more comparable estimates of relative P bioavailability.Phosphor (P) ist für Tiere und Menschen ein essenzielles Element, das für zahlreiche Stoffwechselvorgänge im Körper benötigt wird. Eine ausreichende Versorgung mit P ist unabdingbar, um Tiere gesund zu erhalten und um nährstoffreiche Lebensmittel zu erzeugen. Der Hauptbestandteil von Geflügelrationen sind pflanzliche Futtermittel. Diese enthalten P in einer Form, die nur teilweise für Geflügel nutzbar ist. Deshalb werden Geflügelrationen meist mit mineralischem P ergänzt. Dieser mineralische P wird aus Gesteinsphosphaten gewonnen, deren global vorhandene Ressourcen begrenzt sind. Zusätzlich ist auch eine übermäßige Versorgung der Tiere mit P zu vermeiden, da große Mengen an P-Ausscheidungen negative Auswirkungen auf die Umwelt durch die Anreicherung im Boden haben. Daher ist eine Versorgung der Tiere nahe an ihrem Bedarf notwendig, um ihre Gesundheit und die Umwelt zu schützen. Für eine Fütterung der Tiere nahe an ihrem P-Bedarf ist es notwendig, geeignete Verfahren für die Bestimmung des im Tier verfügbaren P anwenden zu können. Der Anteil an verfügbarem P variiert stark zwischen verschiedenen Futterbestandteilen und wird von Futterzusätzen und anderen Faktoren beeinflusst. Eine weit verbreitete Möglichkeit hierfür ist die Ermittlung der relativen Bioverfügbarkeit von P anhand von Knochenasche-Daten. Ermöglicht wird dieses Verfahren durch die große Menge an P, die in den Knochen eingelagert ist. Für die Verwendung von Knochenasche gibt es allerdings kein standardisiertes Vorgehen, was dazu führt, dass viele verschiedene Methoden in der Literatur beschrieben sind. Der Einfluss von verschiedenen Vorgehensweisen auf die Ergebnisse der Arbeiten, die die relative Bioverfügbarkeit von P untersuchen, ist unbekannt. Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit war es, die Eignung von Knochenasche-Daten für die Ermittlung des verfügbaren P bei Geflügel zu überprüfen. Der Schwerpunkt lag dabei auf methodischen Gesichtspunkten. Für diesen Zweck wurden verschiedene Versuche mit Broilern und Japanischen Wachteln durchgeführt. Diese beinhalteten verschiedene Aspekte der Verfügbarkeit von P bei Geflügel. Analysiert wurden die Auswirkungen von verschiedenen Futterzusätzen wie Phytasen, myo-Inositol und einem Kokzidiostatikum. Außerdem wurde eine quantitative genetische Auswertung durchgeführt. Die Gemeinsamkeit aller Versuche bestand darin, dass Tibiotarsus- (Tibia) oder Fußasche oder die Asche beider Knochenfraktionen für die Bestimmung der relativen Bioverfügbarkeit von P verwendet wurden. Anhand der Daten, die in den vier Manuskripten dieser Dissertation beschrieben wurden, wurden umfassende methodische Auswertungen durchgeführt. Die beiden Knochenasche-Fraktionen Tibia und Fuß wurden im Hinblick auf ihre Eignung als Merkmal für die Beurteilung der relativen P-Bioverfügbarkeit verglichen. Dabei wurde die Beziehung der beiden Knochenasche-Fraktionen zueinander ebenso betrachtet wie ihre Beziehung zu Merkmalen der quantitativen P-Bewertung. Auch der P-Gehalt in der Asche des jeweiligen Knochenfraktion wurde analysiert und verglichen. Dabei zeigte sich, dass Tibia und Fuß sich in allen untersuchten Aspekten sehr ähnlich verhielten. Eine Entscheidung zwischen der Verwendung von Tibia- und Fußasche kann nach aktuellem Kenntnisstand anhand der bevorzugten Probenahme getroffen werden. Der rechte und linke Fuß von Broilern wurden sowohl im Hinblick auf ihre Aschekonzentration als auch auf die absolute Aschemenge verglichen. Dabei konnten für beide Merkmale signifikante Unterschiede zwischen den beiden Füßen desselben Tieres festgestellt werden. Somit sollte nicht nur die Wahl des Körperteils, sondern auch die der Körperseite bei der Gewinnung von Probenmaterial für Aschedaten berücksichtigt werden. In der Literatur werden Aschedaten meist als Konzentration in Bezug auf die Trockenmasse der Tibia oder des Fußes angegeben. Es ist jedoch auch die Verwendung der absoluten Aschemenge möglich. Das Verhältnis der beiden Varianten mit Merkmalen der quantitativen P-Bewertung wurde mit Hilfe von Korrelationskoeffizienten und Regressionsanalysen verglichen. Dabei zeigte sich, dass die absolute Aschemenge mindestens ebenso gut geeignet ist wie die Aschekonzentration, jedoch den Vorteil der einfacheren Bestimmung hat. Anhand der Daten aus zwei der beschriebenen Versuche wurden mögliche Auswahlverfahren von Tieren für Knochenasche-Analysen simuliert. Häufig ist es nicht möglich, alle Tiere, die an einem Versuch beteiligt sind, für die Analyse von Knochenasche zu verwenden. Daher sollte der Einfluss von Anzahl und Auswahlverfahren der Tiere auf das Ergebnis von Versuchen, die die Bewertung von verfügbarem P als Ziel haben, ausgewertet werden. Die Ergebnisse zeigten, dass die Anzahl und Auswahlmethode der Tiere die Ergebnisse dieser Versuche beeinflussen können. Es war anhand der Daten jedoch nicht möglich, ein spezifisches Auswahlverfahren zu empfehlen. Die Berechnung von Heritabilitäten und genetischen Korrelationen zeigte die grundsätzliche Eignung von Knochenasche-Daten als Hilfsmerkmal für die Züchtung von Geflügel mit einer höheren P-Effizienz. Als besonders vielversprechend erwies sich dabei die absolute Menge an Fußasche. Knochenasche-Daten sind ein sehr nützliches und einfach zu ermittelndes Merkmal für die Ermittlung der relativen Bioverfügbarkeit von P. Die Untersuchungen, die im Rahmen dieser Dissertation durchgeführt wurden, zeigen jedoch die Bedeutung einer gewissenhaften Methodenauswahl. Ein standardisiertes Verfahren wäre hilfreich, um aussagekräftige und besser vergleichbare Schätzungen der relativen Bioverfügbarkeit von P zu erhalten

Sozialwissenschaftliche Biosphärenreservatsforschung – drei Untersuchungen und eine Vision

Das UNESCO-Biosphärenreservat Rhön und die Hochschule Fulda könnten – so die Vision – auf dem oben skizzierten Weg eine systematische Kooperation beginnen und damit national, ggf. sogar international eine gewisse Bedeutung erlangen. Dabei wäre unter anderem auch die Mitarbeit in bisher selbst in Wissenschaftskreisen offensichtlich weitgehend unbekannten oder unbeachteten Forschungsinitiativen – wie etwa der sozialwissenschaftlichen Initiative MOST (Management of Social Transformations Programme) der UNESCO – denkbar und wünschenswert. Allerdings gilt, dass es ohne Sozialwissenschaftler keine sozialwissenschaftliche und somit wirklich fächerübergreifende, den Anforderungen der Nachhaltigkeit entsprechende Biosphärenreservatsforschung geben wird, was auch durch die Forschungsarbeit sozial- und kulturwissenschaftlich orientierter Geographen nicht ausgeglichen werden kann

Forschung für eine nachhaltige Modernisierung im UNESCO-Biosphärenreservat Rhön aus einer politikwissenschaftlichen Sicht

Die anstehenden demographischen Veränderungen, die den ländlichen Raum besonders stark betreffen werden, sind auch eine Spätfolge des Fordismus. Die reflexive Modernisierung konnte die Folgen des Fordismus bisher nur langsam und teilweise verarbeiten. Im Biosphärenreservat Rhön als Modellregion für nachhaltige Entwicklung besteht die Chance, durch die Weiterentwicklung des ländlichen Leitbilds ein neues nachhaltiges Modernisierungsleitbild zur ländlichen Regionalentwicklung zu entwerfen, wodurch das Biosphärenreservat mit seinen Projekten auch das Stadium des überwiegend Beispielhaften verlassen könnte. Die soziale Agenda des Biosphärenreservats Rhön sollte deshalb mit der Erarbeitung nachhaltiger Lösungen zu ländlichen Fragestellungen aus den Themenbereichen Arbeit und Bildung, Wirtschaft und Infrastruktur, Bevölkerungsentwicklung und Lebensqualität, Energie sowie mit effektiver Projektbegleitung und interdisziplinärer Forschung (BRIM) in der Zukunft gut gefüllt sein. Außerdem müssen die MAB-Leitlinien, das Rahmenkonzept und die Regionalen Entwicklungskonzepte fortgeschrieben werden. Bei der Bewältigung dieser Aufgaben sollten die modernen Sozialwissenschaften mehr als bisher einbezogen werden

Meta-learners for Estimating Heterogeneous Treatment Effects using Machine Learning

There is growing interest in estimating and analyzing heterogeneous treatment effects in experimental and observational studies. We describe a number of meta-algorithms that can take advantage of any supervised learning or regression method in machine learning and statistics to estimate the Conditional Average Treatment Effect (CATE) function. Meta-algorithms build on base algorithms---such as Random Forests (RF), Bayesian Additive Regression Trees (BART) or neural networks---to estimate the CATE, a function that the base algorithms are not designed to estimate directly. We introduce a new meta-algorithm, the X-learner, that is provably efficient when the number of units in one treatment group is much larger than in the other, and can exploit structural properties of the CATE function. For example, if the CATE function is linear and the response functions in treatment and control are Lipschitz continuous, the X-learner can still achieve the parametric rate under regularity conditions. We then introduce versions of the X-learner that use RF and BART as base learners. In extensive simulation studies, the X-learner performs favorably, although none of the meta-learners is uniformly the best. In two persuasion field experiments from political science, we demonstrate how our new X-learner can be used to target treatment regimes and to shed light on underlying mechanisms. A software package is provided that implements our methods

Verbraucherschutz und Verbraucherrechte im UNESCO-Biosphärenreservat Rhön am Beispiel des Internetshops „Marktplatz Rhön“ der Regionalen Arbeitsgemeinschaft Rhön

Die UNESCO-Biosphärenreservate sollen Modellregionen für nachhaltige Entwicklung sein. Nachhaltige Entwicklung umfasst ökologische, ökonomische und soziale Nachhaltigkeit. Nachhaltigkeit und Verbraucherschutz stehen in einem engen Verhältnis zueinander. So kann Verbraucherschutz als Mittel zur Schaffung von Nachhaltigkeit in vielen Bereichen der Gesellschaft betrachtet werden. Dabei kommt insbesondere den Verbraucherrechten und deren tatsächlicher Durchsetzung eine elementare Funktion für den Verbraucherschutz zu. Im UNESCO-Biosphärenreservat Rhön wurde seit dessen Einrichtung im Jahre 1991 eine Vielzahl an beispielhaften Projekten der nachhaltigen Regionalentwicklung angestoßen und durchgeführt, so etwa in Hessen die Qualifizierungsinitiative „Frauen im Landtourismus“. Im Rahmen dieses Projekts sollte vor allem Frauen aus dem landwirtschaftlichen Bereich die Möglichkeit eröffnet werden, durch den Erwerb entsprechender Zusatzqualifikationen Zusatzeinkommen etwa im Hoftourismus oder der Direktvermarktung zu generieren. Aus diesem Projekt ist der Verein Rhöner Durchblick hervorgegangen. Einige dieser beispielhaften Projekte wurden nicht nur bis in die Gegenwart fortgeführt, sondern auch entsprechend weiterentwickelt. Dies trifft zum Beispiel auf das Partnerbetriebssystem des Vereins Natur- und Lebensraum Rhön (VNLR) zu, das als Ausgangspunkt für die Entwicklung der Dachmarke Rhön gesehen werden kann

Measurement of the carrier-envelope phase stability of a novel mid-infrared source

Tesina realitzada en col.laboració amb l'IFCO- Institut de Ciencies FotoniquesThe control and stability of the carrier-envelope phase of few-cycle pulses are crucial issues in attoscience. This project reports on a novel few-cycle mid-infrared source based on optical parametric chirped pulse ampli cation with 100 kHz repeti- tion rate at a wavelength of 3:2 m and a pulse duration of 67 fs. Due to the design of the source it is supposed to be intrinsically passively carrier-envelope phase stable. This assumption is proved experimentally with a new scheme to access the information about the carrier-envelope phase. Compared to the f2f scheme, which is widely used, this new scheme has the advantage of monitoring the carrier-envelope phase without using the main signal of the source

1.55-μm mode-locked quantum-dot lasers with 300 MHz frequency tuning range

This article may be downloaded for personal use only. Any other use requires prior permission of the author and AIP Publishing. This article appeared in Appl. Phys. Lett. 106, 031114 (2015) and may be found at https://doi.org/10.1063/1.4906451.Passive mode-locking of two-section quantum-dot mode-locked lasers grown by metalorganic vapor phase epitaxy on InP is reported. 1250-μm long lasers exhibit a wide tuning range of 300 MHz around the fundamental mode-locking frequency of 33.48 GHz. The frequency tuning is achieved by varying the reverse bias of the saturable absorber from 0 to −2.2 V and the gain section current from 90 to 280 mA. 3 dB optical spectra width of 6–7 nm leads to ex-facet optical pulses with full-width half-maximum down to 3.7 ps. Single-section quantum-dot mode-locked lasers show 0.8 ps broad optical pulses after external fiber-based compression. Injection current tuning from 70 to 300 mA leads to 30 MHz frequency tuning.DFG, 43659573, SFB 787: Halbleiter - Nanophotonik: Materialien, Modelle, BauelementeEC/FP7/EU/264687/Postgraduate Research on Photonics as an Enabling Technology/PROPHE

Functional characterization and evaluation of the therapeutic potential of polo-like kinase 2 in cardiac fibroblasts and fibrosis

Atrial fibrillation (AF) is the most common and relevant arrhythmia in the clinical routine. AF is predicted to affect 6–12 million patients in the USA by 2050 and 18 million patients in Europe by 2060. Cardiac fibrosis and inflammation decisively determine the course of the disease and the clinical outcome of the patients. Despite the tremendous impact on human health, detailed understanding on the molecular mechanisms that contribute to fibrosis in AF is limited. This study provides further evidence for the current paradigm shift that atrial fibrillation is more of a systemic-inflammatory disease than a mere ion-channel dysfunction. The aim of this study was to investigate the role of polo-like kinase 2 (PLK2) and the pro-inflammatory cytokine osteopontin (OPN) with respect to fibroblast (dys)function and fibrosis formation in order to derive novel targets for targeted, fibroblast-specific pharmacotherapy. All patients who participated in this study gave their written informed consent in accordance to the declaration of Helsinki. The study was approved by the local bioethics committee (Ethikkommission an der Technischen Universität Dresden). Human fibroblasts were isolated by outgrowth culture from right atrial biopsies of patients suffering from sinus rhythm (SR) and AF. Murine fibroblasts were isolated by whole-heart Langendorff-perfusion. Quantitative PCR and western blot were used to detect PLK2 transcript expression and protein abundance, respectively. Functional assessment of cardiac function was done with transthoracic echocardiography and surface ECG recordings. Cell culture experiments were performed to evaluate the effects on functional fibroblast properties such as proliferation and differentiation after changing PLK2 activity by genetic knockout (KO) or pharmacological inhibition. A mass spectrometry based secretome analysis was performed by our collaborating laboratory of Prof. Manuel Mayr at King’s College London. An enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) was done to measure OPN in the peripheral blood of patients in SR and with permanent AF. Right atrial appendage tissue and fibroblasts from AF patients displayed significantly lower expression of PLK2 mRNA and protein due to increased DNA-methylation of the PLK2 promotor when compared to sinus rhythm (SR) control patient atria or fibroblasts. This methylation was induced in cardiac fibroblasts by chronic hypoxia (1% O2) exposure for 96 h. Pharmacological inhibition as well as global KO of PLK2 in cardiac fibroblasts resulted in elevated myofibroblast differentiation and reduced fibroblast proliferation. PLK2 KO mice displayed vast interstitial fibrosis areas as observed from histological cross sections stained either with Sirius red or with Masson’s trichrome staining. Transthoracic echocardiography revealed systolic and diastolic dysfunction in PLK2 KO mice and AF-typical ECG alterations such as prolonged PQ interval and QRS duration. Mass spectrometry proteomics revealed de novo expression of OPN in the PLK2-KO-fibroblast secretome. Furthermore, we found higher OPN plasma levels in AF patients correlated with electrophysiologically determined fibrosis compared to non-fibrosis control patients. Finally, we identified that the p42/44 MAPK signal transduction cascade is linking to reduced PLK2 expression and enhanced OPN release. Specifically, we found that KO of PLK2 increase p42 MAPK phosphorylation which is known to stimulate OPN transcription. Thus inhibition of p42/44 MAPK resulted in diminished OPN expression. In a dermal fibrosis model the administration of Mesalazine in vitro resulted in reduced p42 MAPK and SMAD2/3 phosphorylation and thereby reduced OPN and αSMA expression. To explore the general validity and relevance of the PLK2 signaling pathway for fibrosis, a dermal model of radiation-induced fibrosis was used. This approach a) confirmed the observations that were made in the heart and b) showed that the use of Mesalazine in vitro led to a reduced p42 MAPK and SMAD2 / 3 phosphorylation and thus to a significantly reduced OPN and αSMA expression. Fibroblasts from patients with permanent AF express less PLK2 than cells from SR control patients. The loss of physiological PLK2 activity coincides with marked changes in the proliferation and differentiation of cardiac fibroblasts. These changes favor fibrosis in the atrial tissues, which is further enhanced by the local and systemic increase of OPN. The present study identifies PLK2 as a novel regulator of cardiac fibroblast function and fibrosis. Restoration of the physiological methylation status of the PLK2 promoter or the inhibition of OPN with Mesalazine could be of particular clinical interest. The tangible clinical and pharmacological feasibility will be subject of future investigations.Vorhofflimmern (VHF) ist die häufigste und bedeutsamste Arrhythmie in der täglichen klinischen Praxis. VHF wird bis 2050 voraussichtlich 6 -12 Millionen Menschen in den USA und bis 2060 zirka 18 Millionen Menschen in Europa betreffen. Fibrose und Entzündungsprozesse bestimmen entscheidend den Krankheitsverlauf und das klinische Outcome der Patienten. Trotz dieser großen Relevanz sind detaillierte Informationen zu den beteiligten molekularen Pathomechanismen weitgehend unklar. Diese Studie liefert weitere Evidenz für den aktuellen Paradigmenwechsel, dass Vorhofflimmern eher eine systemisch-entzündliche Erkrankung als eine bloße Ionenkanaldysfunktion ist. Ziel dieser Arbeit war es die Rolle der polo-like Kinase 2 (PLK2) und des proinflammatorischen Zytokins Osteopontin (OPN) im Hinblick auf Fibroblasten(dys)funktion und Fibroseentstehung zu untersuchen, um neuartige Angriffspunkte für zielgerichtete, Fibroblasten-spezifische Pharmakotherapie abzuleiten. Alle Patienten wurden über die Teilnahme an der Studie aufgeklärt und gaben ihr schriftliches Einverständnis. Die vorliegende Studie ist konform mit der Deklaration von Helsinki und enthaltene Tierversuche erhielten ein positives Votum der lokalen Tierschutzbehörde. Humane Vorhoffibroblasten wurden mit der „Outgrowth“-Methode aus Gewebeproben von Patienten im Sinusrhythmus (SR) und im permanenten Vorhofflimmern isoliert. Murine Herzfibroblasten wurden aus dem Überstand nach Langendorff-Perfusion durch mehrere Zentrifugationsschritte gewonnen. Zur Detektion von PLK2 und anderen Markerproteinen wurden (quantitative) PCRs und Western Blots durchgeführt. Zur Beurteilung der Herzfunktion in vivo, wurde transthorakale Echokardiografie mit Oberflächen-EKG-Ableitung genutzt. Nachfolgende Zellkulturexperimente beleuchteten die Auswirkungen pharmakologischer PLK2 Inhibition oder genetischen Knock-Outs auf Fibroblasten im Hinblick auf Proliferation, Differenzierung, Seneszenzentwicklung und Sekretion. Eine Massenspektrometrie-basierte Untersuchung des Sekretoms PLK2-defizienter Fibroblasten wurde im Labor unseres Kollaborationspartners Prof. Manuel Mayr am King’s College London durchgeführt. OPN im peripheren Blut von Vorhofflimmerpatienten wurde mittels eines ELISAs gemessen. Ob die betreffenden Patienten Fibrose der Vorhöfe aufwiesen oder nicht, wurde in klinisch-elektrophysiologischen Untersuchungen, dem sogenannten Mapping, bestimmt. Im Vergleich zu SR-Kontrollen, war die PLK2 mRNA- beziehungsweise Protein-Expression in isolierten Fibroblasten und auf Gewebeebene in VHF-Proben signifikant erniedrigt. Dies korrelierte mit PLK2-Promotermethylierung in der Hälfte der VHF-Proben. In SR-Kontrollen konnten wir keine Methylierung des PLK2 Promoters nachweisen. Die Herunterregulation der PLK2 mRNA-Expression bzw. die Induktion der Promotermethylierung konnten in humanen kardialen Fibroblasten durch Exposition gegenüber chronischer Hypoxie (1% O2) experimentell herbeigeführt werden. Pharmakologische Inhibition und der genetische Knockout (KO) von PLK2 gingen in vitro mit erniedrigter Proliferation aber gesteigerter Differenzierung in Myofibroblasten einher. PLK2-KO-Mäuse entwickelten im Gegensatz zu ihren Wildtyp-Geschwistertieren ausgeprägte Areale interstitieller ventrikulärer Fibrose. Dies spiegelte sich in einer ausgeprägten systolischen und Diastolischen Funktionsstörung des Herzens bei 4 Monate-alten PLK2 KO Tieren wider. Die Sekretomanalyse deckte eine de novo Sekretion von OPN in PLK2-KO-Fibroblasten auf. Im Einklang mit diesem Ergebnis konnten wir höhere OPN-Plasmaspiegel auch bei VHF-Patienten messen, die mit dem Vorhandensein von elektrophysiologisch bestimmten Fibrosearealen korrelierte. Abschließend konnte der p42/44-MAPK-Signalweg als Bindeglied zwischen erniedrigter PLK2-Expression und erhöhter OPN-Freisetzung identifiziert werden. Verminderte PLK2 Expression beziehungsweise Aktivität gehen mit einer gesteigerten Proteinexpression und Phosphorylierung von p42/44 MAPK einher. P42/44 MAPK wiederum stimuliert dann die OPN-Transkription. Folgerichtig führte die Inhibition von p42/44 MAPK zu einer signifikant verminderten OPN-Expression. Um die Allgemeingültigkeit des PLK2-Signalweges für die Entstehung von Fibrose zu erforschen, wurde ein dermales Modell strahleninduzierter Fibrose benutzt. Darin bestätigten sich zum einen die Beobachtungen, die am Herzen gemacht wurden, und zum anderen führte der Einsatz von Mesalazin in vitro zu einer reduzierten p42 MAPK- und SMAD2 / 3-Phosphorylierung und damit zu einer deutlich verringerten OPN- und αSMA-Expression. Fibroblasten von Patienten im permanenten Vorhofflimmern exprimieren weniger PLK2 als Fibroblasten aus SR-Kontrollpatienten. Der Verlust der physiologischen PLK2-Aktivität geht mit ausgeprägten Veränderungen der Proliferation und Differenzierung von Fibroblasten im Herzen einher. Diese Veränderungen begünstigen eine profibrotische Situation auf Gewebeebene, welche durch die lokale als auch systemische Erhöhung des Plasmaosteopontins weiter begünstigt wird. Die vorliegende Studie identifiziert erstmalig PLK2 als neuen Regulator der Fibroblastenfunktion und Fibrose. Gleichzeitig stellen die Wiederherstellung des physiologischen Methylierungstatuses des PLK2 Promoters oder die Inhibition von OPN mittels Mesalazin vielversprechende therapeutische Optionen im Kampf gegen die Fibrosierung des Herzmuskels dar. Die konkrete pharmakotherapeutische Umsetzbarkeit muss in künftigen Forschungsvorhaben überprüft werden