Fakultät für Biologie - Digitale Hochschulschriften der LMU - Teil 05/06 Archiv

In der Großhirnrinde von Säugetieren befindet sich die Mehrheit erregender Synapsen auf Dornfortsätzen, kleinen dendritischen Ausbuchtungen, die in Größe und Form stark variieren. Die Auslösung aktivitätsabhängiger synaptischer Langzeitplastizität geht mit strukturellen Veränderungen dendritischer Dornen einher. Da das beugungsbegrenzte Auflösungsvermögen konventioneller Lichtmikroskope nicht ausreicht um die Morphologie der Dornen verlässlich zu untersuchen, stellte die Elektronenmikroskopie bisher das wichtigste bildgebende Verfahren zur Erforschung von struktureller Plastizität dar, blieb dabei jedoch auf die Betrachtung fixierter Gewebeproben beschränkt. Die Anwendung hochauflösender Laser-Raster-Mikroskopie mit Stimulierter-Emissions-Auslöschung hat es mir möglich gemacht, die Dynamik dendritischer Dornenmorphologie in lebenden Zellen zu studieren. Die N-Methyl-D-Aspartat-Rezeptor-abhängige Langzeitpotenzierung von Pyramidenzellen der Cornu-Ammonis Region 1 des Hippocampus bildete dabei den Mechanismus, welcher plastische Veränderungen hervorrief. Nach Potenzierung exzitatorischer Synapsen durch die lokale Ultraviolett-Photolyse von caged-Glutamat wurde ein starker, vorübergehender Anstieg des Anteils dendritischer Dornen mit sichelförmigen Köpfen und ein leichter, anhaltender Zuwachs an pilzförmigen Dornfortsätzen über einen Zeitraum von 50 Minuten beobachtet. Meine Untersuchungen ergänzen frühere Studien zur Wechselbeziehung zwischen synaptischer Potenzierung und struktureller Plastizität dendritischer Dornen und korrespondieren mit dem aktuellen Kenntnisstand der zu Grunde liegenden molekularen Mechanismen.

Demography and adaptation are important factors determining the evolution of plant species. Many plant species are substructured into populations or demes connected by migration (metapopulations). The spatial distribution of populations and migration patterns depend on the means of dispersal. Since plants are sessile organisms, they also have to cope with both biotic and abiotic stresses. Therefore adaptations to local environmental conditions are essential to ensure survival and duration of the species. Wild tomato species (Solanum section Lycopersicon) are native to western South America. They occur in diverse and often extreme habitats including rain forests, coastal regions, high altitude habitats in the Andean Mountains and also hyperarid deserts in the Atacama Desert. Therefore, wild tomatoes are a good model system to study plant evolution and genomic bases for plant adaptation. This study focuses on the wild tomato species Solanum chilense, which exhibits a metapopulation structure with populations distributed from southern Peru to northern Chile. In its native range, S. chilense is confronted with different abiotic stresses including drought, cold and salinity. I sequenced 30 unlinked nuclear genes from 23 populations using next generation sequencing. 16 genes are involved in the abiotic stress response and serve as candidates for selection and adaptation. The remaining 14 genes are used as references to study the genomic average and species past demography. In the first part of this study, I investigated the demographic history of the wild tomato species Solanum chilense. Genetic data analyses revealed a north-south cline. This cline includes 1) a decrease of genetic variation from north to south, 2) an increase in the strength of population expansion along the cline, and 3) an increase in genetic differentiation from other wild tomato species towards the south of the range. Results further revealed that the populations form four groups: a central group and three peripheral groups. Altogether the results suggest that S. chilense originated in the northern part of its current distribution and migrated to the south, via two routes, along the coast and higher up in the Andes. During this north-south colonization, at least three bottlenecks occurred. In the second part of this study, I investigated natural selection and local adaptation in S. chilense. Signatures of selection and local adaptation were detected in the abiotic stress-related genes, for example signatures of positive selection in high altitude populations were found possibly indicating adaptation to low temperatures. Interestingly, signatures of balancing selection were detected as well in high altitude populations reflecting probable adaptation to different types of abiotic stresses. The coastal populations showed a distinct pattern. Several genes involved in the salt stress response exhibited signatures of local adaptation. Performing a salt stress experiment, I revealed that low altitude populations cope better with such stress than populations from intermediate or high altitudes. The coastal populations also showed an accumulation of nonsynonymous and possibly deleterious genetic variation, which can be explained by extreme bottlenecks and potential occurrence of selfing in some populations. Signatures of selection and local adaptation in S. chilense were mainly detected in populations from the peripheral groups and not in the central region, in agreement with the hypothesis that local adaptation is associated with the colonization of new territories. In summary, this study showed that demography plays an important role in the evolutionary history of S. chilense and that local adaptation for key abiotic stresses occurs more frequently in the marginal ranges of the species distribution.

Das Protein α-Synuklein (α-SYN) spielt eine kritische Rolle in der Pathogenese des Morbus Parkinson. So wird angenommen, dass die Aggregation dieses Proteins für die Degeneration von dopaminergen Nervenzellen des Mittelhirns und den damit verbundenen motorischen Symptomen verantwortlich ist. Während dieser pathophysiologische Zusammenhang allgemein anerkannt ist, bleibt der Einfluss von α-SYN auf nicht-motorische Systeme des Gehirns und somit auf prämotorische Symptome, wie die häufig früh im Krankheitsverlauf auftretende Riechstörung, relativ unerforscht. Der Riechkolben bildet die erste zentrale Stelle für die Verarbeitung von Geruchseindrücken und stellt eine von wenigen Gehirnregionen mit einer außergewöhnlich hohen neuronalen Plastizität dar, da er kontinuierlich mit neuen adult-geborenen Nervenzellen versorgt wird. Selbst im erwachsenen Gehirn - wenn auch in geringerer Anzahl - wandern in diese Region neuronale Vorläuferzellen aus der subventrikulären Zone (SVZ) und dem rostralen migratorischen Strom (RMS) ein, die in lokale Interneurone ausdifferenzieren und in bestehende Netzwerke integrieren. Dabei bilden neue Nervenzellen funktionelle Synapsen mit bereits vorhandenen Neuronen aus und tragen zur Riechwahrnehmung bei. Aufgrund seiner Funktion an der Synapse könnte α-SYN insbesondere einen Einfluss auf die Reifung und Integration von adult-geborenen Neuronen mit möglichen pathophysiologischen Konsequenzen für den Geruchssinn haben. Um die Plastizität im Riechkolben von transgenen α-SYN Mäusen zu untersuchen, eignet sich besonders die Zwei-Photonen-Mikroskopie, da mit dieser Technik neuronale Strukturen bis hin zu einzelnen Synapsen im intakten neuronalen Netzwerk der lebenden Tiere über mehrere Tage bis Monate verfolgt werden können. Im ersten Teil der Arbeit wurde der Riechkolben des verwendeten Mausmodells histopathologisch und funktionell untersucht. Die transgenen A30P α-SYN Mäuse wiesen pathologische α-SYN Ablagerungen in Mitralzellen auf, und zeigten Störungen in der feinen Geruchsdiskriminierung. Anschließend wurde eine Subpopulation von adult-geborenen Neuronen, dopaminerge periglomeruläre Neurone, die bekannterweise sensibel auf α-SYN reagieren, genetisch markiert. Mittels intravitaler Zwei-Photonen-Mikroskopie wurde der neuronale Umsatz, der kontinuierliche Neugewinn und Verlust an dopaminergen Nervenzellen, in A30P α-SYN und Wildtypmäusen über einen Zeitraum von 2,5 Monaten beobachtet. Dabei wurde kein Unterschied in der Anzahl an Zellen gemessen, die ihren Zielort im Riechkolben erreichen, und möglicherweise in das Netzwerk integrieren. In den transgenen α-SYN Mäusen wiesen diese Neurone jedoch eine signifikant verkürzte Überlebensspanne auf, was insgesamt in einem Nettoverlust an Neuronen in der Glomerulärzellschicht resultierte. Interessanterweise waren von dem Zelluntergang vor allem adult-geborene Neurone, die erst kürzlich ins Netzwerk integrierten, betroffen. Diese Ergebnisse zeigen, dass die frühen Schritte der neuronalen Eingliederung und Differenzierung in einen dopaminergen Phänotyp in A30P α-SYN Mäusen nicht beeinträchtigt sind, sondern vielmehr ihr längerfristiges Fortbestehen und Überleben in dem olfaktorischen Netzwerk. Möglicherweise trägt diese instabile Integration und damit gestörte Homöostase von funktionellen neuen Neuronen zu der verminderten Fähigkeit der Geruchsdiskriminierung in A30P α-SYN Mäusen bei. Um die der Riechstörung zugrunde liegenden pathophysiologischen Veränderungen weiter aufzuklären, wurde im zweiten Teil der Arbeit der Einfluss von aggregations-anfälligem A30P α-SYN auf die strukturelle und funktionelle Entwicklung von Körnerzellen, die 95% der adult-geborenen Neurone darstellen, untersucht. Während die biologischen Eigenschaften und physiologischen Mechanismen von Körnerzellen mit ihrer Rolle bei der Verarbeitung von olfaktorischen Eindrücken weitestgehend aufgeklärt sind, ist nur wenig über die synaptische Funktion und strukturelle Plastizität dieser adult-geborenen Neurone unter pathologischen Bedingungen bekannt. Deshalb wurde im Folgenden die Funktionsweise von adult-geborenen Körnerzellen an dendrodendritischen Synapsen mit stabilen Mitralzellen, die pathologisch verändertes α-SYN akkumulieren, genauer charakterisiert. Diese synaptischen Verbindungen sind von wesentlicher Bedeutung für die Geruchsdiskriminierung. Dazu wurden die gesamten dendritischen Bäume einzelner Nervenzellen mittels zeitlich kodierter lentiviraler Transduktion markiert und chronisch mikroskopiert, wobei einzelne dendritische Spines über mehrere Wochen wiederholt aufgesucht und in hoher Auflösung aufgezeichnet wurden. Adult-geborene Körnerzellen in A30P α-SYN Mäusen waren durch eine reduzierte Komplexität des Dendritenbaumes und eine erniedrigte Spineplastizität, bedingt durch einen verminderten natürlichen Zugewinn an dendritischen Spines während der kritischen Phase der Nervenzellreifung, gekennzeichnet. Dieses Spinedefizit blieb in ausgereiften und integrierten Körnerzellen bestehen. Funktionell waren die unvollständig gereiften Körnerzelldendriten durch eine signifikant verminderte elektrische Kapazität und eine gesteigerte intrinsische Erregbarkeit und Reaktionsfreudigkeit auf depolarisierende Eingangssignale gekennzeichnet, während der Spineverlust mit einer verminderten Frequenz von erregenden postsynaptischen Miniaturströmen (mEPSCs) korrelierte. Die in dieser Arbeit beschriebenen, durch A30P α-SYN vermittelten, Veränderungen der adult-geborenen Neurone wirken sich folglich störend auf die Verarbeitung von olfaktorischen Inputs aus, und könnten deshalb von pathophysiologischer Relevanz für das Verständnis von Riechstörungen in frühen Stadien des Morbus Parkinson sein. Um diesen Veränderungen therapeutisch entgegenzuwirken, wurde den transgenen Mäusen über mehrere Monate eine Substanz mit anti-aggregativen Eigenschaften verabreicht. Diese zeigte keinen therapeutischen Effekt auf das Überleben und die Spinedichte von adult-geborenen Neuronen in A30P α-SYN Mäusen. Insgesamt liefert diese Arbeit neue, fundamentale Einblicke in die A30P α-SYN-abhängige Regulation der strukturellen Plastizität als ein pathophysiologisches Korrelat für Morbus Parkinson.

The central goal of this dissertation is to understand the genetic and functional aspects of how populations adapt to new or changing environments. Genetic variation within a population, either at protein coding genes or at regulatory elements, provides the substrate upon which natural selection can act to drive adaptation. There is considerable evidence that changes in gene expression account for a large proportion of morphological, physiological and behavioral variation between and within species that can contribute to adaptation and speciation. Due to the major role that gene expression changes can have in shaping phenotypes, the first three chapters of this dissertation deal with the study of how changes in gene expression can facilitate adaptation. I use Drosophila melanogaster from ancestral and derived regions of the species' range as a model system for studying local adaptation. In chapter 1, I perform high-throughput RNA-sequencing (RNA-seq) of brain tissue of flies from an ancestral (Zimbabwe) and a derived (the Netherlands) population. The whole brain transcriptome was assayed for differences in gene expression between African and European flies in order to understand how differences in brain expression may lead to local adaptation. I found over 300 candidate genes that differed significantly in expression between the populations, including a cluster of genes on chromosome arm 3R that showed reduced expression in Europe and genetic evidence for positive selection. Other candidate genes involved in stress response, olfaction and detoxification were also identified. Additionally, I compared brain gene expression between males and females and found an enrichment of sex-biased genes on the X chromosome. Chapter 2 presents a detailed study of one of the candidate genes identified in chapter 1. The metallothionein gene, MtnA, shows over four-fold higher expression in the brain of European flies than of African flies. I found a derived deletion in the 3’ untranslated region (UTR) of MtnA that segregates at high frequency within the Dutch population, but is absent from the Zimbabwean population. The presence of the deletion was perfectly associated with the observed variation in MtnA expression. When additional populations of D. melanogaster were screened for the presence of the deletion, I found that it showed a clinal distribution that was significantly correlated with latitude and temperature. Furthermore, using population genetic data and a selective sweep analysis I show that the MtnA locus is evolving under positive selection. In Chapter 3 I report a population genetic analysis of the enhancer region of CG9505, a gene that shows significantly higher expression in European than in African populations of D. melanogaster. A previous study found that there was very low nucleotide polymorphism in the enhancer region of CG9509 in flies from the Netherlands, a pattern that is consistent with a selective sweep. I analyzed an additional set of five populations from Zambia, Egypt, Malaysia, France and Germany in order to gain a better understanding of how selection has affected the evolution of this enhancer. I found that there is a depletion of nucleotide diversity in all of the non-sub-Saharan populations (Egypt, Malaysia, France and Germany), which share a common high-frequency derived haplotype. Population genetic analyses suggest that a selective sweep took place in the enhancer region of CG9509 just after D. melanogaster migrated out of sub-Saharan Africa. Finally, in chapter 4 I performed in situ hybridizations to examine the expression of tissue-specific reporter genes in the D. melanogaster testis. In the male germline of D. melanogaster, reporter genes that reside on the X chromosome show a reduction in expression relative to those located on the autosomes. This phenomenon was demonstrated by randomly inserting reporter gene constructs on the X chromosome and the autosomes. By doing in situ hybridizations on testis of flies having reporter gene insertions on the X chromosome and autosomes, I could show that the expression difference mainly occurs in meiotic and post-meiotic cells. For most constructs, expression was very low or absent in the testis apex, which is enriched with pre-meiotic cells. These results suggest that the suppression of X-linked gene expression in the Drosophila male germline occurs through a different mechanism than the MSCI (meiotic sex chromosome inactivation) known to occur in mammals.

The use of selectively bred mouse models of enhanced fear and/or anxiety-related behavior provides a unique opportunity to identify genetic targets that contribute to pathological anxiety. However, dealing with animal models needs accurate information about their phenotypes. Accordingly, high (HAB), normal (NAB) and low (LAB) anxiety-related behavior mice – a validated model of anxiety disorders - were repeatedly tested in a variety of behavioral paradigms. Whereas most tests to assess anxiety traits are based on fear of novel and open spaces, we took advantage of the inborn fear and associated avoidance of the predator odor (trimethylthiazoline (TMT)) as a measure of anxiety-related behavior. We were able to show that avoidance of TMT reflects the high anxiety phenotype of HAB mice, indicated by the decreased time animals spent in the chamber with TMT compared to NAB and LAB mice. Importantly, this result is not confounded by any deficit of the olfactory system, since mice responded to both the pleasant odor of female urine and the repugnant odor of butyric acid. To take the influence of environmental stimuli on inborn anxiety further, we next studied the impact of environmental manipulations on the genetically driven phenotype of LAB mice. Therefore, animals were exposed to a series of chronic unpredictable mild stressors (CMS). CMS-treated mice displayed increased anxiety in the TMT-avoidance test, elevated plus-maze (EPM) and light-dark box (LDB). Moreover, these animals were characterized by increased depression-like behavior and a blunted neuroendocrine regulation. Furthermore, TMT-exposure promoted a higher activation of immediate early gene expression, e.g. c-fos, in the amygdala, especially in the basolateral nuclei (BLA). c-Fos expression pattern correlated with anxiety-related behavior after CMS. Importantly, our electrophysiological studies also indicated a higher activation of amygdala in LAB mice after CMS treatment. Since corticotropin releasing hormone (CRH) is one of the most important mediators of amygdala activity and is largely involved in the regulation of the anxiety-related behavior, we hypothesized that environmental influences are translated via an altered CRH system. Previous experiments had shown that enriched environment (EE) induced a down-regulation of Crhr1. Here, we report that CMS induced higher expression of Crhr1 in the BLA of LAB mice, in contrast to EE. Thus, these data indicate, that Crhr1 expression might be plastic in response to both, beneficial and detrimental, environmental factors. Thereafter, we studied the role of DNA methylation as a probable mechanism behind the different gene expression. Using pyrosequencing of the bisulfite-converted DNA, one specific CpG site (CpG1) of Crhr1 was found to be higher methylated after both treatments. In order to evaluate functional importance of this modification, we tested the impact of CpG1 methylation on promoter activity using the luciferase assay and observed that the presence of methylation reduced promoter activity. Moreover, elevated methylation decreased the binding efficiency of the transcription factor Yin Yang 1 (YY1) as indicated by electrophoretic mobility shift assay (EMSA). Furthermore, we analyzed whether a higher expression of YY1 in the BLA of LAB mice, observed after CMS, contributed to the elevation of Crhr1. Indeed, overexpression of YY1 in the neuronal cell culture enhanced both Crhr1 expression and Crhr1 promoter activity. Finally, we estimated the effects of combininig CpG1 site-specific methylation with YY1 overexpression on Crhr1 promoter activity and tested whether in vitro overexpression of YY1 induced methylation of CpG1. Altogether, our data suggest that even a rigid genetic predisposition to low anxiety-related behavior could be rescued by environmental modification and provide evidence that the epigenetic regulation of Crhr1 expression in the BLA is a possible underlying mechanism behind.

Die als Zehnfußkrebse oder auch als Decapoda bezeichneten Arthropoden sind eine weltweit verbreitete, zum Teil hoch spezialisierte und vielseitig angepasste Gruppe, die in fast allen aquatischen Ökosystemen, aber auch in terrestrischen Habitaten zu finden ist. Die enorme Artenzahl von 17,635 rezent und fossil bekannten Arten (De Grave et al., 2009) sowie das hohe Alter der Gruppe an sich erschwert die systematische Eingliederung einzelner Arten. Fossile Funde von Dekapoden wurden bis ins Devon (vor 415 bis 359,2 Millionen Jahren) datiert (Schram et al., 1978). Damit haben die rezenten Vertreter viele Millionen Jahre Evolution durchlaufen und die Ergebnisse dieses langwierigen Prozesses schlagen sich in einer hohen morphologischen Vielfalt zwischen den Arten nieder. Um eine zuverlässige Phylogenie aufstellen und Arten eindeutig charakterisieren zu können sind neue Merkmale, Methoden und Ansätze erforderlich. Eine zuverlässige Bestimmung und Einordnung der verschiedenen Arten bildet die Basis für verschiedene Datenbanken und Projekte wie z.B. GenBank, Barcoding of Life (BOLD), German Barcode of Life (GBOL) oder Barcoding Fauna Bavarica und zeigt, welch hohen Stellenwert die Taxonomie besitzt. Ziel dieser kumulativen Dissertation ist es mit Einsatz von verschiedenen modernen morphologischen und molekularen Methoden wie der Rasterelektronenmikroskopie, der Fluoreszenzmikroskopie und der Analyse von mitochondrialen DNA-Sequenzen (Cytochrom-c-Oxydase) neue Merkmalssätze zur besseren Charakterisierung der verschiedenen Arten und deren Artabgrenzungen zu erarbeiten. Aber auch klassische Methoden wie das Abwägen von morphologischen Merkmalen, kommen in einem integrativen Ansatz zur Artabgrenzung zur Anwendung. Die in den Arbeiten angewandte Rasterelektronenmikroskopie erlaubt eine weitaus höhere Vergrößerung als die klassische Lichtmikroskopie bei gleichzeitig höherer Auflösung und Schärfentiefe. Somit konnten auch kleinste eidonomische (Bestimmungs-) Merkmale wie das Dorsalorgan oder einzelne Setae-Typen bei Zoea-Larven detailliert beschrieben und als neue oder früher wenig beachtete morphologischen Merkmale zur systematischen Einordnung herangezogen werden (Publikationen I, II und III). Des Weiteren konnte mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie anhand von DAPI-Färbungen gezeigt werden, dass die Anordnung der Zellkerne von Zoea-Larven aus den verschiedenen Unterordnungen Caridea, Anomura und Brachyura charakteristische Muster aufweist. Dieses Kriterium wird als möglicher Merkmalssatz in der Taxonomie diskutiert (Publikation VI). Ein weiteres Feld der modernen Taxonomie wird durch Publikation V abgedeckt: molekulare Analysen auf der Basis des mitochondrialen proteincodierenden Genes COI (cytochrome oxidase subunit 1) bzw „barcoding“-Gens. Zum ersten Mal für die südchilenische Fjordregion wurde mit dem Ansatz der integrativen Taxonomie die dortige Dekapoda-Fauna erfasst und analysiert. Nahe verwandte Arten der Gattungen Eurypodius Guérin, 1825 und Acanthocyclus Lucas, in H. Milne Edwards & Lucas, 1844, die morphologisch schwer zu trennen sind, konnten neu charakterisiert werden. In der Arbeit wurden klassische, morphologische Merkmale mit molekularen, morphologieunabhängigen Merkmalen kombiniert. Durch eine vorherige Inventarisierung der südchilenischen Dekapodenfauna während zahlreicher Expeditionen in die Region konnte zudem die Basis für die taxonomische Arbeit (ca. 650 Samples sind in der Zoologischen Staatssammlung München hinterlegt) geschaffen werden. Eine ausführlichen Dokumentation mit verschiedenen bildgebenden Methoden wie der Verwendung von tiefenscharfen Aufnahmen und in situ Fotos der verschiedenen Arten dieser noch nahezu unerforschten Region bildet das Rückgrat der taxonomischen Arbeiten und ist als Kapitel in dem zweisprachigen (Spanisch und Englisch) Standardwerk für die Region publiziert (PublikationVI).

This study involved the combination of molecular-cytogenetic data and phylogenetic approaches to infer pathways by which chromosome numbers and sizes may have changed during the course of evolution. The two systems for which I generated new data are the monocot plant family Araceae and Coccinia, a genus of Cucurbitaceae. Araceae have about 3800 species in 118 genera, and chromosome numbers range from 2n = 168 to 2n = 8, the latter the lowest number so far and newly reported in my study. The small genus Coccinia includes C. grandis, with the largest known Y chromosome in plants, as documented in my work. The thesis comprises four published or submitted papers. The first paper reports the result of phylogenetic modeling of chromosome number change along a phylogeny for the Araceae with 113 genera represented. I used a maximum likelihood approach to find the most likely combination of events explaining today’s chromosome numbers in the 113 genera. The permitted events were chromosome gains (i.e. breaks), losses (i.e. fusions), doubling (polyploidization), or fusion of gametes with different ploidy. The best-fitting model inferred an ancestral haploid number of 16 or 18, higher than previously suggested numbers, a large role for chromosome fusion, and a limited role of polyploidization. The sparse taxon sampling and deep age (at least 120 Ma) of the events near the root of Araceae caution against placing too much weight on “ancestral” numbers, but inferred events in more closely related species can be tested with cytogenetic methods, which I did in two further studies (papers 2 and 3). I selected Typhonium, with 50-60 species, a range of 2n = 8 to 2n = 65 chromosomes. The family-wide study had suggested a reduction from a = 14 to 13 by fusion in Typhonium, but had included relatively few of its species. I built a phylogeny that included 96 species and subspecies sequenced for a nuclear and two chloroplast markers, and then selected 10 species with 2n = 8 to 24 on which to perform fluorescence in situ hybridization (FISH) with three chromosomal probes (5S rDNA, 45S rDNA, and Arabidopsis-like telomeres; paper 2). The results supported chromosome fusion in two species where I found interstitially located telomere repeats (ITRs), which can be a signal of end-to-end fusions, and polyploidization in one species where I found multiple rDNA sites. I then extended my cytological work to other lineages of Araceae, selecting 14 species from 11 genera in key positions in the family phylogeny, which I enlarged to 174 species, adding new chromosome counts and FISH data for 14 species with 2n = 14 to 2n = 60 (paper 3). With the new data, I confirmed descending dysploidy as common in the Araceae, and I found no correlation between the number of rDNA sites and ploidy level (which would have pointed to recent polyploidy). I detected ITRs in three further species, all with 2n = 30. I also discovered gymnosperms-like massive repeat amplification in Anthurium. Similar ITRs are only known from Pinus species. Paper 4 presents molecular-cytogenetic data for Coccinia grandis, one of a handful of angiosperms with heteromorphic sex chromosomes. The male/female C-value difference in this species is 0.09 pg or 10% of the total genome. My FISH and GISH results revealed that the Y chromosome is heterochromatic, similar to the Y chromosomes of Rumex acetosa, but different from the euchromatic Y chromosome of Silene latifolia; it is more than 2x larger than the largest other chromosome in the genome, making C. grandis an ideal system for sequencing and studying the molecular steps of sex chromosome differentiation in plants.

In Zeiten des demografischen Wandels erfahren Krankheiten wie die Alzheimer-Demenz, als deren größter Risikofaktor das Alter gilt, einen rasanten Anstieg der Patientenzahl. Die Erforschung der zugrundeliegenden neurodegenerativen Mechanismen und das Einbringen daraus gewonnener Erkenntnisse in die Entwicklung von Therapieansätzen oder gar Präventionsmaßnahmen sind daher von gesamtgesellschaftlicher Bedeutung - nicht zuletzt auch unter ökonomischen Gesichtspunkten, wie den gleichsam wachsenden Kosten für das Gesundheitssystem. In der vorliegenden Arbeit wurden neuropathologische Prozesse in verschiedenen transgenen Tauopathie-Mausmodellen mittels hochauflösender Mikroskopietechniken untersucht. Der Schwerpunkt lag hierbei auf der Analyse synaptischer Veränderungen im lebenden Tier, ermöglicht durch die Zwei-Photonen-Intravitalmikroskopie. Zunächst wurden in Tau P301S-Mäusen die Auswirkungen FTDP-17-mutierten humanen Tau-Proteins auf die strukturelle Plastizität neokortikaler dendritischer Spines analysiert. Dabei wurde eine im Vergleich zu Wildtyp-Mäusen verminderte Spinedichte gemessen, welche auf eine geringere Ausbildung neuer Spines zurückzuführen war. Die verbliebenen Spines zeigten morphologische Veränderungen wie ein vergrößertes Kopfvolumen - möglicher Weise zur Kompensation des Synapsenverlusts. Ergänzend wurde eine Methode zur immunhistochemischen Synapsendichtemessung an Gehirnschnitten etabliert, welche jedoch keine Effekte der Transgenexpression auf die Dichte prä- oder postsynaptischer Spezialisierungen offenbarte. Um die Rolle inflammatorischer Prozesse in Tauopathien zu analysieren, wurde die Mauslinie Tau x CXCR erzeugt. Partielle oder vollständige genetische Fraktalkinrezeptor-Deletion in diesen Mäusen erlaubte eine gezielte Modifizierung der Kommunikation zwischen Neuronen und Mikrogliazellen. Die resultierende Aktivitätserhöhung der Mikrogliazellen hatte wider Erwarten keinen signifikanten Einfluss auf die Dichte Phospho-Tau enthaltender Zellen in den untersuchten kortikalen Gehirnregionen. Zur Modellierung der Alzheimer-Demenz wurden Tau P301S-Mäuse mit der Linie APP PS1 verpaart. Die Nachkommen wiesen Alzheimer-typische histologische Läsionen wie extrazelluläre Aβ-Plaques und intrazelluläre Tau-Ablagerungen auf. Es konnte jedoch im Vergleich zur Ursprungslinie Tau P301S keine Aβ-induzierte Verstärkung der kortikalen Tau-Pathologie gemessen werden, welche die Amyloid-Kaskaden-Hypothese suggeriert. Eine intravitalmikroskopische Analyse dendritischer Spines in Tau P301S- und Tau x APP PS1-Mäusen in unterschiedlichen Krankheitsstadien sowie in Wildtyp-Wurfgeschwistern sollte die Abgrenzung Tau-bedingter von Aβ-bedingten Effekten ermöglichen. Dabei wurden Veränderungen in der strukturellen Plastizität gefunden, beispielsweise in der Spine-Neuausbildung oder in bestimmten morphologischen Fraktionen, nicht aber in der absoluten Spinedichte. Schließlich erfolgte eine elektronenmikroskopische Untersuchung neuritischer Dystrophien in einem weiteren Alzheimer-Mausmodell, der Linie 3xTg-AD. Durch immunhistochemische Markierung konnten sowohl Aβ- als auch Tau-Ansammlungen in den pathologischen Anschwellungen nachgewiesen werden. Die präsentierten Befunde zeigen u. a. die ersten intravitalmikroskopischen Langzeitstudien dendritischer Spines in Mausmodellen mit reiner Tau-Pathologie sowie damit kombinierter Aβ-Pathologie. Sie bieten grundlegende, durch Patientenuntersuchungen nicht zu gewinnende Informationen über krankhafte synaptische Veränderungen, welche als frühe Ereignisse in der Alzheimer-Demenz betrachtet werden.