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In vielen Spielen steckt Mathematik, seien es Minecraft, Wasserraketen oder Tiptoi. Lisa Mirlina und Felix Dehnen haben sich Qwirkle (ein Spiel der Schmidt Spiele von Susan McKinley Ross) einmal ganz genau angesehen. Die beiden konnten als Teilnehmer des Hector-Seminar an einem Kooperationsprojekt mit der Fakultät für Mathematik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) teilnehmen. Hier betreute sie Prof. Dr. Frank Herrlich in dem Projekt auf der Suche nach der perfekten Qwirkle-Lösung- wofür die beiden ihm ganz herzlich danken. Das Legespiel war 2011 Spiel des Jahres und besteht aus 108 Spielsteinen aus sechs verschiedenen Farben und sechs verschiedenen Formen- jede Kombination kommt dabei dreimal vor. Jeder Spielteilnehmer versucht aus seinen eigenen sechs nachzuziehenden Spielsteinen gleiche Formen oder gleiche Farben auf dem Tisch in Reihen zusammenzulegen. Wie bei Scrabble gibt es für jedes Anlegen Punkte- es müssen aber alle entstehende Reihen korrekt sein- von Farbe oder Form, wie bei Mau-Mau oder Domino. Das Spielziel ist eine möglichst hohe Anzahl von Punkten zu erreichen. Den mathematischen Hintergrund zum Spiel fanden die beiden in der Topologie: Auf einem Tisch kann man höchstens 36 Steine perfekt anordnen- auf einer anderen topologischen Struktur eventuell mehr. Mit Hilfe von Verklebungen kann man zu Flächen wie beispielsweise auf einem Torus gelangen- wenn man die jeweils die gegenüberliegenden Seiten miteinander verklebt: Auf einem Torus haben wirklich alle Steine vier Nachbarn- und nicht nur die Steine im Inneren. Die Frage ist nun, ob es möglich ist, eine Fläche zu finden, wo jeder der 108 Steine in genau zwei perfekten Qwirkle-Reihen- also jeder Form oder Farbe- liegen kann. Neben einem Torus kann man durch Verkleben aus einem Quadrat oder Rechteck auch die Sphäre, das Möbiusband, die Projektive Ebene oder die Kleinsche Flasche erzeugen. Dabei sind das Möbiusband, die projektive Ebene und die Kleinsche Flasche nicht mehr orientierbar, da man keinen Normalenvektor angeben kann. Die projektive Fläche hat in ihrer Darstellung durch homogene Koordinaten eine wichtige Anwendung in der Computergrafik, da Verschiebungen auch als lineare Abbildungen umgesetzt werden können und die gesamte Berechnung deutlich erleichtert. Auch frühere Folgen zu Teichmüllerkurven (Modell042) und wilden Singularitäten (Modell060) haben im Modellansatz Podcast Topologie und Verklebungen behandelt. Die Topologie ist dabei überhaupt nicht so theoretisch, wie sie zunächst erscheint- denn da wir nicht auf einer Ebene oder flachen Erde leben, können wir einmal um die Erde herumgehen, und nach langem Weg wieder an dem gleichen Ort wieder ankommen. Wir können auch andere Winkelsummen von Dreiecken bestimmen. Diese Experimente können wir beim Universum leider nicht leicht durchführen, und so ist die Forschung nach der Topologie des Universums sehr aktuell. In der Topologie können Flächen bzw. zwei topologische Räume als äquivalent angesehen werden, wenn sie durch eine Homöomorphie, also durch eine stetige und stetig umkehrbare Abbildung in einander überführt werden können. So ist eine Tasse (mit einem Henkel) zu einem Torus homöomorph- nicht jedoch zu einem Becher ohne Henkel. Dies führt auf das interessante Gebiet der topologischen Klassifikation der Flächen, denn man kann durch eine genügend feine Unterteilung der Fläche in beispielsweise Dreiecke, einer Triangulierung, zusammen mit einigen Regeln die Art der Fläche bestimmen. Dies führt auf den verallgemeinerten Satz von Euler für orientierbare Flächen, wo die Zahl der Ecken, die Zahl der Flächen, die Zahl der Kanten und das Geschlecht bezeichnet: Das Drei Häuser-Problem ist ein Knobelrätsel zu diesem Satz, da das Problem auf einer Ebene oder eine Sphäre nicht lösbar ist, jedoch auf dem Torus eine Lösung besitzt. Für das Qwirkle-Spiel liefert der Dreifach-Torus (oder eine Brezel) eine Lösung für 8 Steine, wo jeweils zwei Steine doppelt sind und daher auf einem Tisch nicht so anzuordnen wären: Für 18 Steine haben sie eine unsymmetrische Lösung gefunden, die sich nicht so leicht auf mehr Steine erweitern ließ: Mit der Treppenstruktur wie bei 8 Steinen mit einer 9er Struktur kann man aber eine Lösung aus 108 Steinen konstruieren: Nach dem Satz von Euler ist diese Lösung auf einer Fläche, die einem Fünf-Torus entspricht- oder einer Brezel mit zwei Löchern zu viel. Dies ist aber nicht die einzige Lösung für 108 Steine- mit Gruppentheorie kann man nach weiteren Lösungen suchen: Denn so, wie die Steine sich nach Verklebung in einer Richtung wiederholen, so können auch Gruppen genau diese Wiederholungen darstellen. Ein sehr einfaches Beispiel ist die zyklische Gruppe aus drei Elementen 0, 1, 2, die man mit der Addition verknüpft, und bei Ergebnissen über 2 wieder drei abzieht, wie man in dieser Verknüpfungstafel ablesen kann: +012001211202201Auf drei Elementen kann man aber auch die Symmetrische oder Permutations-Gruppe definieren: In dieser sind alle möglichen sechs Vertauschungen bzw. Permutationen von den drei Elementen enthalten. Ein anderer Ansatz ist es, die drei Elemente als Ecken eines gleichseitigen Dreiecks zu sehen und alle Rotationen oder Spiegelungen zur Dieder- oder Symmetriegruppe definieren. Im speziellen Fall von drei Elementen stimmen die beiden Gruppen mit je sechs Abbildungen überein, d.h. : Durch das direkte Produkt von drei Symmetriegruppen erhält man eine Gruppe mit 216 Elementen, unter Festhalten des Signums (bzw. Vorzeichen), kann man durch Faktorisierung eine Untergruppe mit 108 Elementen bestimmen- die Qwirkle-Gruppe. Aus dieser Gruppe kann man nun wieder eine Fläche erzeugen, die das perfekte Qwirkle-Spiel mit 108 Steinen mit vollkommen symmetrischen Aufbau ermöglicht: Die Fläche dieser Lösung hat das Geschlecht 37, ist also äquivalent zu einer Tasse mit 37 Henkeln. Mit diesem Projekt starteten Lisa Mirlina und Felix Dehnen bei Jugend forscht- zunächst beim Regionalentscheid, dann beim Landesentscheid und schließlich dem Bundeswettbewerb. Sie gewannen den Preis der Deutschen Mathematiker-Vereinigung (DMV) für besonders kreativen Einsatz der Mathematik. Und dann ging es als Delegation nach Japan. Literatur und Zusatzinformationen L. Mirlina, F. Dehnen: Qwirkle, Abschlussbericht im Hector-Seminar, 2014. J. Stillwell: Classical topology and combinatorial group theory, Vol. 72. Springer Science & Business Media, 2012. W. Lück: Topologie, Gespräch mit G. Thäter im Modellansatz Podcast, Folge 40, Fakultät für Mathematik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2014.

Thermophorese beschreibt die von Temperaturegradienten angetriebene, gerichtete Bewegung von Partikeln. Obwohl dieser Effekt seit 1856 bekannt ist, werden die zugrundeliegenden Prinzipien immer noch aktiv diskutiert. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde ein lange vorhergesagter größenabhängiger Übergang der Thermophorese zum ersten Mal experimentell verifiziert. Die Experimente untersuchen ein sphärisches Kondensator Modell für Thermophorese. Um Vorhersagen über ionisches Abschirmen geladener Partikel zu testen, sind Nanopartikel erforderlich, deren Größe im Bereich der Debye Länge liegt: DNA und RNA Oligonucleotide. Der theoretisch prognostizierte Übergang vom Plattenkondensator- über das sphärische Kondensator- bis hin zum isolierte Sphäre-Modell wurde über einen weiten Bereich von Verhältnissen zwischen Partikelgröße und Debye Länge erfolgreich beobachtet. Die Kombination dieser ionischen Thermophorese mit einer etablierten Beschreibung der Temperaturabhängigkeit von Thermophorese von ungeladenen Partikeln reicht aus, um Thermophorese von einzel- und doppelsträngiger DNA und RNA von 5°C bis 75°C und unter Salzkonzentrationen von 0.5mM bis 500mM abzudecken. Dies umfasst einen Großteil biologisch relevanten Bedingungen. Damit lassen sich nicht triviale Abhängigkeiten der Thermophorese in sehr breiten Bereichen von Salzkonzentration und Temperaturen für hoch relevante DNA und RNA Längen mit dem bestätigten Modell vorausberechnen. Diese Experimente geben neue Impulse in der Diskussion über die Rolle von sekundären elektrischen Feldern bei der Thermophorese. Zudem kann dieses neu gewonnene theoretische Verständnis die Quantifizierung von Biomolekülaffinitäten verbessern. Kooperatives Binden, das im zweiten Teil untersucht wird, ist entscheidend für das Verständnis vieler intrazellulärer Prozesse wie z.B. der Transkription. Mithilfe von Thermophoresemessungen wird das komplette Bindungsverhalten von mehr als zwei Partnern inklusive der kooperativen Effekte untersucht, die komplexe Molekül-Interaktionen formen. Die hier präsentierte, neu entwickelte Prozedur ist sehr flexibel und setzt nur einen fluoreszierzmarkierten Bindungspartner voraus. Im Gegensatz zu Methoden, die auf der Sättigung einer Bindung bei gleichzeitiger Untersuchung einer anderen beruhen, macht dieser neue Ansatz viele zusätzliche kooperative Molekülsysteme zugänglich. Kooperatives Binden eines sternförmigen, dreiteiligen DNA-Komplexes wird mit einer einzigen Messung aufgedeckt. Bindungskonstanten und thermophoretische Eigenschaften der Komplexe werde mit Messungen von Titrationsreihen innerhalb des Konzentrationswürfels untersucht. Diese Methode kann zu einer bisher fehlenden, flexiblen Messtechnik für kooperative Effekte bei geringer Veränderungen der untersuchten Systeme werden.

Eine kritische Vorraussetzung für eine effektive Krebstherapie stellt die Identifizierung von Tumor-spezifischen oder Tumor-assoziierten Antigenen (TAAs) dar. Diese Antigene sollten Peptidsequenzen besitzen, die an MHC-Moleküle binden. Auch sollten diese von Tumorzellen prozessiert und auf MHC-Molekülen präsentiert werden. Ein weiteres TAA-Kriterium stellt die Überexpression im Tumor dar, was eine Erkennung durch T-Zellen ermöglicht und folglich eine Tumor-spezifische Immunantwort nach sich ziehen soll. Bei der B-chronischen lymphatischen Leukämie (B-CLL) wurden bislang nur wenige Tumorantigene identifiziert, die als potentielle Zielstrukturen für eine Generierung einer spezifischen T-Zellantwort in Frage kommen. Daher sind die Bestrebungen groß, neue B CLL-assoziierte Antigene zu identifizieren. In dieser Arbeit wurden die Moleküle hTERT, CD23 und CD229 hinsichtlich ihrer Möglichkeiten untersucht, als TAAs bei der B-CLL zu fungieren. Die katalytische Untereinheit der humanen Telomerase Reverse Transkripase (hTERT), stellt ein universelles Tumorantigen dar, das in einer Vielzahl verschiedener Krebstypen, einschließlich hämatopoetischer Erkrankungen, exprimiert wird, jedoch nicht oder nur in geringem Maße bei adulten, gesunden, differenzierten Zellen detektierbar ist. Der humane Niedrig-Affinitätsrezeptor für IgE, auch bekannt als CD23, ist auf verschiedenen hämatopoetischen Zellen zu finden. Bei der B-CLL wird CD23 konstitutiv exprimiert und atypisch auf den malignen B-Zellen reguliert im Vergleich zu normalen B-Lymphozyten. Dies hat eine starke Überexpression des Moleküls zur Folge. Das Humane Ly9 oder CD229, das Homolog zum murinen Ly9, ist ein Mitglied der SLAM- (signaling lymphocyte activation molecule) Familie, die Singnalrezeptoren repräsentieren. CD229 interagiert mit Antigen-spezifischen Rezeptoren und vermittelt so die Zelladhäsion zwischen Lymphozyten und anderen Zellen. Die Überexpression von CD229 auf hämatopoetischen Zellen wurde in einer Publikation beschrieben, die gezeigt hat, dass 12/15 B-CLL Patienten positiv für das Molekül waren. Ein Merkmal eines Tumorantigens/TAAs stellt die Überexpression in einem Tumor im Vergleich zum Normalgewebe dar. Alle drei Antigene wurden bezüglich ihres Expressionsprofils untersucht, und es konnte eine eindeutige Überexpression verglichen mit normalen Zellen nachgewiesen werden (RT-PCR, FACS-Analysen). Die Immunogenität und MHC-Restriktion (hier HLA-A0201) der ausgewählten Peptide wurde mit Hilfe in vitro generierter zytotoxischer T-Zellen (CTLs) von gesunden Spendern gezeigt, die Antigen-spezifisch durch Stimulation mit autologen, Peptid-beladenen Dendritischen Zellen (DCs) expandiert wurden. Die endogene Prozessierung und Präsentation der potentiellen Tumorantigene, genauer der verschiedenen hTERT-, CD23- und CD229-entstammenden Peptide, konnte mit Hilfe Antigen-spezifischer CTLs von gesunden Spendern nachgewiesen werden, da diese spezifisch die HLA-A0201+ B-Zell-abstammende Zelllinie Ramos, HLA-A0201+ naive B-CLL Zellen und Peptid-beladene T2-Zellen in MHC-I-restringierter Weise erkannten (IFN-γ-ELISPOT Assays, [Cr51]-release Assay). Diese Experimente lassen auf eine natürliche Prozessierung und Präsentation der hTERT-, CD23- und CD229-entstammenden Peptide via HLA-A0201 auf den B-CLL Zellen schließen. Des Weiteren konnten autologe hTERT-, CD23- and CD229-spezifische T-Zellen von B-CLL Patienten in Gegenwart von autologen CD40L-aktivierten B CLL Zellen und interessanterweise auch durch autologe, naive, maligne B-Zellen expandiert werden, die einen deutlichen Anti-leukämischen Effekt zeigten (IFN-γ-ELISPOT Assays, Dimerfärbungen). Ein möglicher Grund für die Generierung einer T-Zellantwort mit autologen naiven B-CLL Zellen als Stimulatoren scheinen das von den B-CLL Zellen vermittelte Mikromilieu (Zytokinprofil) darzustellen. Anhand der Quantität und Qualität der erzielten CTL-Reaktivitäten gegen die drei unterschiedlichen Moleküle zeigte sich, dass vor allem die Oberflächenmoleküle CD229 und CD23 als neue TAAs bei der B-CLL geeignet scheinen. hTERT ist ebenfalls in der Lage, eine Antigen-spezifische T-Zellreaktion zu induzieren, jedoch mit geringerer Effizienz. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass CD229 und CD23 natürlich prozessiert und als TAAs bei der B-CLL präsentiert werden, die die Expansion autologer Tumor-spezifischer T-Zellen erlauben. Daher stellen sie geeignete Zielstrukturen für T-Zellbasierte, immuntherapeutische Strategien und ein Immunmonitoring bei dieser hämatologischen Erkrankung dar. Für hTERT gilt dies jedoch nur bedingt.

In der vorliegenden Arbeit wurden die diffusiven und elektrophoretischen Eigenschaften von Desoxyribonuklein-säure (DNA) und die Selbstassemblierung von DNA-Chromophor-Hybridmolekülen untersucht. Hierzu wurden, neben Gelelektrophorese und temperaturabhängigen Absorptionsmessungen, vor allem Fluoreszenz-Korre-lationsmethoden angewandt. Um quantitative Aussagen mittels Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (FCS) über die freie Diffusion von doppelsträngigen (ds) DNA-Fragmenten (75 bp - 1019 bp) in wässrigen Lösungen zu treffen, wurden laserleis-tungsabhängige Messungen durchgeführt. Diese Experimente ergaben, dass photophysikalische Effekte wie Triplettrelaxation, Isomerisations- oder Bleichprozesse die Autokorrelation entscheidend beeinflussen. Die Län-genabhängigkeit der gemessenen Diffusionskonstanten kann mit einem Stabmodell beschrieben werden, das für alle verwendeten dsDNA-Fragmente, die Konturlängen von bis zu 7 Persistenzlängen aufweisen, Gültigkeit besitzt. In diesem Zusammenhang konnte auch gezeigt werden, dass kleinere Diffusionskonstanten lediglich bei der Zuga-be von zweiwertigen Salzen und bei hohen Salzstärken (> 0,1 M) beobachtet werden. Durch eine Komplexierung der dsDNA-Fragmente mit kationischen und neutralen Lipiden war es möglich, dsDNA in ein unpolares Lösungs-mittel (n-Alkan) zu überführen. Durch Messung der freien Diffusion konnte die Monodispersität von Lipid-dekorierten dsDNA-Fragmenten festgestellt werden. In der unpolaren Phase wurde eine kritische DNA-Konzentration (≈ 10 nM) festgestellt, die für die Stabilität der DNA-Lipid-Komplexe notwendig ist. In der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Müllen am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz wurde ein DNA-Chromophor-Hybrid synthetisiert, bei dem an ein zentrales Farbstoffmolekül (Perylen) beidseitig jeweils ein kurzes ca. 20 Basen langes Oligonukleotid (ODN) kovalent angebunden wurde. FCS-Messungen, die die intrinsi-schen Fluoreszenzeigenschaften des Hybrids ausnutzten, konnten die Löslichkeit und Monodispersität der Hybride bzw. der Lipid-Hybrid-Komplexe sowohl in wässriger Phase als auch in Alkanen nachweisen. Durch eine geeigne-te Wahl der ODN-Sequenzen und der Anknüpfungsstelle der ODN an den Farbstoffkern entstanden durch Basen-paarung unterschiedliche, supramolekulare Strukturen, die in Gelelektrophorese-Experimenten nachgewiesen wur-den. Symmetrische DNA-Chromophor-Hybride können neben beliebig langen, linearen Ketten bei entsprechender Modifikation der Bausteine sandwichartige Dimere ausbilden. Asymmetrische Hybride ermöglichen den Aufbau linearer Strukturen definierter Länge (z. B. Dimere). Die thermodynamischen Eigenschaften der unterschiedlichen, supramolekularen Konstrukte wurden durch tempe-raturabhängige Absorptionsexperimente untersucht. Die Denaturierung der linearen kettenartigen Strukturen kann durch ein Zwei-Zustands-Modell beschrieben werden, dessen energetische Eigenschaften sehr gut mit denen der verwendeten ODN übereinstimmen. Im Fall der sandwichartigen Strukturen musste für den Schmelzübergang ein Drei-Zustands-Modell angenommen werden, wobei die eingebauten Farbstoffkerne eine energetische Wechselwir-kung vermittelten. Neben der freien Diffusion von dsDNA wurde deren elektrophoretische Drift untersucht. Dazu wurde ein Mikroe-lektrophorese-System entwickelt, bei dem die Drift im elektrischen Feld mittels zweier Laserfoki detektiert wird, die einen Abstand von ca. 5 µm aufweisen. Hierbei wirken die beiden Foki wie eine mikroskopische „Lichtschran-ke“; die Driftzeit wird dabei durch eine Orts-Orts-Kreuzkorrelation der beiden Fluoreszenzsignale zugänglich ge-macht. Auf Grund der methodisch bedingten sehr hohen Ortsauflösung ist es möglich, detaillierte Aussagen über die elektrophoretischen und elektroosmotischen Anteile an der Drift zu treffen. Experimente mit unterschiedlichen Feldstärken zeigen, dass eine Temperaturänderung durch den Eintrag von Joulscher Wärme nicht vernachlässigbar ist. Die elektrophoretische Mobilität ist in freier Lösung bei der verwendeten dsDNA unabhängig von der Frag-mentlänge und beträgt im Mittel 4,5∙10-4 cm2/Vs. Durch die gleichzeitige Messung von Drift und Diffusion konnte neben der elektrophoretischen Mobilität der dsDNA-Fragmente auch der Einfluss der hydrodynamischen Reibung ermittelt werden. Dadurch zeigt sich, dass neben der elektrostatischen Kraft und der Reibungskraft auch hydrody-namische Abschirmeffekte berücksichtigt werden müssen, um mit einem entsprechenden Kraftbild die Elektropho-rese-Experimente zu erklären. Im Gegensatz zu den Messungen in freier Lösung zeigt die elektrophoretische Drift der dsDNA-Fragmente in ei-nem physikalischen Polyethylenoxid-Netzwerk eine Längenabhängigkeit, die einem Potenzgesetz folgt (exp=-0,3). Berechnet man das Auflösungspotential der Elektrophorese-Experimente und vergleicht dies mit theoretischen Vorhersagen, so ergibt sich, dass die Diffusion im Vergleich zur Detektorausdehnung den deutlich stärker limitie-renden Faktor bezüglich des Auftrennpotentials unterschiedlich langer DNA darstellt. Die Auftrennung unter-schiedlich langer dsDNA-Fragmente in der Lösung konnte experimentell nachgewiesen werden, wobei die Auflö-sungsgrenze ungefähr 400 bp betrug. Die vorgestellten Ergebnisse belegen, dass FCS zur quantitativen Charakterisierung der Diffusion eingesetzt wer-den kann. Darüber hinaus erlaubt die simultane Messung von elektrophoretischer Drift und Diffusion mit Hilfe von Doppelfokus-FCS, die Bildung von supramolekularen Konstrukten im Bezug auf Ladung und Geometrie mit einer Zeitauflösung im Minutenbereich zu verfolgen.

In dieser Arbeit wurde untersucht, inwieweit eine transkranielle Magnetstimulation (TMS) des Parietalkortex die Efferenzkopie und das transsakkadische Gedächtnis für räumliche Information beeinflussen kann. Um die beabsichtigte Störung dieser für die visuelle Raumkonstanz benötigten Gehirnfunktionen zu erfassen, wurden sakkadische Augenbewegungsexperimente durchgeführt, die verschiedene psychophysische Aufgaben für die Probanden enthielten. Diese Experimente unterschieden sich in der Darbietungsdauer und –kontinuität des Zielobjektes (konstant vorhanden oder ausgeblendet), im Präsentationsort des Zielobjektes auf dem Computerbildschirm, in der Richtung der hervorgerufenen Sakkaden (horizontal oder vertikal), im Zeitpunkt des TMS-Impulses und im kortikalen Stimulationsort (parietal, okzipital und frontal). Anhand eines Purkinje-Eyetrackers wurden okulomotorische, mithilfe eines an den Computer angeschlossenen Tastenbrettes perzeptive Parameter aufgezeichnet. Zusammenfassend ergaben die Experimente Folgendes: Die Latenzen der sakkadischen Augenbewegungen wurden weder durch eine parietale, noch durch eine okzipitale oder frontale magnetische Stimulation verändert. Die Genauigkeit der Sakkaden wurde dagegen durch die Aktivierung des Parietalkortex beeinträchtigt. Dies ist ein Hinweis, dass die Efferenzkopie und der transsakkadische Speicher durch die TMS über dem parietalen Kortex gestört wurden. Die okzipitale Kontrollstimulation führte nicht zu einer Beeinflussung der Sakkadengenauigkeit. Bei der frontalen Stimulation ergab sich eine Verschlechterung der Genauigkeit vertikal gerichteter Sakkaden, die möglicherweise durch eine Mitaktivierung des frontalen Augenfeldes oder des präfrontalen Kortex erklärt werden kann. Bei der Analyse der perzeptiven Daten zeigte sich eine eindeutige Störung der Wahrnehmung durch parietale Magnetstimulation. In einem Experiment mit kurzem Aufleuchten eines erst horizontal dann vertikal verschobenen Zielobjektes bewirkte die magnetische Stimulation des posterioren Parietalkortex eine Herabsetzung der Sensitivität der Probanden für die transsakkadische Verschiebung des Zieles und somit eine erhöhte Fehllokalisierung des Zielobjektes nach der Sakkade. In einem anderen Experiment mit Ausblenden des Zielobjektes zwischen zwei horizontalen Präsentationen des Zieles rief die parietale Stimulation eine Wahrnehmungsverschiebung bei den Versuchspersonen hervor: Unabhängig von der tatsächlichen Verschiebung des Zielobjektes während der Sakkade wurde dessen zweite Verschiebung häufiger entgegen der Richtung der ersten Zielverschiebung wahrgenommen. Diese TMS-Wirkung auf die Perzeption war spezifisch für den Parietalkortex, da die Stimulation des Okzipitalkortex keinen Effekt auf die Wahrnehmung der Versuchspersonen zeigte. Wesentliches Ergebnis unserer Studie ist, dass die transsakkadische Wahrnehmung von Zielpunkten durch die magnetische Stimulation des posterioren Parietalkortex gestört wird. Limitierend für die Ergebnisse ist, dass eine genaue Zuordnung der Stimulationsorte zu darunter liegenden Hirnstrukturen, bedingt durch die gewählte Technik, nicht möglich ist und die Ergebnisse nicht ausschließen, dass zu anderen Zeitpunkten oder auch an anderen Orten ebenfalls eine Beeinflussung der Wahrnehmung der Zielverschiebung zu erreichen ist. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit unterstreichen jedoch die substantielle Bedeutung des posterioren parietalen Kortex für die transsakkadische Verrechnung von Bildverschiebungen und tragen somit zum Verständnis der zerebralen Vorgänge zur Aufrechterhaltung der räumlichen Wahrnehmungsstabilität, trotz der großen Veränderungen der retinalen Projektion der visuellen Welt über die Sakkade hinweg, bei.

Untersuchung der Reaktionszyklen von Chaperoninen aus Escherichia coli und Thermoplasma acidophilum mit Hilfe der Neutronenkleinwinkelstreuung Am Thermosom wurden bisher noch keine Komplexe untersucht. Hier war von großem Vorteil, daß bei SANS kein Strahlenschaden auftritt und damit Proben modifiziert und anschließend noch einmal gemessen werden konnten. a) b) c) Abbildung 5.2: schematische Darstellung verschiedener Thermosom-Konformationen: a) offenen Konformation, b) geschlossene Konformation c) Bullet-Konformation Ergebnisse Ergebnisse zu GroE - Zum Verständnis der allosterischen Wechselwirkungen innerhalb von GroEL wurde die Lösungsstruktur einer „single-ring“-Mutante von GroEL untersucht. Die Strukturen von apo-single-ring-GroEL und ADP-Komplexen aus protoniertem singlering- GroEL und protoniertem GroES unterscheiden sich nicht oder nicht meßbar von den entsprechenden Strukturen im Kristall. Bei einer Messung mit ADP-Komplexen aus unsichtbarem single-ring-GroEL und sichtbarem GroES wurde dagegen in der Lösungsstruktur eine im Kristall nicht vorhandene Konformationsänderung von GroES beobachtet. Dies bestätigt frühere mit wild-type GroEL durchgeführte Versuche. - Symmetrische Komplexe aus GroEL und GroES, sogenannte Football-Komplexe, werden als wichtiger Zwischenschritt im GroE-Reaktionszyklus diskutiert. In Anwesenheit von AMP-PNP konnten Football-Komplexe aus protoniertem, gematchtem GroEL und deuteriertem GroES nachgewiesen werden. In der Neutronenstreuung zeigen diese Komplexe eine charakteristische Hantelstruktur. Die beiden GroES-Moleküle haben einen Abstand von ca. 200Å (siehe Pfeil in Abb. 5.1c). Mit einer Titratonsreihe konnten wir die Dissoziationskonstante des zweiten GroES-Heptamers in diesen Komplexen mit einem Wert von 2×10-7M bestimmen. - Der Phage T4 hat ein Gen für ein eigenes Co-Chaperonin, GP31, das eine starke Analogie zu GroES aufweist. Wir verglichen die beiden Co-Chaperonine, um zu verstehen, warum GP31 lebenswichtig für den Phagen ist. Aus GroEL und GP31 wurden dazu in Anwesenheit von AMP-PNP Football-Komplexe gebildet. Bei diesen Komplexen ist das Co-Chaperonin etwa 5Å weiter vom Zentrum des Gesamtkomplexes entfernt, als im Fall der GroEL-GroES-Komplexe. Dieses Ergebnis unterstützt die These, GP31 sei nötig, um für die Faltung des Phagenproteins GP23 einen größeren Anfinsen-Cage zu schaffen. GP31 scheint unter vergleichbaren Bedingungen stärker zur Bildung von Football-Komplexen zu neigen als GroES. Bei der Bindung an GroEL ändern GP31 und GroES ihre Konformation. - In Verdrängungsversuchen wurde das Bindungsverhalten von GroES und GP31 an GroEL untersucht. Hierzu wurden mit Hilfe von ADP-Komplexen aus sichtbarem GroEL mit sichtbarem Co-Chaperonin vorgeformt. Das sichtbare Co-Chaperonin wurde dann mit unsichtbarem GroES verdrängt, so daß in den neugebildeten Komplexen nur noch GroEL ein Streusignal gab. Die beobachteten Zerfallsreaktionen mit Halbwertszeiten in der Größenordnung von Stunden lassen sich mit zwei Exponentialfunktionen beschreiben. Dies ist ein Indiz für das Auftreten von verschiedenen Populationen an GroEL-Co-Chaperonin-Komplexen. In allen Fällen waren die Dissoziationsraten bei den GroEL-GP31-Komplexe geringer als bei GroEL-GroES-Komplexen. Komplexe von GroEL mit GP31 sind also stabiler als solche mit GroES. - Bei einer Reihe von Versuchen mit GroEL und Substratprotein (MPB-Y283D) konnten unter anderem 1:2 Komplexe aus GroEL und Substrat und Trans-Komplexe aus GroEL, GroES und Substrat nachgewiesen werden. Diese Experimente zeigten übereinstimmend einen Abstand von 60Å des MPB zum Zentrum von GroEL. Wegen der notwendigen Denaturierung von MBP und anderen Substratproteinen wurden jedoch die Streukurven sehr häufig von Aggregaten gestört. SANS-Experimente mit Substratprotein sind daher wesentlich schwieriger als Versuche mit GroES oder GP31. Ergebnisse zum Thermosom - Die geschlossene Konformation von Thermosom in der Kristallstruktur rührt nicht von der Bindung von Mg-ADP-AIF3 her, sondern vom für die Kristallisation verwendeten Ammoniumsulfat . In Anwesenheit von ADP mit 2M Phosphat, schließt sich das Thermosom auch in physiologischem Puffer. Durch die hohe Phosphat- Konzentration ist davon auszugehen, daß sich in den Nukleotidbindungstaschen des Proteins neben ADP freie Phosphat-Ionen befinden. Die Konformation entspricht also dem Zustand unmittelbar nach der ATP-Spaltung. Wird die Probe auf 50°, die physiologische Temperatur von T. acidophilum, erwärmt, schließt sich das Thermosom in Anwesenheit von ATP. In Kombination mit den Messungen an anderen Thermosom-Nukleotid-Komplexen konnten damit Zwischenzustände im strukturellen Reaktionszyklus des Chaperonins charakterisiert werden. - Bei einer Reihe von Pufferbedingungen wurde die Bildung von Komplexen höherer Ordnung beobachtet. Von anderen Autoren war aufgrund von EM-Arbeiten vorgeschlagen worden, daß Thermosom kein Chaperonin, sondern ein Baustein des Cytoskeletts ist (Trent et al., 1997, 1998). Für die von uns gefundenen Strukturen sind Thermosom-Filamente jedoch keine befriedigenden Modelle. Da sich diese Komplexe höherer Ordnung in der Lösung außerdem bei einer Annäherung an physiologische Bedingungen auflösen, kann davon ausgegangen werden, daß sie in vivo nicht relevant sind. methodische Ergebnisse - Es wurde gezeigt, daß GroEL und GroES einen sehr homogenen Deuterierungsgrad haben, wenn die Bakterien vor der Reinigung unter gut kontrollierten Wachstumsbedingungen im Fermenter gezogenen werden. Das Protein erscheint dann in Kontrastausgleichsexperimenten im geeigneten Puffer, in unserem Fall nahe 99% D2O, als unsichtbar. - In einer Reihe von „stopped-flow“-Messungen wurde gezeigt, daß mit SANS (bei einer Aufsummierung von Daten mehrerer Messungen) grundsätzlich eine Zeitauflösung bis in den Sekundenbereich bei Experimenten an GroEL oder vergleichbar großen Molekülen möglich ist. Um biologisch relevante Ergebnisse erreichen zu können, ist jedoch weitere Arbeit an der Instrumentierung, speziell der Mischapparatur nötig.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Charakterisierung der der Rolle von T-Zellen in der Kolitis der Interleukin-2 defizienten Maus (IL-2-/-) und der Beteiligung der physiologischen Darmflora an der Pathogenese. Die Untersuchungen der mRNA-Expression im Kolon ergaben, daß die Kolitis der IL-2-/- Maus durch die Zytokine TNF-α, IFN-γ und IL-1 gekennzeichnet war, was auf eine T-Zell vermittelte Immunreaktion vom TH1-Typ schließen läßt. Ausserdem konnte mit dieser sensitiven Methode gezeigt werden, daß die Abwesenheit einer bakteriellen Darmflora zu einer drastischen Minderung der Kolits führte. Daraus kann man ableiten, daß der Einfluss der Nahrungsantigene auf die Koilitis eher gering ist, wogegen die bakterielle Darmflora den massgeblichen Stimulus für die Entstehung der Kolitis der IL-2-/- Maus darstellt. Ausserdem ist die Identifizierung der am Entzündungsgeschehen beteiligten Zytokine Voraussetzung für die Entwicklung neuer Pharmaka zur Beeinflussung dieser Mediatoren. Die durchflusszytometrischen Untersuchungen und die Analyse des Migrationsverhaltens belegten die vermehrte Einwanderung von αβTCR+CD4+ T-Zellen in das Kolon erkrankter Tiere. Eine direkte Beeinflussung von CD4+ T-Zellen könnte daher ebenfalls eine neue Therapieoption sein. Die Studien der der pathologisch gesteigerten T-Zell Einwanderung zu Grunde liegenden Mechanismen ergaben, daß dem endothelialen Addressin MAdCAM-1 eine dominante Rolle in der Lymphozytenrekrutierung in der Kolitis der IL-2-/- Maus zukommt, wogegen das Addressin VCAM-1 keine nachweisbare Beteiligung an der Vermittlung der Inflammation hat. Ferner zeigte die vorliegende Studie auch, daß die Funktion von MAdCAM-1 bei der Rekrutierung von CD4+ T-Zellen auch während der Kolitis auf das Darmkompartiment beschränkt bleibt. Dies macht MAdCAM-1 zu einer sehr interessanten Zielstruktur für einen neuartigen therapeutischen Ansatz zur Behandlung von CED. Gleichzeitig belgen die präsentierten Daten, daß eine weitgehende funktionelle Blockade der Lymphozytenrekrutierung an den Ort der Entzündung mit monoklonalen Antikörpern möglich ist. Experimente mit einer längeren Anwendungsdauer der monoklonalen Antikörper werden über die therapeutische Wirksamkeit und die Sicherheit dieser Anwendung Auskunft geben. Die Analyse der Reaktivität der interstinalen T-Zellen der IL-2-/- Maus gegenüber Antigenen der bakteriellen Darmflora ergab keinen Hinweis auf eine gesteigerte proinflammatorische Reaktivität. Durch die Etablierung von spezifischen T-Zellinien konnte im Gegenteil sogar gezeigt werden, daß trotz der massiven Inflammation des Kolons der IL-2-/- Maus T-Zellen mit potentiell antiinflammatorischem Zytokinmuster vorhanden waren. Dies widerlegte die Anfangshypothese einer pathologisch gesteigerten T-Zell Reaktivität gegenüber Antigenen der Darmflora und impliziert, daß T-Zellen nicht primär in die Krankheitsentstehung verwickelt sind, sondern sekundär aktiviert werden und daraufhin die klinische Manifestation der Kolitis vermitteln. Zukünftige Untersuchungen werden der Frage nachgehen, welche Zellen direkt von der Flora stimuliert werden und wie dies zu einer sekundären Beteiligung von T-Zellen führt. Die bedeutende Rolle der Darmflora für die Entstehung von CED kann als gesichert gelten. Für Bacteroides vulgatus lagen zu Beginn der vorliegenden Arbeit mehrere Berichte über eine Beteiligung an der Kolitis in CED-Modellen vor. Um die Beteiligung verschiedener apathogener Vertreter der physiologischen Darmflora an der Kolitisentstehung in der IL-2-/- Maus zu untersuchen, wurden Mäuse mit einem oder zwei apathogenen Keimen der Darmflora besiedelt. Diese Experimente zeigten, daß Escherichia coli alleine eine massive Kolitis auslöste, wogegen Bacteroides vulgatus keine Kolitis bewirkte und im Gegenteil sogar vor der E. coli-induzierten Kolitis schützte. Erste Arbeiten zu den hierbei beteiligten Mechanismen zeigten keine vermehrte Epitheladhärenz von E. coli in Mäusen mit Kolitis. Die Suche nach einigen bekannten E. coli-Virulenzfaktoren für den Menschen blieb negativ. Bei gleichzeitiger Anwesenheit von E. coli und B. vulgatus kamen beide Keime in erhöhter Dichte im Stuhl vor, so daß eine Kompetition um Nahrungsangebot nicht für die Verhinderung der E. coli-induzierten Kolitis durch B. vulgatus verantwortlich war. Diese Daten zeigen, daß ein vermeindlich apathogener Vertreter der Darmflora im entsprechend prädisponierten Organismus eine schwere Kolitis auslösen kann. Da die hierfür verantwortlichen Mechanismen und Virulenzfaktoren noch nicht aufgeklärt sind, mahnen die gewonnenen Erkenntnisse zu großer Sorgfalt bei der Auswahl von E. coli-Stämmen zur probiotischen Therapie. Zukünftige Arbeiten werden sich mit der Aufklärung der für die Kolitisinduktion relevanten Virulenzfaktoren von E. coli beschäftigen.