Overview of research projects

Project Details:
Many animals use colorations in antipredator strategies. Cryptic coloration conceals the animal on its natural substrate while bright aposematic coloration is paired with unpalatability, for example conveyed by toxins, and functions as warning signal. Geographic variation in coloration shades or patterns have been interpreted as local adaptations to the prevailing local substrates and predator classes. Yellow bellied toads are particularly exciting study objects since they present a cryptic grey-brown coloration in their dorsum, but a highly contrasting yellow-black pattern on their bellies. The toads also possess highly poisonous bombinatoxins in their skin and use a deimatic display, the so-called Unkenreflex, when a predator is close. We studied variation in the cryptic and aposematic coloration in three local populations in Southern Lower Saxony. We found the toads to be most cryptic dorsally on their local substrates, while the internal aposematic contrast on the belly remained constant. Furthermore we investigate whether the toads are able to change their dorsal coloration when placed on substrates of different colorations (darker and brighter substrates). In the next steps, we will analyze whether toads from different localities and substrates differ in their capacities of coloration plasticity and which genes show differential expression (e.g. genes involved in the production of melanin) while the animals adapt their cryptic coloration to their current substrate. Finally we will carry out predation experiments with clay model toads in the field to find out whether the adaptation of cryptic coloration to the local substrate helps to decrease the attack risk by predators.

Results:

Preißler KP, Rodríguez A, Pröhl H (2021) Evidence for coloration plasticity in the yellow-bellied toad, Bombina variegata. Ecology and Evolution, 11: 17557-17567. https://doi.org/10.1002/ece3.8391

Cooperation Partners:

Kathleen Preißler, TU Braunschweig

Project Details:
Pferde, die am Equinen Metabolischen Syndrom (EMS) oder an der Pituitary Pars Intermedia Dysfunction (PPID) leiden, entwickeln im Zuge dieser Erkrankung eine endokrinologische Störung des Glukose- und Insulinstoffwechsels in Form einer Insulin Dysregulation (ID). Hierbei kommt es zu einer übermäßigen
Ausschüttung von Insulin nach Kohlenhydrataufnahme, einer basalen
Hyperinsulinämie (pathologischer Insulinüberschuss im Blut) oder auch einer peripheren Insulinresistenz, wobei die Aufnahme von Zuckern aus dem Blut in die Zelle gestört ist. Pferde, die an einer ID leiden, haben ein erhöhtes Risiko Hufrehe zu entwickeln und neigen dazu eine regionale oder generalisierte Adipositas (Fettleibigkeit) zu entwickeln. Durch die Untersuchung verschiedener Proteine, die maßgeblich an der Insulinsignalkaskade beteiligt sind, unter nicht- stimulierten und stimulierten Bedingungen, soll versucht werden die zugrundeliegenden Pathomechanismen für dieses Risiko bei Pferden mit EMS oder PPID näher zu charakterisieren. Aufgrund der hohen
Bedeutung dieser Stoffwechselerkrankung beim Pferd ist es unabdingbar das Verständnis der ID als Kardinalsymptom von EMS und PPID auch auf molekularer Ebene voran zu treiben um mit diesen Erkenntnissen kausale Therapieansätze entwickeln zu können.

Cooperation Partners:

Prof. Dr. Korinna Huber, Institut für Nutztierwissenschaften, Fg. Funktionelle Anatomie der Nutztiere, Universität Hohenheim, Stuttgart

Funding: Industry (Veterinary pharmaceuticals/Vaccines), 25.000 EUR

Project Details:
Oral glycemic challenge tests are recommended for diagnosis of insulin dysregulation in equines. Several different protocols are used, but all of them have limitations in terms of palatability, ease of use in the field, not fully disclosed composition and/or region specific availability. The aim of the study is to evaluate new carbohydrate formulations and test their palatability and accuracy as oral glycemic challenge test for assessment of insulin dysregulation in equines.

Project Details:
Zunehmend werden die Folgen des Einsatzes auf die Umwelt und den Populationsrückgang verschiedener Vogelspezies, wie dem Mauersegler, sichtbar.Mit diesem Hintergrund sollen Organe von Mauerseglern retrospektiv (Jahre 2009 - 2016) und prospektiv (Jahre 2017 - 2018) auf ausgewählte Pestizide untersucht und ein möglicher Einfluß auf den Gesundheitszustand dieser Vögel überprüft werden.

Results:

https://www.mdpi.com/2306-7381/8/5/87

Project Details:
Kombination einer klinischen bildgebenden Arbeit in der Klinik für Heimtiere, Reptilien, Zier- und Wildvögel; Bildgebende Untersuchungen des Respirationstraktes klinisch gesunder Bartagamen (Pogona spp.) unter Berücksichtigung beeinflussender Parameter in Kombination mit anatomischen und histopathologischen Betrachtungen des Respirationstraktes der Bartagamen; Gemeinschaftsprojekt und Kooperation mit dem Anatomischen Institut.

Funding: Nds. Ministerium für Wissenschaft und Kultur, 248.000 EUR

Project Details:
Der Darm spielt für viele vom Tier auf den Menschen übertragbare Erkrankungen (sog. Zoonosen) eine entscheidende Rolle. Sowohl in der Etablierung einer Infektion, als auch für die Ausscheidung von Pathogenen und der damit potentiell verbundenen Ausbreitung einer Infektion. Während verschiedene auf Zellkulturen basierende In-vitro-Systeme für die Erforschung von Krankheitsmechanismen bei Mäusen, Ratten und dem Menschen zur Verfügung stehen, ist für die Untersuchung solcher Vorgänge bei Nutztieren (z. B. bei Schweinen, Rindern oder Geflügel) immer noch die Verwendung von direkt aus dem Tier entnommenen Primärzell- oder Organkulturen oder sogar der Einsatz von Tieren notwendig. Aus diesem Grund sind neue Ansätze zur Entwicklung von In-vitro-Modellen zur Erforschung zugrundeliegender molekularer Mechanismen von Infektionen bei Nutztieren von großem Interesse, insbesondere vor dem Hintergrund, dass Nutztiere häufig Träger bzw. Überträger zoonotischer Krankheitserreger sind. Der Zweck des vorliegenden Projektes besteht daher darin, ein Modell des Darms zu entwickeln, indem erstmalig die sog. "Colon-Simulations-Technik" (Cositec) mit der "Ussing-Kammer-Technologie" verknüpft wird. Dabei wird intakte Darmschleimhaut von Nutztieren in Ussing-Kammern eingespannt und zeitgleich mit dem Inhalt des Cositec-Systems inkubiert, so dass eine Konfrontation des Darmepithels mit dem physiologischen Darminhalt erfolgen kann. Die Kombination dieser beiden gut etablierten Methoden ermöglicht es so, ein In-vitro-Modell zu entwerfen, dessen Bedingungen weitestgehend mit den In-vivo-Verhältnissen übereinstimmen. In einem ersten Schritt werden die Vitalität und Funktionalität des Darmepithels in diesem System anhand von morphologischen, biochemischen und funktionellen Analysen überprüft (z. B. mittels Histologie, PCR oder Nährstoffaufnahme). Von großer Bedeutung ist dabei, dass das für alle Analysen verwendete Darmgewebe nicht von Versuchstieren stammt, sondern stets auf konventionellen Schlachthöfen gewonnen wird. So kann auf den Einsatz von Versuchstieren vollständig verzichtet werden. Im darauffolgendem Schritt soll eine Inkubation des Darmepithels mit Zoonoeserregern (z. B. enterotoxische und enteropathogene E. coli) erfolgen, um Infektionsmechanismen dieser Pathogene und deren Auswirkungen auf den Darm genauer untersuchen zu können. Sollte dieses neue System funktionieren, würde es, abgesehen von der Erforschung von Infektionserkrankungen, eine Vielzahl von weiteren Nutzungsmöglichkeiten bieten. Dazu gehören beispielsweise physiologische, toxikologische oder auch pharmakologische Fragestellungen. Weiterhin könnten in diesem Modell auch Zellkulturen des Darmes eingesetzt werden, was die Verwendung von tierischem Material größtenteils überflüssig machen würde. Insgesamt würde eine erfolgreiche Etablierung dieses Systems eine deutliche Abnahme der Versuchstierzahlen zur Folge haben.

Results:

https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0256143

Funding: DFG, 243.950 EUR

Project Details:
CD81 is a transmembrane protein and the receptor for two human pathogens, hepatitis C virus (HCV) and Plasmodium, the causative agent of malaria. Despite substantial differences in their molecular makeup, their transmission and pathology, both pathogens require CD81 to enter liver cells and replicate in these. Also, HCV and the human pathogen Plasmodium falciparum both display a narrow host tropism by naturally only infecting humans and CD81 is one of several host tropism determinants. Since CD81 lacks signaling domains, we had hypothesized that it coordinates HCV and Plasmodium uptake through protein-protein-interactions (PPI). Our previous work identified 68 CD81 PPIs in human hepatoma cells and could show that at least 10 of the CD81 interactors are required for HCV and Plasmodium infection. Currently, the full set of host factors required for CD81-dependent entry of HCV and Plasmodium remains elusive. Moreover, we lack knowledge on how the proteins guide pathogen entry. Here, we propose to confirm HCV and Plasmodium entry host factors based on our previous CD81 receptor interactomics and to characterize the host factors molecular function in depth.

Specifically, this work aims at (1) confirming the relevance of CD81 interactors for HCV and Plasmodium infection; (2) evaluating the specificity of discovered host factors for diverse enveloped viruses, HCV genotypes and Plasmodium species; (3) mechanistically characterizing selected host factors; (4) determining the contribution of the host factors to the narrow tissue and host tropism of HCV and Plasmodium falciparum.

In the first phase of the project we will confirm knockdown phenotypes of all 68 CD81 interactors in hepatoma cells and evaluate the cells susceptibility to HCV and Plasmodium. Genes, which score in this RNA interference assay, will be knocked out by CRISPR/Cas9, a technique, which we successfully applied to hepatoma cells recently. To evaluate the specificity of the host factors, we will infect knockout cells with three enveloped viruses (vesicular stomatitis virus, coronavirus 229E, respiratory syncytial virus), seven HCV genotypes and three Plasmodium species. Broad HCV and Plasmodium host factors will be mechanistically analyzed in terms of the specific entry step they support, their subcellular localization, if applicable their enzymatic activity during pathogen uptake and critical domains in the protein. In the last project phase tissue expression analysis of host factors will reveal possible contributions to liver tropism of HCV and Plasmodium sporozoites. Lastly, complementation of knockout cells with mouse and macaque orthologues of the host factors will highlight possible species restrictions for HCV and Plasmodium. In sum, this work will shed light on the entry of HCV and Plasmodium into liver cells and reveal important aspects of cellular membrane trafficking and signaling.

Funding: Deutsche Forschungsgemeinschaft Bonn, 221.200 EUR

Project Details:
Bei Atemwegsinfektionen von Mensch und Tier lassen sich häufig mehr als ein Erreger nachweisen. Sekundäre Infektionen können den Krankheitsverlauf erschweren. Die grundlegenden molekularen Interaktionen zwischen Erregern und Wirt bei Co-Infektionen sind aber nur wenig untersucht. Um ein in vitro Co-Infektionsmodell zu benutzen, das möglichst nahe an die in vivo-Situation heranreicht, haben wir ein "Air-liquid-interface"-Kultursystem für porzine Atemwegszellen etabliert und damit die Influenzavirus-Infektion differenzierter respiratorischer Epithelzellen untersucht. Dabei zeigte sich, dass die Infektion zu einem Verlust der zilientragenden Zellen führt. Der Verlust wird kompensiert durch Basalzellen, die zu spezialisierten Zellen differenzieren. Diese Zellen halten die Barrierefunktion des Epithels aufrecht, verfügen über eine längere Zeitspanne über keine Zilien. Deshalb können sie nicht zum Reinigungssystem der Atemwege beitragen. Außerdem haben die noch nicht enddifferenzierten Zellen ein anderes Expressionsmuster von Oberflächenproteinen. Daraus folgt unsere Arbeitshypothese, dass die in der Regeneration befindlichen Infektionsherde besonders anfällig für Sekundärinfektionen sind. Im beantragten Projekt wollen wir deshalb untersuchen, wie anfällig Atemwegsepithelzellen nach einer Influenzavirus-Infektion für Sekudärinfektionen sind. Dabei werden wir uns in unserem fokussierten Projekt auf virale Sekundärfektionen beschränken.

In der ersten Phase des Projekts wird durch verschiedene Methoden untersucht, in welchem Ausmaß beim porzinen Atemwegsepithel während der Regeneration nach einer Influenzavirus-Infektion sich die Oberflächenproteine ändern. Unser besonderes Augenmerk gilt einem Virusrezeptor, der porzinen Aminopeptidase N (pAPN), die als Rezeptor für das porzine respiratorische Coronavirus (PRCoV) fungiert. Danach wird vergleichend analysiert, wie sich eine Vorinfektion durch Influenzaviren auf eine nachfolgende Infektion durch PRCoV auswirkt. Die zweite Modellinfektion betrifft das Virus des porzinen reproduktiven und respiratorischen Syndroms (PRRSV). Dieses Virus nutzt Makrophagen als primäre Zielzellen. Wir werden untersuchen, inwieweit nach einer Influenza-Infektion die Adhärenz der PRRSV-infizierten Makrophagen an das Atemwegsepithel gesteigert wird und ob die adhärierenden Makrophagen die PRRSV-Infektion über die Barriere des Atemwegepithels hinweg verbreiten können. Schließlich wird noch untersucht, ob die mit Schweinezellen erhaltenen Ergebnisse auch für humane Zellen Gültigkeit haben.
Die Ergebnisse werden zeigen, inwieweit sich nach einer Influenzavirus-Infektion die Infektionsbedingungen für Sekundärerreger verbessern. Dadurch erwarten wir eine Vertiefung der Kenntnisse über die Interaktionen zwischen Erreger und Wirt bei Co-Infektionen.

Funding: Deutsche Forschungsgemeinschaft, Bonn, 349.450 EUR

Project Details:
Schweine spielen eine wichtige Rolle bei der Entstehung pandemischer Influenza-A-Viren (IAV), die sich weltweit ausbreiten und mit einer erhöhten Morbidität und Mortalität verbunden sind. Dabei handelt es sich gewöhnlich um Reassortanten mit Gensegmenten aus aviären, porzinen oder humanen IAV. Reassortanten entstehen, wenn Atemwegszellen von zwei verschiedenen Viren infiziert werden. Schweine gelten als der wahrscheinlichste Wirt für die Entstehung pandemischer Viren. Wegen dieser Rolle bei der Interspezies-Übertragung von aviären IAV auf Menschen werden Schweine auch als "Mischgefäß" bezeichnet. Früher dachte man, dass porzine Atemwegszellen Bindungsstellen sowohl für porzine/humane IAV (alpha2,6-gebundene Sialinsäuren) als auch für aviäre IAV (alpha2,3-Bindungstyp) enthalten und sich deshalb mehr als menschliche Zellen für Co-Infektionen durch aviäre und humane/porzine IAV eignen. Mittlerweile weiß man jedoch, dass die Sialinsäureverteilung im Respirationstrakt von Mensch und Schwein sehr ähnlich ist. Meine Hypothese lautet, dass porzine Atemwegszellen, die sich von einer IAV-Infektion regenerieren, sich bestens eignen für Co-Infektionen durch IAV. In der Regenerierungsphase differenzieren die Basalzellen zu spezialisierten Zelltypen. In dieser Zeit haben die Zellen noch keine Zilien und sind in der mukoziliären Abwehrfunktion beeinträchtigt. Außerdem ist die Sialinsäureverteilung intermediär zu der von Basalzellen (2,3-Bindungstyp) und enddifferenzierten Epithelzellen (2,6-Bindungstyp), d.h. sie enthalten Sialinsäuren in beiden Bindungstypen.
Zur Bestätigung meiner Hypothese werde ich "Air-liquid-Interface"-Kulturen von ausdifferenzierten porzinen Atemwegszellen anwenden, um die Mono-Infektion durch porzine und aviäre IAV zu vergleichen. Im zweiten Schritt werden respiratorische Epithelzellen, die sich von einer IAV-infektion erholen, charakterisiert, wobei der Fokus auf den Sialinsäuren liegt. Neben einer Färbung mit Lektinen werden Bindungsversuche mit verschiedenen IAV durchgeführt, um herauszufinden, inwieweit sich enddifferenzierte und regenerierende Zellen hinsichtlich der Bindungsstellen für humane, porzine und aviäre IAV unterscheiden. Im dritten Abschnitt wird die Co-Infektion von porzinen Atemwegszellen durch porzine und aviäre IAV untersucht. Zwei Co-Infektion-Szenarios werden verglichen: (i) das aviäre und das porzine IAV werden gleichzeitig zu ausdifferenzierten Atemwegsepithelzellen gegeben; (ii) Infektion durch aviäres IAV erfolgt mit Zellen, die sich nach Infektion durch porzine IAV in der Regenerierungsphase befinden. Abschließend wird die Reassortierungsrate der beiden Co-Infektionsbedingungen bestimmt. Außerdem werden ausgewählte Viren hinsichtlich ihrer Fähigkeit untersucht, humane Atemwegszellen zu infizieren.
Meine Ergebnisse werden neue Einblicke in die Co-Infektion von Atemwegsepithelzellen durch aviäre und porzine/humane IAV bringen und so helfen, die Entstehung pandemischer Influenzaviren besser zu verstehen.

Project Details:
Weiterentwicklung bioinformatischer Algorithmen für Meta-Analysen und Netzwerk-Meta-Analysen basierend auf hoch-dimensionalen Daten aus Transkriptom-, Proteom- und anderen Omics-Experimenten.

Results:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/jrsm.1337

https://bmcgenomics.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12864-018-4914-4