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JLUpub ist das institutionelle Repositorium der Justus-Liebig-Universität.
JLUpub bietet Mitgliedern und Angehörigen der Universität die Möglichkeit neben wissenschaftlichen Dokumenten auch Forschungsdaten elektronisch zu veröffentlichen und dauerhaft zugänglich zu machen. Alle Veröffentlichungen erhalten einen Digital Object Identifier (DOI) und werden über nationale und internationale Bibliothekskataloge sowie Suchmaschinen nachgewiesen und auffindbar.
Neue Veröffentlichungen:
BHLHE40 positively regulates the differentiation of human airway basal cells
(2025) Ghoul, Maroua
Airway basal cells are multipotent stem cell progenitors, which are crucial to maintaining the pseudostratified epithelium. Understanding the molecular mechanisms that regulate their differentiation is essential to unravel how normal and pathological airway epithelial regeneration occurs. With this aim, we performed single-cell RNA sequencing and pseudotime analysis of primary human bronchial epithelial cells (pHBECs) differentiated on air-liquid-interface (ALI) culture, revealing a selective upregulation of the transcription factor BHLHE40 in differentiating intermediate epithelial cells. Using our ALI cultures in combination with lentiviral-based gene transfer, we show that the overexpression of BHLHE40 in human basal cells increased their differentiation into club, goblet, and ciliated cells. Consistent with the overexpression results, the knockdown of BHLHE40 in the ALI cultures reduced basal epithelial cell differentiation. Interestingly, we demonstrate that BHLHE40-mediated loss of basal cell fate through increased differentiation was preceded earlier in the culture by an increase in Notch signaling on day 5. Previous studies have shown that Notch1 signaling activation in basal cells of the murine airway epithelium is associated with the downregulation of basal cell genes and upregulation of luminal differentiation markers. Furthermore, N1ICD overexpression in primary epithelial cells from the human mammary epithelium reduced TP63 expression. Taken together, we propose that BHLHE40-induced loss of basal cells and transition to an intermediate state involves Notch signaling.
To investigate the molecular mechanisms of BHLHE40-induced basal-to-intermediate cell transition and identify its direct transcriptional targets involved in Notch signaling activation driving this transition, we did a 3-step selection by performing a comparative analysis of three datasets: the data from the published BHLHE40 A549 ChIP-sequencing, our differentially expressed transcription factors in the differentiation trajectory of the Submucosal glands (SMGs)-like basal cells toward secretory cells, and our Real-Time qPCR analysis of transduced A549 cells overexpressing GFP or BHLHE40-GFP. We ended up with 8 potential BHLHE40 targets: FOS, HIF1a, MYC, HMGA2, BNC1, ZFP36L1, FOSL1, and SOX9. To confirm that they are transcriptional targets of BHLHE40 in our pHBECs-derived ALI culture, we used CUT&RUN DNA enrichment combined with gene expression analysis of transduced cells overexpressing BHLHE40-GFP from ALI day 14. We show that, although BHLHE40 has bound to HIF1a, BNC1, FOSL1, MYC, HMGA2, and ZFP36L1 genomic regions, it only repressed BNC1 gene expression without affecting the other targets. Consistently, we show that BHLHE40 overexpression reduced the number of BNC1- expressing cells in the basal layer and that BNC1 expression was exclusive to basal cells, further confirming BHLHE40-mediated transcriptional repression of BNC1 in basal cells.
Previous studies showed that BNC1 has a selectively high expression in basal cells of the skin epithelium, which goes down in the Suprabasal and differentiated layers. Consistently, its reduction was associated with the appearance of keratinocytes differentiation marker, suggesting its role in maintaining the undifferentiated basal cell state. In line with our results, we show a correlation between the downregulation of BNC1, the reduction of basal cell markers, and the increase in epithelial cell differentiation following BHLHE40 overexpression on day 14. Taken together, our data indicate that BHLHE40 transcriptionally represses BNC1 expression, which in turn induces the loss of basal cells and their differentiation. We hypothesized that BNC1 is the solely transcriptional target of BHLHE40 that is needed to maintain the undifferentiated basal cell state by negatively regulating Notch signaling in basal cells (e.g., by activating Notch inhibitor). Bulk RNA sequencing of sorted BHLHE40-GFP cells from ALI day 14 identified LFNG, a basal cell-specific Notch inhibitor, as a potential downstream target of BNC1, as its expression decreased following BHLHE40 overexpression. However, it remains unclear whether LFNG or other mediators contribute to the BHLHE40-BNC1-induced transition from basal to intermediate cells.
Additionally, since TP63 expression is regulated by multiple signaling pathways in addition to Notch signaling, further investigation is needed to deepen our understanding of the molecular mechanisms driving BHLHE40-BNC1-mediated loss of TP63+ basal cells, focusing on identifying BNC1 downstream targets, which our findings suggest as a promising starting point for future studies. This will determine how BNC1 maintains TP63 expression in the human airway epithelium and whether Notch signaling is solely involved in BHLHE40-mediated regulation of basal cell differentiation.
Considering our pHBECs-derived ALI culture as a re-generation model, our data suggest a potential of BHLHE40 to enhance the regeneration of the human airway epithelium upon airway injury through increasing differentiation. Also, our single-cell RNA sequencing and pseudotime analysis of differentiating ALI culture suggested the involvement of BHLHE40 in the SMGs-like basal cell differentiation trajectory towards secretory cells. Since basal cells of the SMGs have been shown to contribute to the surface airway epithelium (SAE) regeneration upon injury, we propose a potential role of BHLHE40 in enhancing regeneration via increasing differentiation of basal progenitor cells, both in the SAE and the SMGs. Collectively, we propose that BHLHE40 could serve as a target for therapeutic strategies aimed at enhancing tissue repair and regeneration in the airway epithelium.
Functional Nanocarbon Hybrids for Optoelectronic Applications
(2025) Debes, Paul Peter
Carbon dots (CDs) are carbon nanomaterials with remarkable photoluminescence, tunable surface chemistry, and high biocompatibility, making them attractive for applications in catalysis, sensing, and biomedicine. This work presents a comprehensive investigation of the synthesis, surface functionalization, characterization, and application of CDs, with a particular focus on carbon nanodots (CNDs). The broad objective was to understand how precise surface modifications and advanced analytical techniques could reveal structure-property relationships and unlock application potentials. CNDs were synthesized using bottom-up methods that allow precise control over particle morphology and surface functionalities. A major focus was the quantification of surface functional groups for covalent modification strategies.
In Publication 1, the question of whether the total amount of primary amines on the surface correlates with the efficiency of amide coupling reactions was addressed. Using a combination of the Kaiser test and quantitative 19F-NMR spectroscopy, it was found that coupling efficiency does not scale directly with the apparent amine content. Instead, steric accessibility and reactivity were identified as critical factors governing surface functionalization. These findings provide a basis for the rational selection of linkers and optimization of reaction conditions in covalent surface chemistry.
Publication 2 focused on whether covalent attachment of organic dyes to CNDs could improve their stability and integration into photocatalytic systems. The study demonstrated that covalent dye-CND hybrids, when integrated into TiO2-based hybrid photocatalysts, exhibited reduced dye leaching and consumption, thus advancing the development of more sustainable and long-lasting photocatalytic systems.
In Publication 3, the focus was on how the photophysical behavior of CND-azobenzene hybrids can be modulated by structural design, including a spacer and connectivity. It was shown that the molecular spacer significantly influences the electronic coupling and fluorescence quenching behavior and enables reversible photoisomerization. These results underline the potential of these hybrid materials for light-controlled applications such as optostimulation and targeted biotechnological processes.
The results highlight the importance of surface engineering in tailoring CNDs-hybrids. Combining surface analysis, targeted covalent modification, and application-driven hybrid design provides the foundation for solving challenges in photocatalysis, bioimaging, and stimuli-responsive nanotechnology.
Über den Sinn des Lebens. Die perspektivische Lebensform
(1993) Tiedemann, Paul
Die werdende Weltgesellschaft macht kulturelle Traditionen in allen Gesellschaften fragwürdig und unsicher. Das führt zu einer globalen Sinnkrise. Sinnkonzepte sind sehr stark durch die Sprache beeinflusst. Für Sprecher von SAE-Sprachen (Standard Average European) liegen perspektives Denken und damit auch perspektivische Sinnkonzepte nahe. Diese beruhen auf der klaren Unterscheidung von Subjekt und Objekt sowie auf einer spezifisch perspektivischen Vorstellung von Zeit und Raum. Dies führt zu einer für die perspektivische Lebensform spezifischen Konstitution von Ich und Außenwelt, Mitwelt und Sozialwelt sowie zu den entsprechenden Begriffen von Wahrheit, Geltung, Gerechtigkeit, Wissen und politischer Herrschaft, aber auch zu einem spezifischen Selbstbezug und Selbstverständnis, die in Mystik und Spiel zum Ausdruck kommen.
Abschlussbericht zu DFG Projekt: Makroökonomische Wirkungen der Fiskalpolitik: Neue Evidenz aus der textanalytischen Auswertung der Debatten im Deutschen Bundestag, 2021-2024
(2024) Tillmann, Peter; Winker, Peter
Der Abschlussbericht für das DFG Projekt "Makroökonomische Wirkungen der Fiskalpolitik: Neue Evidenz aus der textanalytischen Auswertung der Debatten im Deutschen Bundestag" fasst die wesentlichen Ergebnisse des Projektes zusammen und verweist auf zum Zeitpunkt der Erstellung des Abschlussberichts bereits verfügbare Publikationen. Die hier ausgewiesenen Teile 1 - 4 sind von der DFG zur Veröffentlichung freigegeben worden.
Theoretische Untersuchung kubischer Nitride
(2025) Waack, Jan-Matthis
Der technologische Fortschritt des 21. Jahrhunderts zielt darauf ab, Materialien auf atomarer Ebene gezielt für den Einsatz in modernen (opto-)elektronischen Bauelementen zu optimieren.
Im Rahmen dieser Arbeit werden kubische Nitride, namentlich die ternären Mischkristalle Al$_x$Sc$_{1-x}$N in kubischer Kochsalzstruktur und In$_x$Ga$_{1-x}$N in kubischer Zinkblendenstruktur, einer umfassenden theoretischen Untersuchung unterzogen. Die methodische Grundlage bildet die Dichtefunktionaltheorie (DFT), wobei spezielle Ansätze zur Lösung des Bandlückenproblems -- insbesondere die LDA-1/2-Methode sowie das modifizierte Becke-Johnson-Funktional -- zur Bestimmung korrekter Bandkantenzustände verwendet werden.
Zur Modellierung der chemischen Unordnung werden zwei komplementäre Ansätze verwendet: die Methode der *Special-Quasirandom Structures* (SQS) und die *Coherent Potential Approximation* (CPA).
Beide Methoden erlauben es, die statistische Verteilung der verschiedenen Metall-Kationen innerhalb der Kristallstruktur realitätsnah abzubilden und liefern konsistente Ergebnisse hinsichtlich der Abhängigkeiten von Struktur und elektronischen Eigenschaften. Ergänzend werden phononische Eigenschaften berechnet, die nicht nur die dynamische Stabilität der untersuchten Mischkristalle bestätigen, sondern auch dem Vergleich mit Messdaten aus der Literatur dienen.
Bei In$_x$Ga$_{1-x}$N führen geordnete Strukturen zu unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften im Vergleich untereinander und zu zufälligen Mischkristallen -- ein Unterschied, der sich in variierenden Bandlücken, Gitterkonstanten, Elastizitätskonstanten und Phononmoden zeigt. Dagegen entfaltet Al$_x$Sc$_{1-x}$N aufgrund der spezifischen Elektronenkonfiguration von Scandium eine deutliche Abweichung von klassischen III-Nitriden.
Dies äußert sich in veränderten Bindungslängen, einem quadratischen Gitterparameterverhalten, einem komplexen Bandlückenverlauf sowie einer indirekten Bandlücke.
Insgesamt liefert diese Arbeit grundlegende Einblicke in die Zusammenhänge zwischen Zusammensetzung, Kristallstruktur und elektronischen Eigenschaften kubischer Nitride.
Die Ergebnisse legen den Grundstein für ein gezieltes Bandlücken-Engineering, das eine präzise Einstellung der Materialeigenschaften für zukünftige (opto-)elektronische Anwendungen ermöglicht.
Der verwendete Ansatz zeigt, wie durch den Einsatz moderner DFT-Methoden und innovativer Korrekturverfahren wesentliche Fortschritte in der Materialforschung erzielt werden können und eröffnet neue Perspektiven für die Integration dieser Systeme in moderne Technologiekonzepte.