Cílem práce je seznámení se s problematikou uchovávání informace v DNA, provést rešerši na téma transpozony, bioinformatické nástroje a algoritmy, které jsou používány k jejich detekci v nasekvenovaných genomech a vytvořit tak stručný úvod do obsáhle problematiky, včetně jejího zasazení do kontextu současně probíhajícího výzkumu v dané oblasti. Na základě přehledu stávajících algoritmů a nástrojů pro detekci transpozonů je navržen a implementován nástroj pro hledání tzv. LTR transpozonů.

Cytokine steuern die Kommunikation von verschiedenen Zelltypen untereinander und regulieren deren Überleben, Differenzierung und Wachstum. Kommt es zu einer Deregulation der Expression von Cytokinen oder deren Rezeptoren, kann es zu autoimmunen oder malignen Erkrankungen kommen. Ein besonderes Beispiel der aberranten Cytokinexpression ist das klassische Hodgkin Lymphom. Die malignen Hodgkin/Reed-Sternberg (HRS) Zellen des Hodgkin Lymphoms stammen ursprünglich aus Keimzentrums B-Zellen ab, haben aber ihren B-Zell Phänotyp verloren. Des Weiteren exprimieren sie eine Vielzahl von verschiedenen Cytokinen und Cytokinrezeptoren, die ursprünglich nicht in einem Genexpressionsprogramm von B-Zellen vorkommen. In dieser Arbeit wurden zwei dieser Cytokin-Rezeptorsysteme (IL-21/IL-21R und CSF-1/CSF1R) hinsichtlich ihrer Funktionen für die HRS Zellen des Hodgkin Lymphoms charakterisiert. Die Expression des T-Zell assoziierten Cytokins IL-21 konnte in dieser Arbeit erstmals in HRS Zellen nachgewiesen werden. Für die Expression des myeloiden CSF1R zeigen Ergebnisse dieser Arbeit eine neuartige Regulation durch ein Long Terminal Repeat (LTR) Element, welche zu einem bis dahin unbekannten mRNA Transkript des Protoonkogens CSF1R in den HRS Zellen führt. Sowohl für IL-21 als auch für CSF1R konnte in der Doktorarbeit die Expression und Funktionalität des jeweilig korrespondierenden Rezeptors (IL-21R) bzw. Cytokins (CSF-1) nachgewiesen werden. Die Bedeutung dieser B-Zell fremden Gene für die HRS Zellen lag hauptsächlich in der Stimulation von Wachstum und Überleben und der Induktion von wichtigen Signalwegen (z.B. STAT3). Die Ergebnisse der Dissertation können als Ausgangspunkt für neue Strategien in der Diagnostik und der spezifischeren Therapie von Hodgkin Lymphom Patienten dienen. Der außergewöhnliche Mechanismus der Genregulation des CSF1R Gens über ein endogenes LTR Element kann in anderen Tumorentitäten ebenfalls ein Grund für die Aktivierung von Onkogenen sein. / Cytokines in the human body are responsible for cell-cell communication and regulate survival, differentiation and proliferation of different cell types. Deregulation of expression levels of cytokines might contribute to autoimmune diseases or tumor growth. One of the most prominent examples of aberrant cytokine expression is the classical Hodgkin Lymphoma. The malign Hodgkin/Reed-Sternberg (HRS) cells of classical Hodgkin Lymphoma are derived from germinal centre B cells, however they lost their B cell-specific phenotype. Moreover they express a huge variety of cytokines and cytokine receptors, normally not expressed in B cells. Two of these cytokine-receptor systems (IL-21/IL-21R and CSF-1/CSF1R) and their expression and function in HRS cells are subject of this dissertation. The expression of the T cell-associated cytokine IL-21 has been shown for the first time in HRS cells. The results for the myeloid-specific proto-oncogene CSF1R identified a unique, so far unknown mRNA transcript, expressed due to activation of a long terminal repeat (LTR) element. For both, IL-21 and CSF1R, the expression and functionality of the corresponding receptor (IL-21R) or cytokine (CSF-1), respectively, was demonstrated in this dissertation. Protection from apoptosis, proliferation and stimulation of several pathways are the main functional consequences of auto- and paracrine stimulation of HRS cells with either IL-21 or CSF-1. These results might lead to new diagnostic and more specific treatment strategies for Hodgkin Lymphoma patients. Regarding the unusual expression of CSF1R via LTR activation this mechanism might also be the reason for oncogene activation in several other tumor entities.

Retrotransposons are major components of plant genomes influencing their genome size, organization and evolution. In the frame of this work, retrotransposons of the Beta vulgaris genome have been identified by molecular methods and whole genome bioinformatics approaches. Neither belonging to the rosids nor asterids, B. vulgaris (cultivated beet including sugar beet, beet root and mangold) is taxonomically placed at a key position at the root of the core eudicots, and considerably different from traditional plant model species such as thale cress or rice. Its genome has been sequenced, and annotation is under way. In order to compare different evolutionary lineages of B. vulgaris retrotransposons, long terminal repeat (LTR) and non-LTR retrotransposon family have been analyzed in detail. Full-length members have been isolated and characterized by bioinformatics, Southern and fluorescent in situ hybridization. Hallmarks of the LTR retrotransposon family Cotzilla are an additional env-like open reading frame (ORF), homogeneity of the members and the very high abundance. Most family members are evolutionarily young, and have most likely been created during recent bursts of amplification during species radiation. In contrast, the non-LTR retrotransposon family BNR has fewer copies and is much more diverged. Although the BNR ORF2 resembles previously analyzed long interspersed nuclear elements (LINEs) of the L1 clade, its ORF1 sequence differs strongly. It lacks the zinc finger domain described for plant LINEs, but contains instead an RNA recognition motif (RRM) likely to have an RNA-binding function. Database searches revealed the presence of similar LINE families in higher plant genomes such as poplar, lotus and soybean. Comparing their reverse transcriptase regions with other retrotransposons, these BNR-like LINEs form a separate group of L1 LINEs designated as BNR subclade. Availability of the B. vulgaris genome sequence allowed retrotransposon analyses on a genome-wide scale. A Hidden Markov Model-based detection algorithm has been developed in order to retrieve retrotransposon information directly from the database. Nearly 6000 B. vulgaris reverse transcriptase sequences have been isolated and classified into LTR retrotransposons of the Ty3-gypsy and Ty1-copia type, and non-LTR retrotransposons of the LINE type. As a result, a comprehensive overview of the retrotransposon spectrum of the B. vulgaris genome has been generated. Since plant LINEs have been only rarely investigated, the B. vulgaris LINE composition was studied in detail. Out of 28 described LINE clades, only members of the L1 and RTE clades have been identified. Based on a minimal shared sequence identity of 60 %, they form at least 17 L1 families and one RTE family. Full-length members of all investigated L1 families have been analyzed regarding their sequence, structure and diversity. In order to transfer the algorithm tested in B. vulgaris to other angiosperm genomes, twelve additional plant genomes have been queried for LINE reverse transcriptases. Key finding is the presence of only two LINE clades (L1 and RTE) in the analyzed genomes of higher plants. Whereas plant L1 LINEs are highly diverse and form at least seven subclades with members across species borders, RTE LINEs are extremely homogenized and constitute most likely only a single family per genome. In summary, this work’s results help to gain an understanding of the different strategies of retrotransposon evolution in plants, whereas the generated data directly contributes to the B. vulgaris genome annotation project. / Retrotransposons sind eine wesentliche Komponente von Pflanzengenomen, die sowohl die Größe und Organisation als auch die Evolution dieser Genome wesentlich beeinflussen können. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Gruppen von Retrotransposons des Beta vulgaris Genoms mittels molekularer und bioinformatischer Methoden identifiziert. Innerhalb der dikotyledonen Blütenpflanzen gehört B. vulgaris (kultivierte Rübe einschließlich Zuckerrübe, Roter Beete und Mangold) weder zu den Rosiden noch zu den Asteriden, sondern nimmt eine Schlüsselposition innerhalb der Kerneudikotyledonen ein. Somit zeigt das Rübengenom wesentliche Unterschiede zu traditionellen Modellpflanzen wie Arabidopsis thaliana oder Oryza sativa. Das Genom ist bereits sequenziert, die Annotation jedoch noch nicht abgeschlossen. Um verschiedene evolutionäre Linien von B. vulgaris Retrotransposons vergleichend zu untersuchen wurden insbesondere Long Terminal Repeat (LTR)- und Non-LTR-Retrotransposon-Familien detailliert analysiert. Vollständige Mitglieder wurden isoliert und mittels bioinformatischer Methoden, Southern- und Fluoreszenz-in situ-Hybridisierung untersucht. Die LTR-Retrotransposon-Familie Cotzilla ist durch einen zusätzlichen env-ähnlichen offenen Leserahmen (ORF), Homogenität ihrer Mitglieder und eine hohe Abundanz gekennzeichnet. Die meisten Cotzilla-Kopien sind evolutionär jung und wurden wahrscheinlich innerhalb eines kurzen Zeitraumes während der Artentstehung stark amplifiziert. Im Gegensatz zur Cotzilla-Familie besitzt die Non-LTR-Retrotransposon-Familie BNR weniger Kopien und ist wesentlich divergierter. Während der BNR-spezifische ORF2 starke Ähnlichkeiten zu anderen pflanzlichen Long Interspersed Nuclear Elements (LINEs) der L1-Klade aufweist, unterscheidet sich der BNR ORF1 von diesen sehr stark. Im Gegensatz zu bereits beschrieben pflanzlichen LINEs kodiert er kein Zinkfingermotiv, sondern substituiert dieses durch ein RNA-Erkennungsmotiv (RRM). Durch Datenbanksuche konnten BNR-ähnliche LINEs in den Genomen höherer Pflanzen wie Soja, Lotus und Pappel identifiziert werden. Ein Vergleich der entsprechenden Reversen Transkriptasen (RT) mit den RTs anderer Retrotransposons zeigt, dass die BNR-ähnlichen LINEs eine separate Gruppe innerhalb der L1 LINEs bilden. Diese wurde daher als BNR-Subklade definiert. Die Untersuchung von Retrotransposons auf Genomebene wurde durch die B. vulgaris Genomsequenz ermöglicht. Um Retrotransposon-Informationen direkt aus dem Genom zu extrahieren, wurde ein Hidden Markov Modell (HMM)-basierter Detektions-algorithmus entwickelt. Annähernd 6000 B. vulgaris Reverse Transkriptase-Sequenzen konnten identifiziert und in LTR-Retrotransposons des Ty3-gypsy- beziehungsweise des Ty1-copia-Typs und in Non-LTR-Retrotransposons des LINE-Typs klassifiziert werden. Somit wurde ein umfassender Überblick über die Bandbreite der B. vulgaris Retrotransposons arhalten. Da pflanzliche LINEs bisher nur wenig erforscht sind, wurde die B. vulgaris LINE Zusammensetzung genauer untersucht. Von 28 beschriebenen LINE-Kladen konnten nur Mitglieder der L1- und der RTE-Klade identifiziert werden. Basierend auf einer Identität von mindestens 60 % bilden die Sequenzen 17 L1 Familien und eine RTE Familie. Vollständige Mitglieder aller L1 Familien wurden hinsichtlich ihrer Sequenz, Struktur und Diversität analysiert. Um den in B. vulgaris getesteten HMM-basierten Algorithmus auf andere Angiospermengenome zu übertragen, wurden zwölf weitere Pflanzengenome auf das Vorhandensein von LINE-spezifischen Reversen Transkriptasen untersucht. Wesentlichstes Ergebnis ist der Nachweis von nur zwei LINE-Kladen (L1 und RTE) in höheren Pflanzen. Während pflanzliche L1 LINEs hochgradig divers sind und über Artgrenzen hinaus mindestens sieben Subkladen mit Vertretern verschiedener Pflanzen bilden, sind RTE LINEs extrem homogenisiert und stellen höchstwahrscheinlich nur eine einzelne Familie pro Genom einer Art dar. Zusammenfassend ermöglichen die Ergebnisse dieser Arbeit eine Erweiterung des Verständnisses der unterschiedlichen Evolutionsstrategien von Retrotransposons in Pflanzen. Zusätzlich tragen die gewonnen Daten zur Annotation des B. vulgaris Genoms bei.

Schistosomen verursachen die Tropenparasitose Schistosomiasis mit 250-300 Millionen infizierten Menschen weltweit. Zur Analyse von Genfunktionen, durch die wirksame Medikamente entwickelt werden könnten, wird ein System zur Herstellung transgener Schistosomen benötigt. In dieser Arbeit wurde daher versucht, ein System zur Transfektion von Schistosoma mansoni von der transienten Expression von Reportergenen ausgehend zu entwickeln. Die Funktionalität der hergestellten Plasmide zur transienten Transfektion wurde durch die Expression der Reporter Enhanced Green Fluorescent Protein (EGFP) und beta-Galatosidase unter der Kontrolle der schistosomalen Promotoren für das Calreticulin, die 28 kDa-Glutathion-S-Transferase und das 70 kDa-Hitzeschockprotein in cos7-Zellen nachgewiesen. Für den Gentransfer in S. mansoni wurden Mikroinjektion, Elektroporation und Mikroprojektilbeschuss eingesetzt. Der Mikroprojektilbeschuss erwies sich als geeignete Methode, Plasmid-DNA zur transienten Expression von EGFP und beta-Galaktosidase in adulte und larvale Stadien zu transferieren. Da die beobachtete Reportergenexpression schwach war, wurde durch den Einsatz von Discosoma Red Fluorescent Protein (DsRed) als Reportergen versucht, das Transfektionsssytem zu optimieren. Außerdem wurden die potentiellen Promotoren für das Cathepsin D und für ein Aktin durch inverse PCR aus genomischer DNA isoliert. Die Funktionalität dieser Promotoren wurde in cos7- bzw. HeLa-Zellen nachgewiesen, eine verbesserte Expression in S. mansoni dagegen wurde mit diesen zwei Promotoren und unter Einsatz von DsRed nicht erreicht. Da S. mansoni sich in vitro nicht kultivieren lässt, muss für die Etablierung eines Transfektionssystems ein in seinen Keimzellen transgenes Stadium in den Lebenszyklus eingeschleust werden. Durch Mikroprojektilbeschuss transfizierte Mirazidien (freilebende Stadien des Parasiten) infizierten Zwischenwirtsschnecken und entwickelten sich zu transgenen Sporozysten, was durch die Transkription von EGFP nachgewiesen wurde. Für eine stabile Integration in das Genom werden unter anderem mobile genetische Elemente eingesetzt. Boudicca ist ein endogenes long terminal repeat (LTR) Retroelement. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass es in adulten Würmern, Sporozysten und Zerkarien transkribiert wird. Das LTR kann in vitro als Promotor zur Expression von EGFP eingesetzt werden. Außerdem wurde eine transkribierte Kopie kloniert und analysiert. Die in dieser Arbeit gewonnen Ergebnisse weisen darauf hin, dass Boudicca als Vektor zur stabilen Transfektion von S. mansoni eingesetzt werden kann. / Schistosomiasis caused by schistosomes affects about 250-300 million people world wide. The establishment of a transgenesis system for schistosomes is a pre-requisite to the identification of new drug targets and to the analysis of gene regulation and will add to our knowledge of parasite physiology and development. In this study, plasmids expressing Enhanced Green Fluorescent Protein (EGFP) and beta-galactosidase driven by the schistosomal promoters of the calreticulin, the 28kDa-glutathione-S-transferase and the 70kDa-heatshock protein were cloned and successfully tested in cos7-cells. Microinjection, electroporation and particle bombardment were used to introduce plasmid DNA into Schistosoma mansoni. Adult and larval stages of S. mansoni subjected to particle bombardment transiently expressed the reporter genes, although the observed transfection rates were very low. To optimize the transfection system Discosoma Red Fluorescent Protein (DsRed) was used as a reporter gene. Furthermore, the schistosomal promoters of the aspartic protease cathepsin D and a cytoplasmatic actin gene were isolated from genomic DNA using inverse PCR. The isolated promoters were able to drive EGFP and DsRed expression in cos7- or HeLa-cells, but improved expression could not be observed in S. mansoni. Due to the complexity of the life cycle S. mansoni cannot be cultured in vitro. In order to develop a transgenesis system for schistosomes, the life cycle must consequently be completed by genetically modified parasites. In this study it was shown that the free-living and mobile miracidium that infects the intermediate host snail could be transformed by particle bombardment and reintroduced in the life cycle using the natural path of infection. Development into transgenic sporocysts was shown through the isolation of EGFP transcripts from intermediate host snails. Mobile genetic elements are used as molecular tools to achieve stable integration of a foreign gene into a genome. Boudicca is an endogeneous long-terminal repeat (LTR) transposon in the schistosomal genome. In this study it was shown that it is transcribed in adult worms, sporocysts and cercariae. The LTR drives EGFP expression in cell cultures. Furthermore, a Boudicca transcript was cloned and analyzed by sequencing. The results suggest that Boudicca can be used as a molecular tool for stable integration of transgenes into the schistosomal genome.

L'intégrase (IN) du VII 1 1 catalyse l'insertion de l'ADN viral dans le génome de la cellule infectée en deux étapes: le 3' processing et le transfert de brins. Nous avons déterminé le mode de liaison d'inhibiteurs de l'IN (des dérivés des Styrylquinoléines) au domaine central de la protéine, en corrélation avec leur mécanisme d'action in vitro. Afin de comprendre les effets d'analogues de l'ADN viral sur l'activité de 3' processing et donc sur l'interaction séquence spécifique IN/ADN, nous avons prédit la structure et la flexibilité de nucléosides modifiés en 2' et d'analogues de l'extrémité LTR U5 de l'ADN viral.