Der alternative Sigmafaktor RpoS ist der Masterregulator der generellen Stressantwort in Escherichia coli. Er kontrolliert ein Regulon von mehr als 500 Genen. In ungestressten Zellen ist die RpoS-Synthese gering, da RpoS nach Bindung an den spezifischen Erkennungsfaktor RssB von der ClpXP-Protease unter ATP-Verbrauch degradiert wird. RssB wird dabei nicht codegradiert und wirkt daher katalytisch. In gestressten Zellen wird RpoS stabilisiert. Die zentrale Fragestellung dieser Arbeit war, wann und wodurch RpoS in den beiden E. coli K12-Laborstämmen W3110 und MC4110 stabilisiert wird. Die Ergebnisse zeigen, dass die Verfügbarkeit von RssB und das Verhältnis von RpoS zu RssB die zentralen Schlüssel sind. In ungestressten Zellen sind die geringen Konzentrationen von RpoS und RssB durch homöostatisches Feedback aufeinander abgestimmt (RssB benötigt RpoS zu seiner Expression). In der postexponentiellen Wachstumsphase steigt der RpoS-Gehalt so stark an, dass die Zellen mit RpoS “überschwemmt“ werden und RssB austitriert wird. In der Stationärphase liegt RssB meist inaktiv vor. Zusammen mit dem Absinken des ATP-Gehalts führt das zur Stabilisierung von RpoS. Da parallel die Bindung von RpoD an die RNA-Polymerase (RNAP) durch Rsd inhibiert wird, (p)ppGpp die Bindung alternativer Sigmafaktoren an die RNAP fördert und Crl gezielt RpoS bei der Bindung an die RNAP unterstützt, kann RpoS nun erfolgreich mit den anderen Sigmafaktoren um die RNAP konkurrieren und die generelle Stressantwort initiieren. Im Stamm W3110 wird RpoS bereits in der späten postexponentiellen Phase stabilisiert und der hohe RpoS-Gehalt schafft in diesem Stamm die Basis für eine starke generelle Stressantwort. In MC4100 hingegen wird RpoS zweiphasig stabilisiert und wird am Ende der postexponentiellen Phase zunächst wieder destabilisiert. Das resultiert in einer geringeren Stressresistenz und Überlebensfähigkeit des MC4100 und belegt die stärkere Degenerierung des MC4100 im Vergleich zum W3110. / The alternative sigma factor RpoS is the master regulator of the general stress response in Escherichia coli, which controls a regulon of >500 genes. In unstressed cells RpoS levels are low, because upon binding to the specific RpoS recognition factor RssB, RpoS becomes degraded by the ATP-dependent ClpXP protease. RssB is not co-degraded and acts catalytically. In stressed cells RpoS becomes stabilized. The central question of this study was when and how RpoS is stabilized in the two E. coli K-12 laboratory strains W3110 and MC4110. The results show that the availability of RssB and the ratio of RpoS to RssB are the central key. In unstressed cells low levels of RpoS and RssB level are finely balanced due homeostatic feedback (the expression of RssB itself requires RpoS). During the post-exponential growth phase the RpoS level strongly increases, so that cells are ‘flooded‘ with RpoS which titrates RssB. During stationary phase RssB exists mainly in its inactive form. Along with a lower ATP level, this results in a stabilization of RpoS. Since in parallel binding of RpoD to RNA polymerase (RNAP) is inhibited by Rsd, (p)ppGpp promotes the binding of alternative sigma factors to the RNAP and Crl supports RpoS binding to RNAP, RpoS can successfully compete with other sigma factors for RNAP and initiate the general stress response. In strain W3110 RpoS is stabilized already during the late post-exponential phase and the high RpoS content in this strain creates the basis for a strong general stress response. In MC4100, however, RpoS is stabilized in two phases, and during the end of the post-exponential phase RpoS is even transiently destabilized again. This is reflected in reduced stress resistance and longterm survival of MC4100 and shows the stronger degeneration of strain MC4100 compared to W3110.

Plakophiline sind Proteine der Armadillo-Familie, die eine Funktion während der Embryonalentwicklung und im adulten Organismus aufweisen. Mutationen in Genen, die für diese Proteine kodieren, führen häufig zu Krankheiten. In dieser Arbeit wird der Phänotyp von Plakophilin 2-defizienten Mausembryonen untersucht, welche Probleme in der Morphogenese des Herzens und dessen Stabilität aufzeigen. Feine Risse in der Herzwand in den Tagen 10.5-11 der Embryogenese führen zu Blutfluss in die Perikardialhöhle und resultieren in embryonalem Tod. In Abwesenheit von Plakophilin 2 löst sich das Zytoskelett-bindende Protein Desmoplakin aus den Zellverbindungen der Kardiomyozyten und bildet Aggregate im Zytoplasma. Im Gegensatz dazu bleiben Zellverbindungen der Epithelien unverändert. Die molekulare Analyse des betroffenen Gewebes lässt eine essentielle Rolle für Plakophilin 2 in der Organisation der Zellverbindungen im Herz ableiten. Besonderen Wert bekamen diese Untersuchungen, als es gelang, die erarbeiteten Zusammenhänge mit einer Krankheit beim Menschen zu koppeln. Beachtlicherweise wurden bei mehr als 25% der an Arrhythmogener-Rechts-Ventikulärer-Kardiomyophathie (ARVC) erkrankten Menschen, Mutationen im Gen für Plakophilin 2 gefunden. / Plakophilins are proteins of the armadillo family that function in embryonic development and in the adult, and when mutated can cause disease. We have ablated the plakophilin 2 gene in mice. The resulting mutant mice exhibit lethal alterations in heart morphogenesis and stability at mid-gestation (E10.5–E11), characterized by reduced trabeculation, disarrayed cytoskeleton, ruptures of cardiac walls, and blood leakage into the pericardiac cavity. In the absence of plakophilin 2, the cytoskeletal linker protein desmoplakin dissociates from the plaques of the adhering junctions that connect the cardiomyocytes and forms granular aggregates in the cytoplasm. By contrast, embryonic epithelia show normal junctions. Thus, we conclude that plakophilin 2 is important for the assembly of junctional proteins and represents an essential morphogenic factor and architectural component of the heart. Interestingly we identified heterozygous mutations in the Plakophilin 2 gene in 32 out of 120 patients suffering from arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy (ARVC). ARVC is associated with fibrofatty replacement of cardiac myocytes, ventricular tachyarrhythmias and sudden cardiac death. Many of the identified mutations lead to an early STOP in protein translation and reduced expression of Plakophilin 2 protein likely due to RNA or protein degradation. Since loss of one functional allele of Plakophilin 2 leads to ARVC, we want to investigate the occurrence of typical ARVC-phenotypes in heterozygous Plakophilin 2 mice in future to provide a new insight into possible molecular mechanisms of ARVC.

Derzeit gibt es keine wirksame Therapie gegen das maligne Melanom. Der Todesligand TRAIL erscheint als eine vielversprechende Krebstherapie. Trotzdessen weisen Melanomzellen sowohl eine bestehende als auch induzierbare TRAIL-Resistenz auf. In der vorliegenden Arbeit wurde die Überwindung der TRAIL-Resistenz durch drei Kinaseinhibitoren untersucht.Das Indirubin-Derivat 8-Rha-β ist in der Lage, die Sensitivität von Melanomzellen für die Todesliganden zu erhöhen und die Resistenz für TRAIL und CD95-Agonisten zu überwinden. Die Behandlung mit 8-Rha-β vermittelt sowohl die Aktivierung des extrinsischen als auch intrinsischen Signalweges. Der Tumorsuppressor p53 zeigte sich als Hauptregulator dieser proapoptotischen Änderungen und ist der Transaktivator der proapoptotischen Proteine, welche durch das 8-Rha-β heraufreguliert wurden. Die Anwendung eines Melanommodells von TRAIL-sensitiven und resistenten Zelllinien konnte eine Sensitivierung für TRAIL mittels des Kinaseinhibitors BMS-345541 aufzeigen. Die Behandlung von BMS-345541 resultierte alleine in einer frühen Bax-Aktivierung, was in den Konformationsänderungen, veränderten Phosphorylierungen und der Translokation von Bax beobachtet werden konnte. Die synergistischen Effekte resultierten aus der Aktivierung von Bid durch TRAIL, welches Bcl-2 inhibiert und der Aktivierung von Bax durch BMS-345541. Mutiertes BRAF wurde als der kritische Faktor für das kutane Melanom identifiziert. In dieser Arbeit wird ein pan-RAF-Inhibitor, L-779,450, verwendet. Dieser Inhibitor sensitiviert ebenfalls für eine TRAIL-induzierte Apoptose. Die Apoptose war mit der Aktivierung des intrinsischen Signalweges verbunden. L-779,450 allein induziert keine Apoptose, aber resultiert in einer Aktivierung von Bax und der Hochregulation von Bim. Die hier identifizierten Kinaseinhibitoren könnten bei der Behandlung des malignen Melanoms helfen, um die TRAIL-Resistenz zu überwinden und die Wirksamkeit TRAIL-vermittelter Therapieformen zu optimieren. / Until today efficient therapies are lacking for metastatic melanoma. The death ligand TRAIL appears as promising in cancer treatment; however, melanoma cells reveal both preexisting and inducible TRAIL resistance. In the present study the mechanisms of TRAIL-induced apoptosis by three kinase inhibitors were investigated. The indirubin derivative 8-Rha-β is able to enhance melanoma cell sensitivity for death ligands and overcomes resistance to TRAIL and CD95 agonists. Indirubin activated the extrinsic and intrinsic apoptosis pathways. The tumor suppressor p53 by its ability to transactivate proapoptotic proteins appeared as master regulator of these proapoptotic changes which was upregulated by indirubin. Applying a melanoma model of TRAIL-sensitive and resistant cell lines, efficient sensitization for TRAIL is demonstrated for the kinase inhibitor BMS-345541. Of note, BMS-345541 alone resulted in early Bax activation, seen by conformational changes, altered Bax phosphorylation and Bax translocation. The synergistic effects resulted from Bid activation in response to TRAIL, which inhibits Bcl-2, and the activation of Bax through BMS-345541. Mutated BRAF represents a critical oncogene in melanoma. Here, we investigated effects of the pan-RAF inhibitor L-779,450, which resulted in strong enhancement of apoptosis in combination with TRAIL. Apoptosis coincided with activation of mitochondrial pathways. Apoptosis induction by L-779,450/TRAIL was dependent on Bax. Thus, activation of Bax by L-779,450 alone was demonstrated by Bax conformational changes. Furthermore, the BH3-only protein Bim was upregulated in response to L-779,450. This identified specific role of these kinase inhibitors, which are able to enhance melanoma cell sensitivity for TRAIL could be helpful for treatment of malignant melanoma to overcome the TRAIL-resistance and to optimize the efficiency of recent therapies.

cpRNPs (chloroplastidäre Ribonukleoproteine) sind kernkodierte RNA-Bindeproteine, die jeweils zwei RRM (RNA recognition motif)-Domänen besitzen und in die Chloroplasten höherer Landpflanzen importiert werden. Die Mitwirkung dieser Proteine an der Reifung plastidärer mRNAs in vitro, ihre bemerkenswert hohe Abundanz sowie die Beeinflussung ihrer Funktion durch lichtabhängige posttranslationale Modifikationen weisen auf eine bedeutende Rolle der cpRNPs in der Regulierung der plastidären Genexpression hin. In dieser Arbeit erfolgte erstmals eine Analyse der in vivo bestehenden Interaktionen zwischen cpRNPs und RNA im Stroma von Chloroplasten mittels RIP-Chip-Analysen. Es konnte gezeigt werden, dass ein Großteil der plastidären mRNA-Spezies mit CP31A und CP29A kopräzipitiert. Neben der mehrheitlichen Überlappung der RNA-Interaktionen konnten spezifische Präferenzen von CP29A und CP31A für bestimmte Transkripte identifiziert werden. Um Einblicke in die molekularen Funktionen der cpRNPs zu erhalten, wurden cp29a- und cp31a- Einzel- und Doppelmutanten hinsichtlich der Akkumulation, sowie des Spleiß- und Edierungsstatus plastidärer mRNAs untersucht. Da unter Standard-Wachstumsbedingungen lediglich wenige milde Defekte innerhalb der mRNA-Reifung in den Mutanten detektiert wurden, erfolgten weitere Analysen unter Kältestress-Bedingungen, die zu einer Induktion der CP29A-Expression und zu dem Ausbleichen junger Blattgewebe in cp29a- und cp31a-Mutanten führten. In diesen chlorotischen Geweben wurden reduzierte Akkumulationen plastidärer Proteine sowie PEP-abhängig transkribierter mRNAs detektiert. Darüber hinaus Prozessierungsdefekte für einige Transkripte beobachtet: Die Reifung der 23S-rRNA findet in cp29a- und cp31a-Mutanten nur eingeschränkt statt. In cp31a-Mutanten sind zudem die Prozessierung der ycf3-RNA sowie die Spaltung eines polycistronischen rpl33-Vorläufers gestört. In cp29a-Mutanten ist unter anderem die Prozessierung der rpoC1- und der ycf3-mRNA defizitär. / cpRNPs (chloroplast ribonucleoproteins) are nuclear encoded RNA-binding proteins, which contain two RRM (RNA recognition motif) domains and reside within the chloroplasts of higher land plant species. They are involved in plastid mRNA accumulation and processing in vitro. Their involvement in multiple steps of mRNA maturation and their remarkable abundance together with their regulation via posttranslational modifications identified the cpRNPs as potential central regulators of chloroplast gene expression. This work investigated the in vivo interactions of CP29A and CP31A from Arabidopsis with RNA in isolated chloroplasts via RIP-Chip. In this approach the association of both proteins with the majority of plastid mRNA species could be shown. While the interaction profiles of CP29A and CP31A were largely overlapping, also specific preferences for some transcripts were detected. To gain insights in the molecular functions of CP29A and CP31A, null mutants for one or both cpRNPs were analyzed for mRNA accumulation, splicing and editing. Since only few mild mRNA maturation defects were detected at standard growth conditions, analyses at cold stress were performed. Cold stress leads to an increase in CP29A expression and in both cp29a- and cp31a single- and double mutants a bleaching of young leaf tissue was observed. The chlorotic tissues showed a strong decrease in plastid protein accumulation accompanied by reduced levels of PEP-dependent transcripts. In addition some processing defects were observed: The maturation of the 23S-rRNA was reduced in cp29a- and cp31a mutants. In addition the processing of the ycf3-mRNA and a polycistronic rpl33 transcript were defective in cp31a mutants. In cp29a mutants processing defects within the rpoC1- and the ycf3-mRNA were detected.

Sauerstoffmangel in Pflanzenzellen führt durch Hemmung der mitochondrialen Atmung zur Akkumulation von NADH und zu ATP-Mangel. Reis kann, im Gegensatz zu Weizen oder Kartoffeln, längere Sauerstoffmangel-Perioden überstehen. Ziel dieser Promotionsarbeit war es, einige Aspekte des Primär-Stoffwechsels zu untersuchen, die für das Überleben solcher Stresssituationen verantwortlich sein können, wie die Ethanol-Gärung, die Photosynthese sowie die Nutzung alternativer Energiedonoren. Die Ethanol-Gärung ermöglicht es Pflanzen, NAD zu regenerieren, und so die glycolytische ATP-Bildung aufrechtzuerhalten. Tolerante Reis-Pflanzen bildeten unter Anoxie in Dunkelheit mehr Ethanol als sensitive Weizen-Pflanzen. Dieser Unterschied war allerdings nur im Spross nachzuweisen und resultierte aus hohen Aktivitäten der Gärungsenzyme sowie aus großen Substratmengen in Reis-Blättern. Mehr als 24 h Anoxie konnten aber auch vom Reis aufgrund von Substratmangel nicht überlebt werden. Wurden Pflanzen bei Anoxie belichtet, verbesserten sich die Überlebensraten erheblich. Die Ethanol-Bildung war deutlich verringert, so dass neben der Gärung lichtabhängige Energie-liefernde Prozesse vermutet werden. Allerdings verlief die Photosynthese unter Anoxie aufgrund von CO2-Mangel nur vermindert ab. Eventuell könnte zyklischer Elektronentransport unter diesen Bedingungen zusätzliches ATP produzieren. In der Vergangenheit wurde vermutet, dass Pflanzen unter Sauerstoffmangel für Phosphorylierungsreaktionen statt ATP auch PPi nutzen könnten. In transgenen Kartoffelpflanzen, die infolge von Überexpression der E. coli-Pyrophosphatase weniger PPi enthielten als Wildtypen, wurde unter Hypoxie-Bedingungen nachgewiesen, dass PPi als alternativer Energiedonor bei der Saccharose-Spaltung eine bedeutende Rolle spielt. Dagegen konnte in transgenen Kartoffelpflanzen mit drastisch verminderter Aktivität der PPi-abhängigen Phosphofructokinase keine Beeinträchtigung der Stoffwechsel-Leistungen unter Hypoxie gezeigt werden. / Oxygen deficiency stress in plant cells leads through inhibition of mitochondrial respiration to an accumulation of NADH and a decrease in ATP content. Rice plants can survive oxygen deficiency better than wheat or potato plants. The aim of this PhD-work was to examine, which biochemical processes are responsible for plant tolerance against low oxygen stress. The studies were focused on the analysis of ethanolic fermentation, photosynthesis and the function of pyrophosphate (PPi) as an alternative energy source. By using ethanolic fermentation, plants can regenerate NAD and maintain ATP formation during glycolysis. Tolerant rice plants produced much higher amounts of ethanol during anoxia in darkness compared to sensitive wheat plants. The high fermentation rate mainly occurred in the shoots as a result of high activities of fermentative enzymes as well as high availability of carbohydrates. Nevertheless, rice plants could not survive more than 24 h of anoxia in the dark because of carbohydrate depletion. Illumination during anoxia extended survival of plants. Ethanolic fermentation rate was reduced during light exposure of plants, indicating that other energy-producing processes can compensate. However, it could be shown that the complete photosynthesis was slowed down during oxygen deficiency due to CO2 deficiency. It is likely that cyclic electron transport could at least partially contribute to ATP production during these conditions. In the past, it was speculated that PPi could replace ATP for phosphorylating processes during low oxygen stress. With transgenic potato plants expressing E. coli pyrophosphatase and therefore containing less PPi it was demonstrated that PPi is a significant alternative energy donor for sucrose cleavage during hypoxia. However, in transgenic potato plants with a reduction of synthesis and activity of PPi-dependent phosphofructokinase it could not be demonstrated that these plants suffer more from oxygen deficiency than the wildtype.

Die adaptive Immunantwort wird von T-und B-Lymphozyten realisiert. Nachdem der Antigenrezeptor auf T-Zellen durch die Interaktion mit einem MHC-Peptid Komplex auf APZ getriggert wurde, sind kostimulatorische Moleküle ein zweiter Kontrollpunkt für die Immunantworten interagierender Zellen. Für das Abschalten von ungewollten Immunantworten, z.B. Autoimmunantworten, sind Moleküle der kostimulatorischen Molekülfamilien auf den T- und B-Zellen von außerordentlicher Bedeutung. Ein zentrales kostimulatorisches Molekül ist das Molekül CTLA-4. Wir untersuchten den Einfluss von regulatorischen Zellen auf den Verlauf einer EAE, die durch einen Wechsel von Remission und Rezidiv gekennzeichnet ist. Neben den CD4+CD25+Foxp3+CTLA-4+ T-Zellen konnten wir ebenfalls CD4+CD25-Foxp3+CTLA-4+ T-Zellen in den das Gehirn infiltrierenden Lymphozyten sichtbar machen. Wir fanden gleiche Zahlen an CD4+CD25+ Zellen, die auch intrazellulär CTLA-4 exprimierten, während der akuten Phase und ersten Remission, wobei aber Oberflächen CTLA-4+CD4+ Zellen während der akuten Phase deutlich erhöht waren. Eine Depletion der natürlich vorkommenden CD4+CD25+ Treg Zellen vor dem Auslösen einer EAE führte zu einem schnelleren Krankheitsausbruch und schwererem sekundär progressivem Krankheitsverlauf. Obwohl die erste Remission von der CD4+CD25+ Treg Zelldepletion unbeeinflußt blieb, konnten bereits im ersten Krankheitsschub signifikant erhöhte Antigen spezifische proinflammatorische Zytokine der T-Zellen detektiert werden. Damit wird deutlich, dass der sekundär progressive Verlauf durch CD4+CD25+ Treg Zelldepletion bereits zeitig während des Krankheitsverlaufes eingeleitet wird. Wir konnten CTLA-4 ebenfalls in B-Zellen nachweisen. Die Expression von intrazellulärem und Oberflächen CTLA-4 in aktivierten B-Zellen ist strikt T-Zellen abhängig und hat ihr Maximum 48-72h nach Stimulation in vitro. Durch den Einsatz hochsensitiver Zellanreicherungsverfahren konnte der Nachweis der mRNA für CTLA-4 in den B-Zellen aus T-Zellabhängigen Zellkultursystemen erbracht werden. Die Induktion der mRNA für CTLA-4 kann unter bestimmten Umständen durch CD19 Kreuzvernetzung in B-Zellen erfolgen. Durch den Einsatz von Knochenmarkschimären, in denen CTLA-4 spezifisch nur in B-Zellen deletiert wird, konnte gezeigt werden, dass CTLA-4 in B-Zellen die primäre IgE und IgM und die sekundäre IgM Produktion in Thymus abhängigen Immunantworten steuert. Diese Daten implizieren für alle Thymus abhängigen Immunantworten eine noch komplexere Regulation, bei der CTLA4 in B-Zellen deren Effektorfunktion intrinsisch modulieren kann. / T and B lymphocytes carry out the adaptive immune response. After the antigen receptor on T cells is triggered through interaction with an MHC:peptide complex on APCs, costimulatory molecules are a second checkpoint for immune responses of interacting cells. To terminate unwanted immune responses, such as autoimmune responses, molecules of the costimulatory molecule family on T and B cells are of great importance. A central costimulatory molecule is CTLA-4 (CD152). We investigated the influence of regulatory cells on the course of an EAE, a disease marked through alterations of remission and relapses. Apart from the CD4+CD25+Foxp3+CTLA-4+ T cells we also detected CD4+CD25-Foxp3+CTLA-4+ T cells within the brain-infiltrating lymphocyte population. Furthermore we found similar numbers of CD4+CD25+ cells that also expressed intracellular CTLA-4, during the acute phase and first remission from EAE, whereas surface CTLA-4+CD4+ cells were clearly elevated during the acute phase. The depletion of the natural occurring CD4+CD25+ Treg cells before EAE induction leads to an accelerated disease onset and an increase in disease severity combined with a secondary progressive disease course. Even though the first remission was unaffected by the depletion of CD4+CD25+ Treg cells before disease induction, the antigen specific proinflammatory cytokine production of T cells during the acute phase was already significantly increased. The data show, that the secondary progressive disease course after CD4+CD25+ Treg cell depletion is already determined early during the course of EAE. On a second approach we found CTLA-4 expression as well on B lymphocytes. The expression of intracellular and surface CTLA-4 on activated B cells is strictly T cell dependent and the expression is maximal 48-72h after stimulation in vitro. Through the use of highly sensitive cell sorting strategies we were able to detect the mRNA for CTLA-4 in B cells cultured with activated T cells. CTLA-4 mRNA in B cells is inducible in isolated B cells via crosslinking of CD19 in vitro. We generated bone marrow chimeric mice, in which only B cells were CTLA-4 deficient. With these mice we could show, that CTLA-4 on B cells controls the primary IgE and IgM, as well as the secondary IgM production in thymus dependent immune responses. These data imply a more complex regulation of thymus dependent immune responses, in which CTLA-4 on B cells can modulate B cell effector functions.

Menschliche Mitochondrien enthalten etwa 1500 bis 2000 Proteine. Die meisten dieser Proteine werden im Zellkern kodiert und im Zytoplasma synthetisiert, und müssen daher über eine spezielle Maschinerie in die Mitochondrien transportiert werden. Obwohl mittlerweile viele Details über die Wirkungsweise dieser Proteinschleusen bekannt sind, wurden einige wichtige Aspekte des Proteinimports noch nicht ausreichend untersucht. Zum einen ist nicht bekannt, ob die einzelnen Importkomplexe einen Einfluss auf die mitochondrienvermittelte Apoptose haben. Weiterhin ist offen, welche genaue Rolle der Mitochondrienimport in der Pathogenese von Neisseria gonorrhoeae spielt. Außerdem ist unklar, ob Faktoren des Importapparates für die Aufrechterhaltung der mitochondrialen Morphologie notwendig sind. Um diese Fragestellungen zu untersuchen, wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit permanente Zelllinien hergestellt, in denen die Expression einzelner am Mitochondrienimport beteiligter Proteine mittels RNA-Interferenz (RNAi) inhibiert werden kann. Mithilfe dieser Zelllinien wurde getestet, ob die proapoptotischen Proteine Bax und Bak die Importmaschinerie benötigen, um in die äußere Mitochondrienmembran zu gelangen. Die Präsenz der beiden proapoptotischen Proteine in Mitochondrien während der Apoptose ist sehr entscheidend, da Bax und Bak in den Mitochondrien oligomerisieren und damit weitere Schritte der Apoptose einleiten. Im Widerspruch zu früheren Publikationen konnte hier gezeigt werden, dass die Translokation von Bax und Bak in die äußere Mitochondrienmembran unabhängig von Proteinimportfaktoren erfolgt. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss mitochondrialer Importproteine auf die Pathogenese von Neisseria gonorrhoeae. Das Neisserienprotein PorB transloziert während der Infektion in die Mitochondrien der Wirtszelle und induziert Apoptose. Aufgrund der strukturellen Ähnlichkeit von PorB zu bestimmten Proteinen der äußeren Mitochondrienmembran wurde bisher angenommen, dass PorB diesen endogenen Proteinen auf ihrem Importweg in die äußere Mitochondrienmembran folgt. Überraschenderweise wurde im Rahmen dieser Arbeit entdeckt, dass PorB nicht von allen Komplexen der Importmaschinerie in den Mitochondrien erkannt wird. Infolgedessen transloziert es in die innere Mitochondrienmembran und wirkt dadurch toxisch auf die Wirtszelle. In einem weiteren Projekt wurde untersucht, welche Rolle die Proteinimportkomplexe der äußeren mitochondrialen Membran in der Aufrechterhaltung der Mitochondrienmorphologie spielen. Unter Verwendung der beschriebenen Zelllinien wurde entdeckt, dass in Abwesenheit des SAM (sorting and assembly) Importkomplexes die Struktur der inneren Mitochondrienmembran derangiert ist. Es wurden zudem Hinweise darauf gefunden, dass die Ursache für diesen Befund in einer Unterbrechung von Kontaktstellen zwischen den beiden Mitochondrienmembranen liegen könnte, für deren Aufrechterhaltung möglicherweise der SAM-Komplex verantwortlich ist. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse erlauben neue Einblicke in verschiedene Aspekte des Proteinimports in Mitochondrien. Zudem wurde mit der Entwicklung der stabilen Zelllinien ein neues Model geschaffen, anhand dessen in Zukunft weitere Detail des mitochondrialen Proteinimports erforscht werden können. / Human mitochondria comprise about 1500 to 2000 proteins. While only 13 proteins are encoded by the mitochondrial DNA the vast majority of mitochondrial proteins is encoded in the nucleus, synthesized in the cytosol, and translocated into mitochondria by a special protein import machinery. Although many details are now known about its function several important aspects of protein import in mitochondria were not unraveled yet. To begin with, the influence of the different mitochondrial import complexes on apoptosis is not known. Further, the exact role of the protein import machineries in mitochondria in the pathogenesis of Neisseria gonorrhoeae has not been clarified yet. Moreover, the question whether factors involved in protein import are required for the maintenance of the mitochondrial morphology is still unsolved. In order to address these open issues, permanent cell lines were generated within the frame of the present thesis in which the expression of single proteins implicated in mitochondrial import can be inhibited via RNA interference (RNAi). Using these cell lines, it was investigated whether the proapoptotic proteins Bax and Bak require the import machinery in order to gain access to the outer mitochondrial membrane. The presence of both proapoptotic proteins in mitochondria is essential during apoptosis as Bax and Bak oligomerize in the outer mitochondrial membrane leading to the execution of apoptosis. In contrast to earlier publications, results presented here prove that the translocation of Bax and Bak into the outer mitochondrial membrane occurs independent of its import machineries. The second part of this thesis explores the influence of mitochondrial import proteins on the pathogenesis of Neisseria gonorrhoeae. The neisserial protein PorB translocates into the mitochondria of host cells during infection and induces apoptosis. Because of structural similarities of PorB to a certain class of proteins in the outer mitochondrial membrane, it was assumed that PorB would follow the import pathway of these endogenous proteins into the outer mitochondrial membrane. Surprisingly, it was found within the present study that PorB is not recognized by all complexes implicated in this import pathway. As a consequence, it translocates into the inner mitochondrial membrane to exert its toxic effect on the host cell. In a further project, the role of import complexes of the outer mitochondrial membrane in the maintenance of the mitochondrial morphology was investigated. Using the described cell lines, it was found that in the absence of the SAM (sorting and assembly) import device, the structure of the inner mitochondrial membrane was disrupted. Further, evidence was found that the reason for this phenotype could be an interruption of contact sites between the two mitochondrial membranes, whose preservation possibly requires the SAM complex. The results presented here allow new insights into different aspects of mitochondrial protein import. Further, with the development of the stable cell lines a new model was generated that will allow future investigations on details about mitochondrial protein import.

Schleiereulen sind gute Nachtjäger und finden ihre Beute vor allem durch den Hörsinn. Die auditorische Lokalisierung in der horizontalen Ebene basiert dabei auf interauralen Zeitdifferenzen. Diese werden im Hirnstamm durch das Netzwerk von nucleus magnocellularis (NM) und nucleus laminaris (NL) in Orte umkodiert. Im NL kann ein extrazelluläres Potential (EP), das Neurophonpotential (NP) gemessen werden. Dieses hat eine erstaunliche zeitliche Präzision von unter 10 Mikrosekunden, und spiegelt den für die Stimulation benutzten Ton bis zu Frequenzen von 9 kHz wider. Wie kann eine solche Präzision erzeugt werden, und was kann man über den Ursprung des Potentials in dieser neuronalen Struktur lernen? Um diese Fragen zu klären, studiere ich in vivo gemessene NPs. Dadurch kann in Zukunft die Verbindung von neuronaler Aktivität und EP besser verstanden werden. Hunderte neuronale Stromquellen, die alle kohärent mit einer hohen Feuerrate aktiv sind, sind nötig, um ein solches NP zu erzeugen. Dabei sind Anzahl und Stromstärke der Neuronen im NL nicht ausreichend, um das NP zu erzeugen. Der Hauptanteil der Quellen besteht aus den Signalen, die den Input des NL formen: die Ströme der Ranvierschen Schnürringe entlang der Axone aus dem NM, sowie die synaptischen Ströme zu den Dendriten von NL Neuronen. Weiterhin können NPs, die als Antwort auf monaurale Stimulierung aufgenommen wurden, linear addiert werden, um die Antwort auf binaurale Stimulation zuverlässig vorherzusagen. Leichte Abweichungen von der Vorhersage könnten damit erklärt werden, dass einzelne, sehr nah an der Elektrode befindliche Neurone nichtlinear zum NP beitragen. Im Gegensatz zu anderen bisher untersuchten neuronalen Strukturen - auch homologer Hirnregionen - spiegelt das NP der Schleiereule Eingangs- statt Ausgangssignale wider. Dieser strukturelle Unterschied könnte erklären, wieso das Schleiereulengehirn höhere Genauigkeit erreicht, als das anderer Tiere. / The barn owl is a good night hunter and mainly localizes the prey with its auditory system. The auditory localization in the horizontal plane, based on interaural time differences, depends on the auditory brainstem circuit consisting of nucleus magnocellularis (NM) and nucleus laminaris (NL). An extracellular field potential (EFP), named neurophonic, can be recorded in the NL. It has a very high temporal precision of below 10 microseconds and replays the stimulating sound up to 9 kHz. In this thesis I study how an EFP with such a precision can be generated. Furthermore, what can we learn about the system and about the origin of the neurophonic in NL from these recordings? The answers will help connecting the neural activity to the EFP also in general. Firstly, hundreds of sources, all firing with a high rate and in a highly phase-locked manner, are needed to generate the neurophonic in NL. The number of the neurons in NL and the magnitude of their output currents are not high enough to alone give rise to the neurophonic. The majority of the neural sources conveys the input from NM to NL, i.e., the currents from the nodes of Ranvier in the afferent axons from NM, and the synaptic currents to the dendrites of the NL neurons. Furthermore, the neurophonics in response to monaural stimulation sum up linearly and predict accurately the neurophonics in response to binaural stimulation. This implies that the non-linear response of the NL neurons usually cannot be detected in the neurophonic, but that there might be a minor contribution from a single NL neuron when in the immediate vicinity of the electrode. All in all, the neurophonic in the barn owl''s NL seems to reflect the inputs to the nucleus, whereas usually the output is well represented in the EFP. Even in the homologue nuclei in chick and mammals the neurophonic is thought to reflect the output instead of the input. Thus, the exceptionality of the barn owl might be needed for the high precision in its NL.

Schicht 2 des mediale entorhinale Kortex (MEK) beinhaltet die größte Anzahl von Gitterzellen, welche durch ein hexagonales Aktivitätsmuster während räumlicher Exploration gekennzeichnet sind. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass spezielle Pyramidenzellen, die das Protein Calbindin exprimieren, in einem hexagonalen Gitter im Gehirn der Ratte angeordnet sind und cholinerg innerviert werden. Es ist bekannt, dass die cholinerge Innervation wichtig für die Aktivität von Gitterzellen ist. Weiterhin ergaben neuronale Ableitungen und Methoden zur Identifikaktion einzelner Neurone in frei verhaltenden Ratten, dass Calbindin-positive Pyramidenzellen (Calbindin+) eine große Anzahl von Gitterzellen beinhalten. Reelin-positive Sternzellen (Reelin+) im MEK, zeigten keine anatomische Periodizität und ihre Aktivität orientierte sich an den Begrenzungen der Umgebung. Eine weitere Studie untersucht die Architektur des MEK in verschiedenen Säugetieren, die von der Etrusker Spitzmaus, bis hin zum Menschen ~100 Millionen Jahre evolutionäre Vielfalt und ~20,000 fache Variation der Gehirngröße umfassen. Alle Arten zeigten jeweils eine periodische Anhäufung der Calbindin+ Zellen, was deren evolutive Bedeutung unterstreicht. Eine Studie zur Ontogenese der Calbindin Anhäufungen ergab, dass die periodische Struktur der Calbindin+ Zellen, sowie die verstreute Anordnung der Reelin+ Sternzellen schon zum Zeitpunkt der Geburt erkennbar war. Weitere Ergebnisse zeigen, dass Calbindin+ Zellen strukturell später ausreifen als Reelin+ Sternzellen - passend zu der Erkenntnis, dass Gitterzellen funktionell später reifen als Grenzzellen. Eine Untersuchung des Parasubiculums ergab, dass Verbindungen zum MEK präferiert in die Calbindin Anhäufungen in Schicht 2 projizieren. Zusammenfassend beschreibt diese Doktorarbeit eine Dichotomie von Struktur und Funktion in Schicht 2 des MEK, welche fundamental für das Verständnis von Gedächtnisbildung und deren zugrundeliegenden Mikroschaltkreisen ist. / The medial entorhinal cortex (MEC) is an important hub in the memory circuit in the brain. This thesis comprises of a group of studies which explores the architecture and microcircuits of the MEC. Layer 2 of MEC is home to grid cells, neurons which exhibit a hexagonal firing pattern during exploration of an open environment. The first study found that a group of pyramidal cells in layer 2 of the MEC, expressing the protein calbindin, were clustered in the rat brain. These patches were physically arranged in a hexagonal grid in the MEC and received preferential cholinergic-inputs which are known to be important for grid-cell activity. A combination of identified single-cell and extracellular recordings in freely behaving rats revealed that grid cells were mostly calbindin-positive pyramidal cells. Reelin-positive stellate cells in MEC were scattered throughout layer 2 and contributed mainly to the border cell population– neurons which fire at the borders of an environment. The next study explored the architecture of the MEC across evolution. Five mammalian species, spanning ~100 million years of evolutionary diversity and ~20,000 fold variation in brain size exhibited a conserved periodic layout of calbindin-patches in the MEC, underscoring their importance. An investigation of the ontogeny of the MEC in rats revealed that the periodic structure of the calbindin-patches and scattered layout of reelin-positive stellate cells was present around birth. Further, calbindin-positive pyramidal cells matured later in comparison to reelin-positive stellate cells mirroring the difference in functional maturation profiles of grid and border cells respectively. Inputs from the parasubiculum, selectively targeted calbindin-patches in the MEC indicating its role in shaping grid-cell function. In summary, the thesis uncovered a structure-function dichotomy of neurons in layer 2 of the MEC which is a fundamental aspect of understanding the microcircuits involved in memory formation.

Das Kolonkarzinom ist eine der häufigsten Tumorerkrankungen weltweit. Etwa 50 % der Patienten entwickeln Fernmetastasen. Diese haben eine sehr schlechte Überlebensprognose. Deshalb fokussiert die Forschung auf die Identifizierung neuer, molekularer Marker für eine verbesserte Metastasierungsvorhersage. Identifizierte Hochrisiko-Patienten könnten somit rechtzeitig eine individualisierte, intensivere Therapie erhalten. MACC1 (Metastasis-associated in colon cancer 1) ist ein neu identifiziertes Gen, das in Kolonkarzinomen und deren Fernmetastasen überexprimiert wird. Die Domänenstruktur von MACC1 ist kennzeichnend für Proteine der Rezeptor-Tyrosinkinase-Signalwege. Ziel dieser Arbeit war die Aufklärung der zellulären Funktion von MACC1 und seiner Rolle in der Tumorprogression sowie die Evaluierung von MACC1 als molekularer Metastasierungsmarker. MACC1-überexprimierende Tumorzellen zeigten in Abhängigkeit von der Domänenstruktur in in vitro Assays ein erhöhtes migratorisches, invasives und proliferatives Potential. Der Einfluss von MACC1 auf die Metastasierungskapazität von Tumorzellen konnte auch im Tiermodell belegt werden. Der Hepatocyte-growth-factor (HGF) induziert die epitheliale-mesenchymale Transition MACC1-exprimierender Zellen und die nukleäre Translokation von MACC1. Die Expression des HGF-Rezeptors Met war in diesen Zellen stark erhöht. Reportergen-Studien bestätigten die transkriptionelle Regulation von Met durch MACC1. Die Analyse humaner Kolonkarzinome ergab eine signifikant höhere MACC1 Expression in Primärtumoren mit metachroner Fernmetastasierung. MACC1 ist ein neu identifizierter Regulator des HGF/Met-Signalweges und trägt somit entscheidend zur Determinierung des metastatischen Potentials von Tumorzellen bei. MACC1 hat großes Potential als neuer, prognostischer Marker für die Metastasierung des Kolonkarzinoms und ist ein Kandidatengen als Ziel effektiver, molekularer Interventionsstrategien zur Metastasierungs-Prävention. / Colon cancer is one of the most frequent malignant diseases worldwide. About 50% of the patients develop distant metastasis. These patients have only few therapy options and very poor survival rates. Therefore cancer research focuses on the identification of novel molecular markers to provide a better prognosis of the metastatic risk. Identified high-risk patients would get access to an early, individualized therapy. MACC1 (metastasis associated in colon cancer 1) is a newly identified gene that is overexpressed in colon carcinomas and their distant metastases. The MACC1 domain structure is characteristic for proteins of the receptor tyrosine kinase signalling pathways. Aim of this study was the analysis of the cellular function of MACC1, its role in tumor progression and its evaluation as a molecular, prognostic marker for metastasis. MACC1 overexpressing tumor cells revealed higher migratory, invasive, and proliferative potential in in vitro assays. The impact of MACC1 on the metastatic potential of tumors was also shown in mouse models. The hepatocyte growth factor (HGF) induced epithelial-mesenchymal-transition in MACC1 positive cells and MACC1´s nuclear translocation. Expression of the HGF receptor Met was strongly elevated in these cells. Reporter gene experiments confirmed the transcriptional regulation of Met by MACC1. Analyses in human colon carcinomas showed a significantly higher MACC1 expression in tumors that developed distant metastases. MACC1 is a newly identified regulator of the HGF/Met signalling pathway. It contributes decisively to the metastatic capacity of tumor cells. MACC1 has great potential as new prognostic marker for colon cancer metastasis and is a promising candidate as target for effective, molecular intervention strategies for metastasis prevention.