Das COP9 Signalosom ist ein hochkonservierter Proteinkomplex bestehend, aus acht Untereinheiten. In der vorgelegten Promotionsarbeit konnte ein bislang unbekannter Regulationsmechanismus der Biogenese des COP9 Signalosoms identifiziert werden. Die siRNA-vermittelte Reduktion der CSN1-Expression führte zu einer Reduktion der Expression aller CSN-Untereinheiten. Die Transfektion von His-CSN1 in siCSN1-Zellen induzierte die CSN-Neusynthese und ferner einen Anstieg der c-Myc- und STAT1 Expression. Durch die Stimulation der Zellen mit IFN alpha bzw. IFN gamma konnte die de novo Synthese des CSN-Komplexes induziert werden. Die siRNA-vermittelte Inhibition von STAT1, c-Myc bzw. Lin28B führte ebenso wie die Behandlung der Zellen mit AG9 bzw. AG490, pharmakologischen Inhibitoren der JAK-Kinasen, zu einer Reduktion der Proteinexpression der CSN-Untereinheiten. Dabei standen signifikanten Veränderungen auf der Proteinebene geringfügige Änderungen auf der mRNA-Ebene gegenüber. Daher wurde ein post-transkriptioneller Mechanismus zur Regulation der Expression der CSN-Untereinheiten unter Beteiligung von miRNAs postuliert. Diese Regulation wird vermutlich durch die Aktivität von c-Myc und Lin28B verstärkt. Dies stellt einen neuen, bislang unbekannten Mechanismus für die Regulation der Biogenese des COP9 Signalosoms, vermutlich über den c-Myc/Lin28B/let-7-Weg, dar. Die Co-Transfektion der siCSN1-Zellen mit spezifischen komplementären Inhibitoren dieser miRNAs führte zu einer Induktion der Proteinexpression der CSN-Untereinheiten. Die Transfektion von let-7 miRNA-Mimics bewirkte eine Reduktion der Expression der CSN-Untereinheiten in den siCSN1-Zellen. Ferner konnten im Rahmen dieser Arbeit mittels der miRBase Sanger Datenbank und der Software MicroInspector Bindestellen für let-7 miRNAs an den mRNAs der CSN- und der proteasomalen Lid-Untereinheiten identifiziert werden. Der gezeigte Regulationsmechanismus könnte auch für die Biogenese des proteasomalen Lids von Bedeutung sein. / The COP9 signalosome is a highly conserved protein complex composed of eight subunits. In this study a novel, regulatory mechanism of CSN biogenesis was identified. We used stable transfected siCSN1 cells in which the protein and the mRNA expression of CSN subuntis were downregulated. Transfection of His-CSN1 in those siCSN1 cells led to the induction of the de novo Synthesis of the whole CSN complex. In addition the expression of the transcription factors STAT1 and c-Myc was elevated. The cells were treated with IFN alpha or IFN gamma, respectively. This resulted in the induction of the CSN de novo synthesis. Moreover, the siRNA-mediated inhibition of STAT1, c-Myc, Lin28B as well as treatment with the pharmacological inhibitors AG9 or AG490 led to a reduced protein expression of the analysed CSN subunits. We found that in all experiments there was a significant change on protein level in contrast to a marginal change on the RNA level. Based on our study we hypothesized that the CSN biogenesis ist regulated post-transcriptionally by miRNAs. The participation of miRNAs in the regulation of CSN biogenesis was further analysed. The siCSN1 cells were transfected with complementary hairpin inhibitors of let-7 miRNAs, leading to an induction of the CSN synthesis. The transfection of let-7 miRNA-mimics, which enhance the impact of miRNA on target mRNAs, resulted in an decrease of the CSN expression. These findings prove the involvement of miRNAs in CSN biogenesis, presumably via the c-Myc/Lin28B/let-7 pathway. Furthermore, using miRBase Sanger database and MicroInspector software, potential binding sites for let-7 miRNAs were detected within the mRNA sequences of CSN subunits as well as of subunits of the proteasomal lid. Therefore, there is evidence to suggest that this mechanism is crucial for the regulation of the biogenesis of the proteasomal lid as well.

Chlamydien durch die Modulation spezifischer Wirtszellproteine verschiedene Wege der Apoptose verhindern können. Mcl-1 und cIAP-2 erwiesen sich als bedeutende Faktoren, die durch die Infektion hochreguliert und absolut notwendig für die Inhibierung der Apoptose durch Chlamydien waren. Hochregulation der Mcl-1 Expression führte zu einem Block im apoptotischen Weg oberhalb der Mitochondrien. cIAP-2 zusammen mit anderen Inhibitor of Apoptosis Proteins (IAP) verhinderten die Aktivierung von Caspase-3, denfinalen Schritt in der apoptotischen Kaskade. Weiterhin wurde beobachtet, dass die Aktivierung des MAPKinase-Signalweges durch die Infektion wichtig war für die Hochregulierung von Mcl-1 und cIAP-2. Ein Hochdurchsatz-Screen wurde durchgeführt, um andere Wirtszellfaktoren, die für die Apoptoseinhibierung durch die Chlamydien verantwortlich sind, zu identifizieren. Neben Mcl-1 waren die identifizierten Faktoren hauptsächlich Mitglieder des MAPKinase-Signalweges. Dabei wurde deren Rolle für die Apoptoseresistenz bestätigt. Eine weiterführende Analyse der im Screen ermittelten Faktoren identifizierte eine Funktion von HIF-1a bei der Modulation der Expression anti-apoptotischer Faktoren während der Infektion. Es wurde beobachtet, dass HIF-1a stabilisiert und zum Nukleus transloziert wird. Es ist bekannt, dass HIF-1a HIF-1a im Nukleus binden kann, um den funktionalen Transkriptionsfaktor HIF zu bilden. Dieser reguliert die Expression verschiedener Überlebensfaktoren, unter anderem Mcl-1. HIF-1a Knockdown inhibierte die Chlamydien-induzierte Hochregulation von Mcl-1 mRNA-Expression. / chlamydial infection blocked the apoptotic pathway at multiple levels by modulation of specific host cell proteins. Mcl-1 and cIAP-2 were two most prominent factors that were up-regulated during the infection, and absolutely required for apoptosis inhibition. Increased expression of Mcl-1 led to a block in the apoptotic pathway upstream of the mitochondria. cIAP-2, together with other inhibitor of apoptosis proteins (IAPs), blocked the activation of caspase-3 at the final step of the apoptosis cascade. Further, it was observed that the activation of the MAPK pathways during infection was needed for the up-regulation of Mcl-1 and cIAP-2. A high throughput RNAi screen was performed to identify other host factors required for the apoptosis resistance during the infection. Besides Mcl-1, the targets from the screen prominently included members of the MAPK pathways, confirming their role in the apoptosis resistance. Pathway analysis of the targets identified the role of HIF-1a in modulating the expression of the anti-apoptotic factors during infection. It was observed that during infection, HIF-1a gets stabilized and translocates to the nucleus. It is known that HIF-1a can bind to HIF-1a in the nucleus to form the functional transcription factor HIF, which can regulate the expression of survival factors like Mcl-1. This was seen to be the case, because knock down of HIF-1a abrogated the infection induced up-regulation of Mcl-1 at the mRNA levels.

Die Vermehrung des Influenza A Virus umfasst, neben anderen wichtigen Schritten, die Transkrption der viralen mRNA und die ribosomale Translation der viralen Proteine. Mit großem Aufwand wurde bereits an der Entwicklung von Methoden zur Untersuchung des zeitlichen Verlaufs der Synthese viraler mRNA während des Vermehrungszyklusses in der Wirtszelle geforscht. In der vorliegenden Arbeit wurden sequenzspezifische FIT-PNA-Sonden, welche einen einzelnen, als künstliche fluoreszente Nukleobase dienenden Interkalator tragen, auf die quantitative RT-PCR sowie die Lebendzellmikroskopie angewandt. Die FIT-PNA-Sonden bieten dabei eine hohe Sensitivität und eine enorme Zielspezifität unter nichtstringenten Hybridisierungsbedingungen. Im Speziellen wurden FIT-PNA Sonden mit Sequenzspezifität zur mRNA der Neuraminidase und des Matrixproteins 1 entworfen und untersucht. Die somit erhaltenen Ergebnisse besitzen eine hohe biologische Relevanz und weisen diese Sonden als vielversprechende Methodik in der Virologie und der Zellbiologie aus. Ihre Anwendung konnte bereits auf das Vesikular Stomatitis Virus ausgeweitet werden. Die Kombination aus biologischer Expertise mit modernen Proteomstudien und detaillierten statistischen Analysen ermöglichte einen systemumfassenden Blick auf die durch eine Infektion bedingten Auswirkungen auf die Wirtszelle. Die Markierung von Aminosäuren mit stabilen Isotopen in Zellkultur wurde hierfür benutzt. Es wurden Proben zu verschiedene Zeitpunkten im Infektionszyklus in die Untersuchungen einbezogen, um zeitaufgelöste Detailstudien der zellulären Proteinbiosynthese und Degradation durchzuführen. / Replication of the influenza A virus involves, amongst other critical steps, the transcription of viral mRNA and ribosomal translation of viral proteins. Significant efforts have been devoted to the development of methods that allow the investigation of viral mRNA progression during the replication cycle inside the host cell. In the present thesis sequence specific FIT-PNA probes which contain a single intercalator serving as artificial fluorescent nucleobase were introduced for quantitative RT-PCR and live cell imaging. FIT-PNAs provide for both high sensitivity and high target specificity at nonstringent hybridisation conditions (where both matched and mismatched probetarget complexes coexist). In particular, FIT-PNAs specific to the neuraminidase and matrix protein 1 were successfully designed and examined. The obtained results are of high biological importance and suggest the FIT-PNA technique as promising tool in the field of virology and cell biology as this approach was readily applied to Vesicular Stomatitis Virus as well. By combining biological expertise with modern high throughput quantitative proteomics and detailed statistical analysis a system wide view of the effects and dynamics of the early H1N1 infection on the cell proteome was generated. Stable isotope labelling of amino acids in cell culture (SILAC) was employed to globally track changes in gene expression at the protein level. Furthermore, samples at various time points post infection enabling a more detailed timeresolved analysis of host cell protein biosynthesis and degradation during the infection cycle were included. As a result the specific expression characteristics of single genes and functional gene subsets in response to viral infection were bioinformatically analysed.

Die toxische Wirkung von Kationen ist verantwortlich für eine Reihe biologischer und pathologischer Erscheinungen. Zu den übergreifenden Zielen des Gesamtvorhabens wurden als wissenschaftliche Arbeiten i) die Analyse, graphische Darstellung und darauf basierende Gewichtung spezifischer genomischer Promotor-Regionen, ii) die Verarbeitung, Auswertung und genomweite Analyse von Mikro-Array Experimenten über die Auswirkung verschiedener Schwermetalle auf S. cerevisiae, iii) Mitarbeit an einer Simulations-Umgebung mit Modulen zur Digitalisierung, Präsentation, Analyse und mathematischer Modellierung der räumlichen Verteilung biologisch relevanter Moleküle sowie iv) ein Ansatz zur Modellierung der Kationen-Homöostase unter Verwendung der Theorie der Nichtgleichgewichts Thermodynamik beigetragen. Im Vordergrund der bioinformatorischen Arbeiten stand dabei der iterative Prozess, in dem verfügbare experimentelle Ergebnisse in aussagefähige Modelle oder Anwendungen übertragen wurden und die Resultate der Modellierung oder Vorhersage wiederum in neue entsprechende Experimente umgesetzt wurden. Die Anwendungsumgebung zur Promotoranalyse sowie die Simulationsumgebung zur räumlichen Verteilung biologisch relevanter Moleküle wie zum Beispiel markierte Signalmoleküle wurde bereits veröffentlicht und erfolgreich eingesetzt. Die Ergebnisse der genomweiten Analyse liefern Erkenntnisse über die individuellen Mechanismen und Strategien der Hefe auf verschiedene Metallionen in toxischer Konzentration zu reagieren. Der theoretische biophysikalisch-thermodynamische Ansatz liefert ein fundamentales Modell der Kationen-Homöostase der zahlenmäßig bedeutendsten Kationen: Kalium, Natrium und Protonen. Das Modell wurde an experimentellen Daten getest und konnte diese reproduzieren. Entsprechende Perspektiven für die Weiterentwicklung des Modells werden diskutiert. / Cationic toxicity is relevant for a number of qualitatively different biological and medical phenomena such as cationic surfactants, salt and heavy metal stress in plants and a number of pathological conditions which share similar critical metabolic processes (i.e. protein aggregation and oxidative stress). In line with the overall project goals the scientific work contributed to i) the analysis, graphical presentation and the respective assessment of specific genomic promoter-regions, ii) the conversion, evaluation and genome wide analysis of micro-array experiments on the effects of exposition of S. cerevisiae to heavy metals, iii) a simulation environment comprising modules for digitalization, presentation, analysis and mathematical modeling of the spatio-temporal distribution of biologically relevant molecules, and iv) a cation homeostasis modeling approach based on the non-linear thermodynamics theory. The bioinformatical work focused on an iterative process in which available experimental results were transferred into meaningful models or applications and results of modeling or prediction into corresponding new experimental designs. The software for the promoter-analysis and the simulation environment for integration of spatio-temporal distribution of biologically relevant molecules like labeled signal molecules have already been published and successfully implemented.The results of the genome-wide analysis - based on experiments of a project partner - provide insights in the individual mechanisms and strategies of the yeast cell upon exposition to various (heavy) metals in toxic concentrations. The theoretical biophysical-thermodynamic approach provides a fundamental model of cation homeostasis in S.cerevisiae of the major cations: potassium, sodium and protons. The model - confronted with experimental data - is capable to reproduce the observed uptake rates to a reasonable degree. Perspectives for further development of the model are discussed.

Huntington’s Disease (HD) ist eine neurodegenerative Erkrankung, die sich durch motorische, kognitive sowie psychiatrische Beeinträchtigungen auszeichnet. Die Verlängerung eines Polyglutamin (polyQ)-Abschnittes im Protein Huntingtin (Htt) über 37 Qs hinaus bedingt die Aggregation des mutierten Proteins (mHtt) und dessen Ablagerung in neuronalen Einschlüssen. Als potenzieller Modulator der polyQ-abhängigen mHtt Aggregation und Toxizität wurde der Q-reiche Transkriptionstransaktivator SS18L1 in silico identifiziert. Rekombinantes Volllängen-SS18L1 sowie die beiden verkürzten Fragmente SS18L1_NM und SS18L1_C weisen in wässriger Lösung einen hohen Anteil an Random-Coil-Strukturen auf und bilden Oligomere. Alle SS18L1-Proteine verzögern dosisabhängig die spontane Aggregation eines Htt Exon 1 Fragmentes mit 49 Glutaminen (Ex1Q49). Dabei wird die Entstehung SDS-stabiler Ex1Q49 Aggregate durch die Stabilisierung von Ex1Q49 Mono- und Oligomeren gebremst. In HEK293 Zellen verringern rekombinante SS18L1-Proteine sowohl die Anzahl der SDS-unlöslichen Ex1Q49-Aggregate als auch die mHtt-vermittelte Zytotoxizität. Auch hierbei scheint eine Stabilisierung früher Aggregatspezies, wahrscheinlich durch die Interaktion der SS18L1-Proteine mit dem jeweiligen mHtt Fragment, eine wesentliche Rolle zu spielen. Entsprechende Interaktionen konnten mittels LUMIER-Studien und konfokaler Mikroskopie nachgewiesen werden. Humanes, exogenes SS18L1 unterdrückt die polyQ-bedingte Aggregation in einem C. elegans-Modell für HD und in transgenen R6/2 HD-Mäusen sind die Mengen an endogenem SS18L1 im Vergleich zu Wildtyp-Mäusen verändert. Beides weist darauf hin, dass SS18L1 auch in vivo von Relevanz sein könnte. Dafür spricht zudem, dass murines SS18L1 in Gehirnen von R6/2-Mäusen mit neuronalen mHtt-Aggregaten co-lokalisiert. Die Ergebnisse dieser Arbeit könnten einen Ausgangspunkt für die Entwicklung neuer Therapieansätze und die weitere Erforschung der HD Pathologie darstellen. / Huntington’s Disease (HD) is a neurodegenerative disease, which is characterised by motor, cognitive and psychiatric disturbances. The abnormal extension of an N-terminal polyQ tract in the protein huntingtin (Htt) results in aggregation of the mutant protein (mHtt) and the deposition of neuronal inclusions. The Q-rich transcriptional transactivator SS18L1 was identified in silico as a potential modulator of polyQ-mediated mHtt aggregation and toxicity. Recombinant full-length SS18L1 and the truncated fragments SS18L1_NM and SS18L1_C have a high random-coil content and form oligomeric structures in aqueous solutions. In addition, all three proteins delay the spontaneous aggregation of an Htt exon 1 fragment with a stretch of 49 glutamines (Ex1Q49). The formation of SDS-resistant Ex1Q49 aggregates is postponed in a concentration-dependent manner as monomers and oligomers, appearing early in the amyloid formation cascade, are stabilised. In mammalian cells recombinant SS18L1 proteins reduce both the number of SDS-stable Ex1Q49 aggregates and mHtt-induced cytotoxicity. These effects are likely due to the stabilisation of early aggregation intermediates, which could result from interactions of the SS18L1 proteins with the respective mutant Htt exon 1 fragment. Such interactions have been demonstrated employing a LUMIER assay and confocal microscopy. Exogenous human SS18L1 suppresses polyQ-mediated aggregation in a C. elegans model of HD and levels of endogenous SS18L1 are altered in transgenic R6/2 HD mice compared to wild type mice. As a consequence, SS18L1 might be of relevance in vivo. This is also supported by the finding that murine SS18L1 interacts with mHtt inclusions in R6/2 mice. The results of this study could provide a basis for the development of a therapeutical strategy or for the further elucidation of HD pathology.

Helmintheninfektionen induzieren in ihren Wirten Typ 2 (Th2) Immunantworten, welche parasitäre Larvenstadien hemmen und/oder zur Abstoßung von intestinalen Würmern führen. Th2-Antworten können auch gegenüber Umweltallergenen ausgebildet werden und allergische Reaktionen vermitteln. Mastzellen (MZ) spielen eine herausragende Rolle für die Wirtsantwort gegen Parasiten. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass eine Infektion von MZ-defizienten Mäusen mit Helminthen zu einer reduzierten Produktion von IL-25, IL-33 und TSLP, einer beeinträchtigten Etablierung von Th2 Immunantworten und einer erhöhten Wurmlast führt. Diese Parameter konnten allerdings nach einem erfolgreichen Transfer von Knochenmark aus Wildtypmäusen wiederhergestellt werden. Die vorliegende Arbeit beschreibt somit eine wichtige Funktion von Mastzellen für die Initialisierung von Th2 Immunantworten. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass ein Cystein-Protease-Inhibitor - AvCystatin sowohl Parameter von Atemwegsentzündung und -hyperreaktivität als auch Lieschgraspollen (Phl p 5b)-spezifische Immunantworten in einem klinisch relevanten Mausmodell für Atemwegsentzündung inhibiert. Gleichzeitig führte die Behandlung mit AvCystatin zu einem Anstieg von IL-10 und erhöhten Frequenzen von CD4+CD25+Foxp3+ T Zellen. Die in vivo Effekte von AvCystatin wurden unabhängig von der Protease-inhibitorischen Aktivität des Immunmodulators oder dessen Fähigkeit zur Oligomerisation vermittelt. AvCystatin unterdrückte zudem die Allergen-spezifische Produktion von IL-13 und induzierte in vitro unter Verwendung mononukleärer Zellen aus dem peripheren Blut (PBMCs) von Graspollen allergischen Patienten einen IFN-gamma vermittelten Th1 shift. Zusammenfassend tragen die Ergebnisse der Arbeit zu einem besseren Verständnis für die frühen Ereignisse von Th2 Immunantworten bei und zeigen, dass Helminthenmoleküle Bystandereffekte auf Immunantworten vermitteln können, die gegen andere Antigene gerichtet sind. / Helminth infections induce protective type 2 (Th2) immune responses in the host leading to arrested larval development and/or intestinal worm expulsion. Moreover, Th2 immune responses are initiated against harmless environmental allergens and mediate development of allergic disease. Among multiple mechanisms implicated in host responses to parasites and allergens, mast cells (MCs) play a pivotal role. The present study shows that MC-deficient mouse strains following infection with two gastrointestinal helminths had dramatically reduced early production of the tissue-derived cytokines IL-25, IL-33, and TSLP, which resulted in impaired induction of Th2 immune responses as well as increased parasite burden. These parameters were restored after transfer of WT bone marrow. These data reveal an important role for MCs in orchestrating type 2 immune responses. Parasites have developed various strategies to modulate the immune system via induction of a range of regulatory mechanisms. In this study AvCystatin, the filarial cysteine inhibitor, was found to inhibit airway inflammation and hyperreactivity induced by a clinically relevant allergen of timothy grass pollen (Phl p 5b). AvCystatin increased levels of the regulatory cytokine IL-10 and total numbers of CD4+CD25+Foxp3+ T cells. The immunomodulatory effect in vivo was found to be independent of AvCystatin’s protease inhibitor activity or oligomerization. Finally, AvCystatin suppressed allergen-specific production of IL-13 and created a shift towards Th1 immunity by increased levels IFN-gamma of human peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) from grass pollen allergic patients. The findings contribute to a better understanding of the early events that dictate the priming of type 2 immune responses. Furthermore, helminth product-induced suppression may also have effects on bystander responses to unrelated antigens, thus, suggesting a promising preventive and therapeutic concept in the treatment of aberrant inflammations.

Zahlreiche strikt anaerob lebende Mikroorganismen, darunter acetogene Bakterien, Sulfatreduzierer und methanogene Archaeen, nutzen den reduktiven Acetyl-CoA-Weg zur autotrophen Kohlenstoff-Fixierung oder Energiegewinnung. Die letzten Schritte der Acetyl-CoA-Bildung beruhen hierbei auf dem Zusammenspiel dreier Proteine, dem Corrinoid-Eisen/Schwefel-Protein (CoFeSP), der Methyltetrahydrofolat:CoFeSP-Methyltransferase (MeTr) und dem Acetyl-CoA-Synthase/CO-Dehydrogenase-Komplex (ACS/CODH). In der vorliegenden Arbeit wurde die Substratbindung an MeTr durch thermodynamische und kinetische Messungen untersucht. MeTHF bindet stärker an das Enzym als das demethylierte Produkt Tetrahydrofolat (THF) und scheint dabei einem einstufigen Bindungsmodell zu folgen. Das Substrat wird bei der Bindung an MeTr protoniert, wobei Asn200 eine protonierte H-N5(+)-CH3-Position des MeTHF durch eine alternative Konformation stabilisieren könnte. Asp44 und Asp76 bilden eine funktionelle Dyade bei der Substratbindung, kommen als Protondonoren zur Substrataktivierung jedoch nicht in Frage. Die Kristallstruktur von CoFeSP wurde erstmals vollständig mit der flexiblen N-terminalen [4Fe4S]-Cluster-Bindedomäne bestimmt. Die für die Cobalamin-Bindedomäne erwarteten Konformationsänderungen wurden anhand der Interaktion mit dem reduktiven Aktivator von CoFeSP (RACo) analysiert. Durch Förster-Resonanzenergietransfer wurde eine Annäherung der ortsspezifisch markierten CoFeSP-Positionen beobachtet und anhand des Fluoreszenzsignals die Kinetik der Komplexbildung mit RACo bestimmt. Durch gepulste Elektronendoppelresonanz konnte ebenfalls eine Abstandsänderung nachgewiesen werden. ACS wurde als apo-Enzym gereinigt und durch NiCl2-Rekonstitution in die aktive Form überführt. Durch die Kristallisation der C-terminalen ACS-Domäne wurden hochaufgelöste Strukturen erzeugt, welche eine Diskussion der strukturellen Details des aktiven Zentrums ermöglichen. / Several anaerobic microorganisms, including acetogenic bacteria, sulfate-reducing bacteria and methanogenic archaea operate the reductive acetyl-CoA pathway for autotrophic carbon fixation or to gain energy. The last steps of acetyl-CoA formation rely on three enzymes, the corrinoid-iron/sulfur-protein (CoFeSP), the methyltetrahydrofolate:CoFeSP methyltransferase (MeTr) and the acetyl-CoA synthase/CO dehydrogenase complex (ACS/CODH). Substrate binding to MeTr was investigated by thermodynamic and kinetic meassurements. MeTHF binds slightly stronger than the demethylated product tetrahydrofolate (THF), likely following a simple one-step-binding mechanism. Substrate binding to MeTr is coupled to proton uptake. A H-N5(+)-CH3-transition state of MeTHF could be stabilized by an alternative conformation of Asn200. Asp44 and Asp76 form a functional dyade in substrate binding but can be excluded as proton donors for substrate activation. The crystal structure of CoFeSP was solved completely, including the previously disordered N-terminal [4Fe4S]-cluster binding domain. The expected conformational change of the corrinoid binding domain was characterized by analyzing the interaction between CoFeSP and its reductive activator (RACo). An approach of the labeled CoFeSP positions in the CoFeSP:RACo complex was observed by Förster resonance energy transfer. Based on the corresponding fluorescence signal, the kinetics of complex formation were meassured in solution. Pulsed electron double resonance also showed that the labeled positions approach upon complex formation. Full-length ACS was purified in the apo state. A reconstitution of the A-cluster with NiCl2 resulted in active enzyme. Different crystal structures of the isolated C-terminal domain of ACS were solved at high resolution. Therefore, structural details of the active site could be discussed.

Im Hippokampus gibt es verschiedene Netzwerkoszillationen mit unterschiedlichen Frequenzen. Ein Typ dieser Oszillationen sind die ”Ripple” mit einer Frequenz von etwa 200 Hz, welche in Komplexen mit einer Aktivitätswelle, der ”Sharp wave” auftreten. Sharp wave-ripple Komplexe (SWR) werden mit der Konsolidierung von Gedächtnis in Zusammenhang gebracht. Das Netzwerk, das den SWR unterliegt, hat bestimmte Mechanismen, von denen einige in der vorliegenden Arbeit näher untersucht werden. Im ersten Teil wird untersucht, wie ein hemmendes Interneuron in der hippokampalen Region CA1, das ”oriens-lacunosum moleculare” (O-LM) Interneuron, während der SWR in das Netzwerk eingebunden ist. Wir konnten zeigen, dass O-LM Zellen während der SWR starke synaptische Exzitation erhalten. Die Exzitation tritt spät während des Ripples im lokalen Feldpotential (LFP) auf und zeigt eine Phasenankopplung an die Ripple. In etwa der Hälfte der O-LM Zellen konnten wir Aktionspotentiale während der SWR zeigen, die an die Ripple-Phase im LFP gebunden sind und nach dem Ripple-Maximum auftreten. Der zweite Teil der Arbeit bezieht sich auf die hippokampale Region CA1 und vergleicht während SWR den synaptischen Eingang in zwei Untertypen von Pyramidenzellen, die tiefen und die oberflächlichen Pyramidenzellen. Beide Untertypen bekommen synaptische Eingänge während der SWR. Diese Eingänge sind eine Mischung aus exzitatorischen und inhibitorischen Eingängen, die in den Untertypen in ihrer Stärke vergleichbar sind. Im dritten Teil untersuchen wir die SWR in der Region CA2 des Hippokampus und zeigen, dass Pyramidenzellen in CA2 in das Netzwerk während SWR eingebunden sind. Wir können sowohl exzitatorische als auch inhibitorische synaptische Eingänge in den Pyramidenzellen darstellen und konnten eine Phasenkopplung der synaptischen Eingänge an die SWR im LFP zeigen. Aufgrund der Phasenverschiebung bei verschiedenen Haltepotentialen vermuten wir einen Oszillator für die Exzitation und einen für die Hemmung. / In the hippocampus there are different patterns of activity also known as network oscillations. These oscillations express different frequencies, and one oscillation is the ripple oscillation at around 200 Hz. It is associated with an activity wave called sharp wave and form a so-called sharp wave-ripple complex (SWR). SWRs are implicated in memory consolidation. In this thesis we investigate mechanisms underlying sharp wave-ripple complexes. In the first part of this thesis I examine one type of inhibitory neurons in the region CA1 of the hippocampus during SWR. Oriens-lacunosum moleculare (O-LM) interneurons receive strong excitatory synaptic input during ripples. This input arrives after the ripple maximum and is phase locked with the ripple cycles. Around half of the probed O-LM cells fire during the SWR and thereby show an active participation during SWR. The magnitude of excitation in O-LM cells and the ratio between excitation and inhibition determine if an O-LM cell is active during the SWR. Action potentials in these cells occur late during the SWR and are phase locked. In the second part the synaptic input onto excitatory pyramidal cells were investigated during ripple oscillations. Previous work has identified two different types of pyramidal cells in area CA1. We recorded from deep and superficial pyramidal cells. For both types of pyramidal cells the inhibitory and excitatory synaptic inputs temporally associated with ripples express comparable strength. In the last and third part, I recorded SWR in the CA2 region of the hippocampus and showed incidence, frequency and amplitude of ripples and SWR. Pyramidal cells in the CA2 region are integrated into the network during SWR. They receive SWR associated synaptic input during SWR. The excitatory and inhibitory synaptic inputs in CA2 pyramidal cells were investigated in detail. Phase analysis show phase locking of local field potential ripples and synaptic inputs to the ascending phase of the ripple cycle.

Neurodegenerative Erkrankungen (NDs) wie Alzheimer (AD), Parkinson (PD), und amyotrophe lateral Sklerose (ALS) sind Hirnerkrankungen, die durch unlösliche Proteinaggregate in Neuronen oder im Extrazellularraum charakterisiert sind. In dieser Arbeit habe ich für verschiede bekannte und vorhergesagte neurodegenerative Krankheitsproteine (NDPs) Proteininteraktionsnetzwerke erstellt, um mögliche gemeinsame Krankheitsmechanismen genauer zu studieren. Mit Hilfe eines automatisierten Hefe-Zwei-Hybrid-Systems (Y2H) konnte ich 18.663 Protein-Protein-Interaktionen (PPIs) für 449 wildtyp und 22 mutierte Proteine identifizieren. Eine genaue funktionelle Analyse der Interaktionspartner von korrespondierenden wildtyp und mutierten Proteinen ergab deutliche Unterschiede zum einen im Fall von allen untersuchten Proteinen und insbesondere im Fall vom ALS Krankheitsprotein TDP-43. Die identifizierten PPIs wurden außerdem verwendet um krankheitsspezifische Netzwerke zu erstellen und um Proteine zu identifizieren, die mit mehreren NDPs verbunden sind. Ich habe auf diese Weise vier Proteine (APP, IQSEC1, ZNF179 und ZMAT2) gefunden, die mit bekannten NDPs with Huntingtin, TDP-43, Parkin und Ataxin-1 interagieren und so fünf verschiedene NDs miteinander verbinden. Die Reduktion der mRNA Expression von IQSEC1, ZNF179 oder ZMAT2 mit Hilfe von siRNA führte zu einer Verstärkung von pathogenen Mechanismen wie der Aggregation von mutiertem Huntingtin und TDP-43 sowie der Hyperphosphorylierung des Proteins Tau. Außerdem habe ich 22 Proteine entdeckt, die die Aggregation von TDP-43 deutlich verändern und außerdem Mitglieder in sieben vorhergesagten Proteinkomplexen sind. Die Proteinkomplexe habe ich durch Kombination von Interaktionsdaten und Daten eines siRNA Screenings vorhergesagt. Zusätzlich habe ich herausgefunden, dass die Proteine eines vorhergesagten Komplexes, nämlich HDAC1, pRB, HP1, BRG1 und c-MYC, die Aggregation von TDP-43 durch Veränderung von dessen Genexpression beeinflussen. / Neurodegenerative diseases (NDs) such as Alzheimer’s disease (AD), Parkinson’s disease (PD) or amyotrophic lateral sclerosis (ALS) are progressive brain disorders characterized by the accumulation of insoluble protein aggregates in neuronal cells or the extracellular space of patient brains. To elucidate potential common pathological mechanisms in different NDs, I created comprehensive interaction networks for various known and predicted neurodegenerative disease proteins (NDPs). I identified 18,663 protein-protein interactions (PPIs) for 449 bioinformatically selected wild-type target proteins and 22 mutant variants of 11 known NDPs by using an automated yeast two-hybrid (Y2H) system. The functional analysis of the interaction partners of corresponding wild-type and mutant NDPs revealed strong differences in the case of all 11 NDPs and especially for the ALS protein TDP-43. The identified PPIs were used to generate networks for individual NDs such as AD or PD and to identify proteins that are connected to multiple NDPs. For example, I found that five neurodegenerative diseases are connected by four proteins (APP, ZMAT2, ZNF179 and IQSEC1) that link known NDPs such as huntingtin, TDP-43, parkin, ataxin-1 and SOD1. Analysis of publicly available gene expression data suggested that the mRNA expression of the four proteins is abnormally altered in brains of ND patients. Moreover, the knock-down of IQSEC1, ZNF179 or ZMAT2 aggravates pathogenic disease mechanisms such as aggregation of mutant huntingtin or TDP-43 as well as hyperphosphorylation of tau. Additionally, I identified 22 modifiers of TDP-43 aggregation, which are members in 7 protein complexes. These complexes were predicted based on combined data from PPI as well as siRNA screenings. Finally, I found that the proteins HDAC1, pRB, HP1, BRG1 and c-MYC, which form one of the predicted complexes, influence TDP-43 aggregation by altering its mRNA expression.

In photosynthetischen Organismen vermitteln Tetrapyrrole während der Chloroplastenbiogenese und als Antwort auf Veränderungen des Entwicklungszustandes sowie wechselnder Umweltbedingungen retrograde Signale zur Kontrolle der Expression von Kerngenen (NGE). In der vorliegenden Arbeit wurde ein induzierbares RNAi-System in Arabidopsis eingesetzt, um enzymatische Schritte des Mg-Zweigs der Tetrapyrrolbiosynthese (TPBS) zu inaktivieren. Es sollte gezeigt werden, inwiefern Tetrapyrrole zu einer kontinuierlichen Regulation der NGE beitragen, um abhängig von durch wechselnde Umweltbedingungen bedingte Veränderungen der TPBS, die Homöostase der Chloroplasten zu justieren. Die Untersuchungen zur Kurzzeitinduktion zeigten, dass veränderte Gehalte an Mg Protoporphyrin IX (MgP), Mg-Protoporphyrin IX-monomethylester (MgPME) und Protochlorophyllid (Pchlid) als Folge verminderter Enzymaktivitäten nicht primär zu einer Anpassung der NGE innerhalb der ersten 24 h führen. Vielmehr weisen die Ergenisse dieser Arbeit auf ein komplexes, vielschichtiges Signalnetzwerk aus retrograden und anterograden Signalwegen unter der Mitwirkung transkriptionellen und posttranslationalen Regulationsmechanismen hin. Es wird angenommen, dass Veränderungen der TPBS über ROS-Signalwege oder Redox-vermittelte Signale zur Regulation der NGE beitragen. Diese Signale könnten aus beeinträchtigten Photosystemen stammen, welche eine Folge der Akkumulation von photoreaktiven Intermediaten und unzureichenden Mengen an Chlorophyll sein können. / In photosynthetic organisms, tetrapyrroles are known to mediate retrograde control of nuclear gene expression (NGE) during chloroplast biogenesis in response to developmental and environmental changes. In these studies, an inducible RNAi system was used in Arabidopsis plants to inactivate enzymatic steps in the Mg-branch of tetrapyrrole biosynthesis (TPBS). It was intended to proof whether tetrapyrroles contribute to a permanent regulation of NGE due to changes in the TPBS and in response to environmental changes to achieve an adjustment of chloroplast homeostasis. The investigations of short-term responses due to altered levels of Mg protoporphyrin (MgP), Mg protoporphyrin monomethylester (MgPME) and protochlorophyllide (Pchlid) caused by a robust down-regulation of enzyme activity within the first 24 h reveal that these Mg porphyrins do not primarily contribute to the modulation of NGE. All results together indicate a complex multi-layered signaling network of anterograde and retrograde control and contributions of transcriptional as well as posttranslational regulation mechanisms. It is proposed that changes in the TPBS mediate the regulation of NGE via ROS-signaling pathways or redox signals deriving from disturbed photosystems due to accumulation of photoreactive intermediates and the lack of chlorophyll.