Die einzellige Grünalge Chlamydomonas reinhardtii ist ein vielseitiger Modellorganismus sowohl in der Grundlagenforschung als auch für biotechnologische Anwendung. Für die genetische Veränderung wurden verschiedene Methoden entwickelt, jedoch ist die gezielte Modifikation kerncodierter Gene immernoch sehr schwierig. In dieser Arbeit wird eine Strategie vorgestellt, die es ermöglicht, kerncodierte Gene in Chlamydomonas gezielt mit sequenzspezifischen Zinkfinger-Nukleasen zu verändern. Das COP3-Gen, welches den lichtaktivierbaren Ionenkanal Kanalrhodopsin-1 codiert, diente hierbei als Zielsequenz der für die Deletion hergestellten Zinkfinger-Nukleasen. Um eine Charakterisierung der ZFNs zu ermöglichen, wurde ein Modelstamm generiert, der ein inaktiviertes Markergen enthält. Die Inaktiverung erfolgte hierbei durch Insertion der COP3-ZFN Zielsequenz. Die Transformation dieses Modellstamms mit ZFN codierender Plasmid-DNA und einem Reparatur-Template ermöglichte die Wiederherstellung der Markeraktivität und eine Selektion Antibiotika-resistenter Kolonien. Wenn in diesen Experimenten zusätzlich ein COP3 veränderndes Template benutzt wurde, enthielt 1% der analysierten Klone ein mutiertes COP3-Gen. Der Chlamydomonas Augenfleck ist ein lichtsensitives Organell mit entscheidender Funktion für die phototaktische Orientierung der Alge. Eine Deletionsmutante des Blaulicht-Photorezeptors Phototropin zeigte in Experimenten eine veränderte Regulation der lichtabhängigen Augenfleckgröße. Durch Komplementierung der Phototropin-Dysfunktion konnte der lichtabhängige Regulationsprozess wiederhergestellt werden. Die Expression der Phototropin-Kinasedomäne führte zu einer lichtunabhängigen Reduktion der Augenfleckfläche. Interessanterweise führte auch die Expression der N-terminalen LOV-Domänen zu einer geänderten Regulation des Augenflecks und der Phototaxis. Dies deutet, zusätzlich zur Lichtregulation der Kinasedomäne, auf eine zelluläre Signalfunktion der LOV-Domänen hin. / The unicellular green alga Chlamydomonas reinhardtii is a versatile model for fundamental and biotechnological research. A wide toolset for genetic manipulation has been developed for this alga, but specific modification of nuclear genes is still not routinely possible. Here we present a nuclear gene targeting strategy for Chlamydomonas that is based on the application of zinc-finger nucleases (ZFNs). Initially, we designed a set of ZFNs for targeting the COP3 gene that encodes the light-activated ion channel channelrhodopsin-1. To evaluate the designed ZFNs, we constructed a model strain by inserting a non-functional selection marker interspaced with a short COP3 target sequence into the nuclear genome. Upon co-transformation of this recipient strain with the engineered ZFNs and a DNA repair template, we were able to restore marker activity and select antibiotic resistant clones with active nucleases. In cases where cells were co-transformed with a modified COP3 template, 1% of these clones contained a modified COP3 locus as well. The eyespot of Chlamydomonas is a light-sensitive organelle important for phototactic orientation of the alga. Here we found that eyespot size is downregulated in light. In a strain in which the blue light photoreceptor phototropin was deleted, the light regulation of the eyespot size was affected. We restored this dysfunction in different phototropin complementation experiments. Complementation with the phototropin kinase fragment reduced the eyespot size, independent of light. Interestingly, overexpression of the N-terminal LOV-domains alone also affected eyespot size and phototaxis, suggesting that aside from activation of the kinase domain, they fulfill an independent signaling function in the cell. We propose that phototropin is a light regulator of phototaxis that desensitizes the eyespot when blue light intensities increase.

Eine mangelhafte Produktion des Zytokins Interleukin-2 (IL-2), sowie Veränderungen in der Population der CD4+Foxp3+ regulatorischen T Zellen (Treg) wurden im Zusammenhang mit der Autoimmunkrankheit Systemischer Lupus erythematodes (SLE) beschrieben. Jedoch wurde ein möglicher kausaler Zusammenhang zwischen diesen beiden Auffälligkeiten und der Pathogenese des SLE bis jetzt nicht aufschlussreich untersucht. Durchflusszytometrische Analysen zeigten hier, dass der Anteil an Treg mit hoher Expression der IL-2 Rezeptoruntereinheit CD25, die mit funktioneller und metabolischer Treg Aktivität assoziiert wurde, in SLE Patienten erniedrigt ist. Außerdem ist das homöostatische Gleichgewicht zwischen Treg und konventionellen T Zellen gestört. In vitro Experimente zeigten, dass eine defekte IL-2 Produktion der CD4+ T Zellen für die niedrige CD25 Expression der Treg von SLE Patienten verantwortlich ist, wohingegen Stimulation mit IL-2 in vitro die CD25 Expression der Treg wiederherstellt und auch das Überleben der Treg erhöht. Vor allem niedrige IL-2 Konzentrationen hatten einen selektiven Effekt auf die Treg Population, während andere Lymphozyten nur wenig beeinflusst wurden. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde eine klinische Studie mit niedrig dosiertem IL-2 zur Behandlung von Patienten mit refraktärem SLE implementiert. Niedrig dosiertes IL-2 führte zu einer peripheren Expansion suppressiver Treg mit stark erhöhter CD25 Expression und verbesserte das homöostatische Gleichgewicht zwischen Treg und konventionellen T Zellen. Diese Effekte wurden von einer klinischen Remission in drei der fünf mit IL-2 behandelten SLE Patienten begleitet. Zusammenfassend machen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit die Bedeutung des IL-2 Defizits für die Veränderungen in der Treg Population und die Pathogenese des SLE deutlich, und zeigen, dass niedrig dosiertes IL-2 einen sicheren und effizienten neuen Therapieansatz darstellt, der direkt in die Pathogenese des SLE eingreift. / A defective production of the cytokine Interleukin-2 (IL-2), as well as abnormalities in the population of CD4+Foxp3+ regulatory T cells (Treg), have been described in association with the autoimmune disease systemic lupus erythematosus (SLE). However, a possible causal relationship between these two features and SLE pathogenesis has not been adequately investigated so far. Here, flow-cytometric analyses showed that the proportion of Treg expressing high levels of the IL-2 receptor subunit CD25, which was associated with functional and metabolic Treg activity, is reduced in SLE patients. In addition, the homeostatic balance between Treg and conventional T cells is disturbed in SLE. In vitro experiments showed that a defective IL-2 production by CD4+ T cells accounts for the low CD25 expression in Treg from SLE patients. In contrast, in vitro stimulation with IL-2 restores CD25 expression in Treg and enhances their survival. Especially low IL-2 concentrations had a selective effect on the Treg population, while other lymphocytes were only marginally affected. Based on these results, a clinical trial with low-dose IL-2 was implemented for the treatment of patients with refractory SLE. Low-dose IL-2 treatment of SLE patients caused a selective peripheral expansion of suppressive Treg with strongly increased CD25 expression levels, and improved the homeostatic balance between Treg and conventional T cells. These effects were accompanied by clinical remission in three of the five SLE patients that were treated with low-dose IL-2 during the course of this study. In summary, this work demonstrates the impact of IL-2 deficiency for the Treg abnormalities and disease pathogenesis in SLE, and it proposes low-dose IL-2 as a safe and efficient novel therapeutic approach, which directly targets SLE pathogenesis.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Transkription mitochondrialer Gene durch die kernkodierten Phagentyp-RNA-Polymerasen RpoTm und RpoTmp der Pflanze Arabidopsis untersucht. Im Mitochondriengenom von Arabidopsis wurden f r 12 Gene Promotoren bestimmt. Diese zeigten verschiedene Sequenzelemente und wichen meist von der f r Dikotyle publizierten Konsensussequenz ab. F r die Mehrheit der Gene wurden multiple Promotoren identifiziert. Es wurden weiterhin Promotoren nachgewiesen, welche die Transkription vermutlich nicht funktioneller Sequenzen aktivieren. Architektur, Lokalisation und Nutzung mitochondrialer Promotoren implizieren eine wenig stringente Kontrolle der Transkriptionsinitiation in Arabidopsis-Mitochondrien. Zur Analyse der Funktionen von RpoTm und RpoTmp wurde ein in vitro-Transkriptionssystem entwickelt. Da RpoT-Enzyme m”glicherweise Kofaktoren ben”tigen, wurde in Arabidopsis nach Genen potentieller mitochondrialer Transkriptionsfaktoren gesucht. Als mitochondriales Protein mit Žhnlichkeit zu mtTFB, einem essentiellen Transkriptionsfaktor in Hefemitochondrien, wurde MetA identifiziert. In in vitro-Assays initiierte RpoTm an verschiedenen Promotoren die Transkription, w„hrend RpoTmp keine signifikante Promotorspezifit„t zeigte. Die spezifische Promotornutzung durch RpoTm erforderte superhelikale DNA. Weder RpoTm noch RpoTmp wurde durch MetA stimuliert. Eine mtTFB-„hnliche Funktion von MetA ist daher unwahrscheinlich. F r MetA wurde ausserdem eine engere phylogenetische Beziehung zu nukle„ren rRNA-Dimethylasen als zu mtTFB ermittelt. Die hier vorgestellten Studien belegen die Transkription mitochondrialer Gene in Arabidopsis durch RpoTm; f r RpoTmp ist eine nicht-redundante Transkriptionsfunktion denkbar. Die Kofaktor-unabh„ngige Spezifit„t von RpoTm f r verschiedene Promotoren und die wenig stringente Initiationskontrolle in vivo legen nahe, dass eine individuelle Regulation mitochondrialer Gene in Arabidopsis auf Transkriptionsebene nicht erfolgt. / Mitochondria depend on a nucleus-encoded transcription machinery to express their genome. The present study examined the transcription of mitochondrial genes by two nucleus-encoded phage-type RNA polymerases, RpoTm and RpoTmp, in the plant Arabidopsis. For selected mitochondrial genes in Arabidopsis, transcription initiation sites were determined. Most genes were found to possess multiple promoters. The identified promoters displayed diverse sequence elements and mostly deviated from a nonanucleotide consensus derived previously for dicot mitochondrial promoters. Several promoters were detected that activate transcription of presumably non-functional sequences. Promoter architecture, distribution and utilization suggest a non-stringent control of transcription initiation in Arabidopsis mitochondria. An in vitro transcription system was set up to elucidate the roles of RpoTm and RpoTmp. Since RpoT enzymes possibly require auxiliary factors, the Arabidopsis genome was screened for potential cofactors of phage-type RNA polymerases. A mitochondrial protein (MetA) with similarity to mtTFB, an essential transcription factor in yeast mitochondria, was identified. In in vitro transcription studies, RpoTm recognized various promoters whereas RpoTmp displayed no significant promoter specificity. Promoter recognition by RpoTm depended on supercoiled DNA templates. Transcription initiation by RpoTm or RpoTmp was not affected by MetA, indicating that MetA is not functionally equivalent to mtTFB. Besides, MetA was found to be more closely related to non-mitochondrial rRNA dimethylases than to mtTFB. The present study establishes RpoTm to transcribe mitochondrial genes; RpoTmp may have a non-overlapping transcriptional role in mitochondria. The cofactor-independent promoter specificity of RpoTm and the apparently non-stringent control of transcription initiation in vivo imply that mitochondrial genes in Arabidopsis may not be regulated individually at the transcriptional level.

Neuronale Adaptation dient dazu, eine Sinnesbahn kurzfristig an die aktuelle Umgebung des Tieres anzupassen. Ihr zeitlicher Verlauf lässt sich in der Antwort einzelner Nervenzellen direkt beobachten. Der Adaptation unterliegen eine Vielzahl verschiedener Mechanismen, die über die gesamte Sinnesbahn verteilt sein können. In der vorliegenden Arbeit wurde der Versuch unternommen, diese unterschiedlichen Betrachtungsebenen zusammenzuführen. Dazu wurden mehrere experimentelle und theoretische Studien durchgeführt. In zwei der vorgestellten Studien wurden Kombinationen aus Strominjektionen und akustischen Reizen verwendet, um intrinsische Adaptation von Netzwerkeffekten zu trennen. Dabei ergab sich in einer experimentellen Studie am auditorischen System der Heuschrecke, dass die Adaptationsmechanismen, die in verschiedenen Teilen der Hörbahn rekrutiert werden, sehr stark von Identität und Funktion der jeweils untersuchten Nervenzelle abhängen. Ähnliche Methoden ermöglichten es, im auditorischen System der Grille präsynaptische Hemmung als Substrat für die wichtige mathematische Operation der Division zu identifizieren. Zusätzlich wurden Modellierungen durchgeführt, bei denen die Frage bearbeitet wurde, wo Adaptation in der Hörbahn wirken sollte, bezogen auf zwei verschieden Aufgaben: die Lokalisation eines Signals und die neuronale Abbildung dessen zeitlicher Struktur. Die Ergebnisse dieser Studie deuten darauf hin, dass die Anforderungen für diese beiden Aufgaben sehr unterschiedliche sind. In einer vierten Studie wurde untersucht, ob die Adaptation in einem auditorischen Interneuron der Grille dazu dient, die gesamte sensorische Umgebung gut abzubilden, oder ob durch die Adaptation eine Abtrennung des jeweils lautesten Signals erreicht werden kann. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sowohl die Adaptationsmechanismen, als auch deren genaue Platzierung innerhalb der sensorischen Bahn wesentlich für Sinnesleistungen sind. / Neural adaptation serves to adjust the sensory pathway to the current environment of an animal. While the effect and time course of adaptation can be observed directly within single cells, its underlying cause is a combination of many different mechanisms spread out along the sensory pathway. The present work has the objective to unite these different levels of understanding of the term adaptation. In order to do so, several experimental and theoretical studies were carried out. In two of these studies, a combination of current injection and auditory stimulation was used, in order to disentangle intrinsic adaptation from network effects. In one of the studies, carried out in the auditory system of locusts, it was revealed that the mechanisms behind adaptation that are activated within different parts of the auditory system depend critically on identity and function of the cell under study. Similar methods enabled the identification of presynaptic inhibition as a possible mechanisms behind the important mathematical operation of division in the auditory system of crickets. Additionally, a modeling study pursued the question, where adaption should work in the auditory system from the perspective of two different tasks of sensory processing: identification of a signal and localization of its source. The results obtained from the model suggest conflicting demands for these two tasks and also present a solution of this conflict. In a fourth study, it was asked wether adaptation in the auditory system of crickets serves to guarantee optimal representation of the entire sensory environment or if it helps to separate one most important signal from the background. In summary, not only which mechanisms of adaptation are at work is of crucial importance for sensory processing, but also the exact placement of these along the pathway.

In mono- und eudikotylen Pflanzen kodiert eine Genfamilie (RpoT, RNA-Polymerase des T3/T7-Typs) mitochondriale und plastidäre RNA-Polymerasen (RNAP), die den ungeraden T-Phagen-Polymerasen ähneln. RpoT-Gene von Angiospermen sind gut charakterisiert, während aus tiefer abzweigenden Pflanzenspecies bisher lediglich die Gene aus dem Moos Physcomitrella beschrieben wurden. Um einen Beitrag zur Aufklärung der molekularen Evolution der RpoT-Polymerasen im Pflanzenreich zu liefern und um Erkenntnisse über die potentielle Bedeutung von multiplen Phagen-Typ (RNAP) in Pflanzen zu gewinnen, wurden die RpoT-Gene aus dem Lycophyten Selaginella moellendorffii und aus dem basalen Angiosperm Nuphar advena identifiziert und charakterisiert. Selaginella moellendorffii (Moosfarn)-Trace-Sequenzdaten mit hoher Ähnlichkeit zu RpoT-Sequenzen von Angiospermen wurden benutzt, um das full-length SmRpoT-Gen und die entsprechende cDNA zu isolieren. Die SmRpoT-mRNA ist 3542 nt lang und weist einen offenen Leserahmen von 3006 nt auf, der für ein putatives Protein aus 1002 Aminosäuren mit einer molekularen Masse von 113 kDa kodiert. Das SmRpoT-Gen besteht aus 19 Exons und 18 Introns, die in ihren Positionen mit denen aus den Angiosperm- und Physcomitrella-Genen konserviert sind. Mittels Southernblot-Analyse wurde nachgewiesen, dass S. moellendorffii ein single-copy RpoT-Gen kodiert. Für das N-terminale Transitpeptid von SmRpoT konnte gezeigt werden, dass es bei transienter Expression in Arabidopsis- und Selaginella-Protoplasten den Transport von GFP (green fluorescent protein) exclusiv in Mitochondrien vermittelt. In N. advena wurden mittels Screening einer BAC-Bibliothek drei RpoT-Gene identifiziert. Sowohl die genomischen als auch die cDNA-Sequenzen wurden aufgeklärt. Die NaRpoT-mRNAs kodieren putative Polypeptide von 996, 990 und 985 Aminosären. Alle drei Gene besitzen 19 Exons und 18 Introns, die in ihren Positionen mit denen der RpoT-Gene aus Selaginella und allen anderen Landpflanzen konserviert sind. Die kodierten Proteine weisen auf Aminosäureebene einen hohen Konservierungsgrad auf, einschließlich aller essentiellen Regionen und Aminosäurereste, die für die T7-RNAP bekannt sind. Die N-terminalen Transitpeptide zweier der kodierten RNAP, NaRpoTm1 und NaRpoTm2, vermittelten den Import von GFP exclusiv in Mitochondrien, während die dritte Polymerase, NaRpoTp, in Chloroplasten importiert wurde. Interessanterweise muß die Translation der NaRpoTp-mRNA an einem CUG-Codon initiiert werden, um ein funktionelles Protein mit plastidärem Transitpeptid zu erhalten. Die N. advena RpoTp-RNAP ist somit neben AGAMOUS aus Arabidopsis und der RpoTp-RNAP aus Nicotiana, ein weiteres Beispiel für jene selten vorkommenden pflanzlichen mRNAs, deren Translation exclusiv an nicht-AUG-Codons initiiert wird. Die Rekonstruktion von phylogenetischen Bäumen resultierte in unterschiedlichen Positionen für die Selaginella- und Nuphar-Polymerasen: Im Gegensatz zu der RpoT-Polymerase aus S. moellendorffii und denen aus Physcomitrella, die in den phylogenetischen Analysen Schwesterpositionen zu allen anderen Phagentyp-RNAP der Angiospermen einnehmen, clusterten die Nuphar-RpoTs zusammen mit den deutlich separierten mitochondrialen (NaRpoTm1 und NaRpoTm2) und plastidären (NaRpoTp) Polymerasen. Selaginella kodiert eine einzige mitochondriale RNAP, während Nuphar zwei mitochondriale und eine plastidäre RNAP besitzt. Die Identifizierung einer Plastiden-lokalisierten Phagentyp-RNAP in diesem basalen Eudikotylen, die ortholog zu allen anderen RpoT-Enzymen der Blütenpflanzen ist, läßt darauf schließen, daß die Acquisition einer nukleär kodierten plastidären RNAP, die noch in den Lycopoden fehlt, nach der Trennung der Leucopoden von allen anderen Tracheophyten erfolgte. Eine “dual-targeting” RNAP (mitochondrial und plastidär lokalisiert), wie sie in Eudikotylen, nicht jedoch in Monokotylen vorkommt, wurde weder in Selaginella noch in Nuphar nachgewiesen, vermutlich ist sie ein evolutionäres Novum von eudikotylen Pflanzen wie Arabidopsis. / In mono- and eudicot plants, a small nuclear gene family (RpoT, RNA polymerase of the T3/T7 type) encodes mitochondrial as well as chloroplast RNA polymerases homologous to the T-odd bacteriophage enzymes. RpoT genes from angiosperms are well characterized, whereas data from deeper branching plant species until recently were limited to the moss Physcomitrella. To elucidate the molecular evolution of the RpoT polymerases in the plant kingdom and to get more insight into the potential importance of having more than one phage-type RNA polymerase (RNAP) available, we identified and characterized RpoT genes in the lycophyte Selaginella moellendorffii and the basal eudicot Nuphar advena. Selaginella moellendorffii (spikemoss) sequence trace data encoding a polypeptide highly similar to angiosperm and moss phage-type organelle RNA polymerases were used to isolate a BAC clone containing the full-length gene SmRpoT as well as the corresponding cDNA. The SmRpoT mRNA comprises 3452 nt with an open reading frame of 3,006 nt, encoding a putative protein of 1,002 amino acids with a molecular mass of 113 kDa. The SmRpoT gene comprises 19 exons and 18 introns, conserved in their position with those of the angiosperm and Physcomitrella RpoT genes. Using Southern blot analysis, it was shown that S. moellendorffii encodes a single RpoT gene. The N-terminal transit peptide of SmRpoT was shown to confer targeting of green fluorescent protein (GFP) exclusively to mitochondria after transient expression in Arabidopsis and Selaginella protoplasts. In Nuphar advena three RpoT genes were identified by BAC library screening. Both genomic gene sequences and full-length cDNAs were determined. The NaRpoT mRNAs specify putative polypeptides of 996, 990 and 985 amino acids, respectively. All three genes comprise 19 exons and 18 introns, conserved in their positions with those from S. moellendorffii and the RpoT genes of other land plants. The encoded proteins show a high degree of conservation at the amino acid sequence level, including all functional crucial regions and residues known from the phage T7 RNAP. The N-terminal transit peptides of two of the encoded polymerases, NaRpoTm1 and NaRpoTm2, conferred targeting of GFP exclusively to mitochondria, whereas the third polymerase, NaRpoTp, was targeted to chloroplasts. Remarkably, translation of NaRpoTp mRNA has to be initiated at a CUG codon to generate a functional plastid transit peptide. Thus, besides AGAMOUS in Arabidopsis and the Nicotiana RpoTp polymerase, N. advena RpoTp provides another example for a plant mRNA that is exclusively translated from a non-AUG codon. Reconstruction of phylogenetic trees revealed different positions of the RpoTs from the lycophyte Selaginella and the basal eudicot Nuphar. In contrast to the RpoTs of S. moellendorffii and those of the moss Physcomitrella, which are according to the phylogenetic analyses in sister positions to all other phage-type polymerases of angiosperms, the Nuphar RpoTs clustered with the well separated clades of mitochondrial (NaRpoTm1 and NaRpoTm2) and plastid (NaRpoTp) polymerases. Selaginella encodes a single mitochondrial RNAP, whereas Nuphar harbors two mitochondrial and one plastid phage-type polymerases. Identification of a plastid localized phage-type RNAP in this basal eudicot, orthologous to all other RpoTp enzymes of flowering plants, suggests that the acquisition of a nuclear encoded plastid RNA polymerase, not present in lycopods, took place after the split of lycopods from all other tracheophytes. A dual-targeted mitochondrial and plastid RNA polymerase (RpoTmp), as present in eudicots but not monocots, was not detected in Nuphar or Selaginella suggesting that its occurrence is an evolutionary novelty of eudicotyledoneous plants like Arabidopsis.

Eine Gemeinsamkeit verschiedener neurodegenerativer Erkrankungen ist die abnormale Ansammlung von Proteinen im Gehirn, wie z. B. von alpha-Synuclein (Syn)-Aggregaten bei der Parkinson''schen Krankheit (PD) oder von Huntingtin (Htt)-Aggregaten bei Chorea Huntington (HD). Am Anfang dieser Studie wurde eine Bibliothek von ca. 5000 natürlichen Substanzen nach Inhibitoren der Htt-Aggregation durchsucht. Eine der wirksamen Substanzen war (-)-Epigallocatechingallat (EGCG), eine Verbindung, die in grünem und schwarzem Tee vorkommt. Die antioxidativen Eigenschaften von EGCG wurden bereits mit einer neuroprotektiven Wirkung in Verbindung gebracht, was EGCG zu einem vielversprechenden Kandidaten für die Entwicklung einer neuen Behandlungsmethode macht. Eine inhibierende Wirkung auf Proteinaggregation wurde jedoch bis jetzt noch nicht nachgewiesen. Diese Studie zeigt, dass EGCG die Aggregation von Htt und Syn hemmt, indem es dosisabhängig eine oligomere Proteinkonformation stabilisiert. Diese Oligomere wirken jedoch nicht als Keime in Aggregationsreaktionen. Zusätzlich verändert EGCG die Exposition bestimmter Epitope, die von konformationsspezifischen Antikörpern im Laufe der Aggregation erkannt werden. Daher könnte die Substanz Proteine, die zur Aggregation neigen, auf einen alternativen Faltungspfad in der Missfaltungskaskade führen. Weiterhin legen die Ergebnisse nahe, dass eine direkte Wechselwirkung zwischen EGCG und Proteinen in einer ungefalteten Konformation stattfindet. In verschiedenen Zellkultur-Modellsystemen verringerte EGCG die Toxizität, die von missgefalteten Proteinen ausgeht, was nahelegt, dass die neu geformten oligomeren Spezies nicht toxisch sind. EGCG könnte daher ein chemisches Chaperon darstellen, das die Missfaltung und Toxizität von Proteinen, die mit neurodegenerativen Krankheiten assoziiert sind, verringert. Die Substanz könnte daher die Basis zur Entwicklung einer neuen Therapie für diese unheilbaren Krankheiten darstellen. / A common feature of neurodegenerative disorders is the abnormal accumulation of aggregated protein the brain, such as alpha-Synuclein (Syn) aggregates in Parkinson''s disease (PD) and Huntingtin (Htt) aggregates in Huntington''s disease (HD). In this study, a library of approximately 5000 natural compounds was screened for inhibitors of Htt aggregation. One of the hits was (-)- Epigallocatechin gallate (EGCG), a compound present in green and black tea. The antioxidant properties of this substance have been linked to neuroprotection before, making it a promising candidate for the development of a treatment for neurodegenerative diseases. Inhibition of protein aggregation by EGCG, however, has not been demonstrated so far. This study shows that EGCG inhibits the aggregation of Htt and Syn by stabilizing an oligomeric conformation of the respective proteins in a dose-dependent manner. These oligomers do not seed the aggregation of Htt and Syn. Also, EGCG modifies the exposure of different epitopes recognized by conformation-specific antibodies during the aggregation process. The compound might therefore lead aggregation-prone proteins on an alternative folding pathway in the misfolding cascade. The results furthermore suggest that direct interaction occurs between EGCG and proteins in an unfolded conformation. EGCG also reduces toxicity caused by misfolded Htt or Syn in cell culture model systems, suggesting that the oligomeric protein species formed in the presence of EGCG are not toxic to living cells. EGCG might therefore represent a chemical chaperone that can modulate misfolding and toxicity of proteins associated with neurodegenerative diseases and could provide the basis for the development of a novel pharmacotherapy for these fatal disorders.

3-Jodthyronamin (3-T1AM) und Thyronamin (T0AM) sind endogene Signalmoleküle, die eine große strukturelle Ähnlichkeit zu Schilddrüsenhormonen aufweisen, allerdings die klassischen Wirkungen des aktiven Schilddrüsenhormons 3,5,3’-Trijodthyronin (T3) antagonisieren. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, ob Thyronamine (TAMs) Substrate von Dejodasen (Dio1, Dio2, Dio3) sind. Die TAMs wurden mit isozymspezifischen Dio-Präparationen inkubiert. Die Dejodierungsprodukte wurden mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie und Tandemmassenspektrometrie (LC-MS/MS) analysiert. Mit Präparationen der Dio1 wurden Dejodierungen von 3,3’,5’-Trijodthyronamin, 3’,5’- und 3,3’-Dijodthyronamin am phenolischen Ring sowie Dejodierungen von 3,5,3’-Trijodthyronamin und 3,5-Dijodthyronamin am Tyrosylring beobachtet. Dio2 haltige Präparationen katalysierten ebenfalls Dejodierungen von 3,3’,5’-Trijodthyronamin und 3’,5’-Dijodthyronamin am phenolischen Ring. Mit Dio3 haltigen Präparationen wurden alle TAMs mit jodiertem Tyrosylring dejodiert. In Kompetitionsversuchen inhibierten ausschließlich die TAMs, die als Substrate von Dio Isozymen identifizierten wurden, eine etablierte Dejodierungsreaktion eines bekannten Substrats. Im Gegensatz dazu interferierten TAMs, die in den LC-MS/MS Experimenten als Substrate der Dio Isozyme ausgeschlossen wurden, nicht mit der genannten etablierten Dejodierungsreaktion. Zusammenfassend wurde in der vorliegenden Arbeit gezeigt, dass TAMs Substrate aller drei Dio Isozyme sind und jedes Isozym eine eigene Substratspezifität aufweist. Diese Befunde weisen darauf hin, dass Dio Isozyme an der Biosynthese von TAMs beteiligt sein könnten. Ferner wurden die Biosynthesewege für 3-T1AM und T0AM eingegrenzt. Desweiteren gestatten die Ergebnisse neue Einblicke in die generellen strukturellen Voraussetzungen für Dio Substrate, da TAMs die bisher einzigen endogenen Dio Substrate darstellen, deren Seitenkette am Tyrosylring eine positive Ladung aufweist. / 3-iodothyronamine (3-T1AM) and thyronamine (T0AM) are novel endogenous signaling molecules that exhibit great structural similarity to thyroid hormones but apparently antagonize classical thyroid hormone (T3) actions. The present study investigated whether thyronamines (TAMs) are substrates of three Dio isozymes (Dio1, Dio2 and Dio3). TAMs were incubated with isozyme specific Dio preparations. Deiodination products were analyzed using a newly established method applying liquid chromatography and tandem mass spectrometry (LC-MS/MS). Phenolic ring deiodinations of 3,3’,5’-triiodothyronamine, 3’,5’- and 3,3’-diiodothyronamine as well as tyrosyl ring deiodinations of 3,5,3’-triiodothyronamine and 3,5-diiodothyronamine were observed with preparations containing Dio1. Preparations of Dio2 also deiodinated 3,3’,5’-triiodothyronamine and 3’,5’-diiodothyronamine at the phenolic rings. All TAMs with tyrosyl ring iodine atoms were deiodinated by Dio3 containing preparations. In functional competition assays, the newly identified TAM substrates inhibited an established iodothyronine deiodination reaction. By contrast, TAMs which had been excluded as Dio substrates in LC-MS/MS experiments, failed to show any effect in the competition assays, thus verifying the former results. In summary, all three Dio isozymes catalyzed TAM deiodination reactions with each isozyme exhibiting a unique substrate specificity. These data support a role for Dio isozymes in TAM biosynthesis and contribute to confining the biosynthetic pathways of 3-T1AM and T0AM. Furthermore, they provide new insights into the structural requirements for Dio substrates in general since TAMs represent the only endogenous Dio substrates described, so far, which possess a positively charged tyrosyl ring side chain.

Zusammenfassung Transgene Tabakpflanzen, in denen wegen der Expression von Antisense-RNA für zwei Enzyme der Tetrapyrrolbiosynthese die Aktivität der Uroporphyrinogen-Decarboxylase bzw. Coproporphyrinogen-Oxidase vermindert ist, akkumulieren in starkem Ausmaß die Substrate der betroffenen Enzyme. Diese Porphyrinogene werden bei Anwesenheit von Sauerstoff autoxidativ oder durch unspezifische Peroxidasen in ihre photosensibilisierenden Derivate (Porphyrine) umgewandelt, welche die Ursache für zelluläre Schäden darstellen, die sich makroskopisch in Form von Blattläsionen zeigen. Im Verlauf der durch die angehäuften Porphyrine ausgelösten Reaktionen, die u.a. den Folgen der Behandlung von Pflanzen mit photodynamisch wirksamen Herbiziden und auch den Symptomen von Porphyria-Erkrankungen des Menschen ähneln, werden Membranlipide durch Peroxidation geschädigt und alle lichtexponierten Zellen massivem oxidativem Streß ausgesetzt. Dieser läßt sich anhand der kompartiment-übergreifenden und alle Ebenen der Expression umfassenden Aktivierung des antioxidativen Schutzsystems belegen. So können die Transkriptakkumulation und verstärkte Anhäufung der Proteine sowie der damit verbundene Anstieg der Aktivität von Superoxid-Dismutase und Ascorbat-Peroxidase nachgewiesen werden. Die erhöhte Aktivität der Schutzenzyme führt zu beschleunigtem Umsatz und größerem Bedarf an niedermolekularen Antioxidantien wie Ascorbat und Tocopherol. Gleichzeitig kommt es lokal beschränkt auf Blattgewebe in der Umgebung von Nekrosen zur Kreuzinduktion von pathogenese-assoziierten Prozessen, wie der Akkumulation von "pathogenesis related" (PR)-Proteinen, von Salicylsäure und der antimikrobiell wirksamen phenolischen Verbindung Scopolin. Diese Aktivierung der Pathogenabwehr wird durch die verminderte Ausbreitung einer Infektion der Pflanzen mit dem Tabak Mosaikvirus (TMV) widergespiegelt. Der Prozeß der Photosensibilisierung ist stark licht- und sauerstoffabhängig und wird außerdem durch erhöhte Temperaturen beschleunigt. Wird eine bestimmte Lichtdosis überschritten, werden die Porphyrine durch die dann rasch irreversibel geschädigten Plastiden freigesetzt, und es kommt wegen des nachfolgenden Absterbens von Gewebe zur Ausbildung der Blattläsionen. Dieser Effekt wurde ausgenutzt, um die Kinetik von Prozessen der antioxidativen und Pathogenabwehr in den Pflanzen zu untersuchen. Mittels Subtraktiver Suppressions-Hybridisierung (SSH) wurde eine subtrahierte cDNA-Bank angelegt, in der Gene vertreten sind, deren Expression bereits sehr früh als Reaktion auf die Photosensibilisierung induziert wird. Unter diesen Genen sind auch vermutete Komponenten von Signaltransduktionskaskaden einschließlich Transkriptionsfaktoren. Etwas überraschend war die Erkenntnis, daß vor allem pathogenese- und zelltod-assoziierte Prozesse frühzeitig aktiviert werden, die klassischen Enzyme der antioxidativen Streßabwehr aber erst später reagieren. Bei letzteren kommt es vor Veränderungen in der Expression zuerst zu einem Anstieg der Aktivität, der sich in verändertem Gehalt und Redoxstatus der niedermolekularen Antioxidantien niederschlägt. Insgesamt stellt sich die durch Antisense-Expression verursachte Deregulation der Tetrapyrrolbiosynthese und die daraus resultierende Photosensibilisierung als komplexes System dar, in dem antioxidative und Pathogenabwehr kreuzinduziert werden und welches als Modell zur Aufklärung von Mechanismen der Streßabwehr wertvolle Aussagen liefert. / Abstract Transgenic tobacco plants expressing antisense RNA for two enzymes of the tetrapyrrole biosynthetic pathway are characterized by decreased enzyme activity of either uroporphyrinogen decarboxylase or coproporphyrinogen oxidase and accumulate the substrates of these enzymes in large amounts. If oxygen is present the accumulated porphyrinogens are transformed either by autoxidation or unspecific peroxidases into their photosensitizing derivatives (porphyrins). They are the molecular basis for cellular damage which eventually becomes visible as leaf lesions. During photosensitization membrane lipids are damaged due to peroxidation reactions and most of the symptoms observed are similar to the effects caused by the treatment of plants with photodynamic herbicides, or resemble the characteristics of porphyria diseases in human. These plants suffer from oxidative stress which is concluded from the general and intercompartimental activation of the antioxidative stress defense system. Transcripts and proteins of superoxide dismutase and ascorbate peroxidase accumulate and the corresponding enzyme activities are increased. This increase leads to accelerated turnover and enhanced demand of low molecular weight antioxidants like ascorbate and tocopherol. Simultaneously, cross induction of pathogenesis-related responses is observed in the plants, like the accumulation of PR proteins, salicylic acid and the antimicrobial phenolic compound scopolin. The activation of the pathogen defense system leads to restricted spread of Tobacco Mosaic Virus (TMV) infection in the transgenic plants. Photosensitization strongly depends on light and oxygen and is enhanced by elevated temperature. Porphyrins are only released from rapidly damaged plastids into other cellular compartments if a certain light dose is exceeded. Then cell death commences and dead tissue becomes visible as leaf lesions. This light dosage effect was exploited to investigate the kinetics of antioxidative and pathogen defense responses upon light shift. By the use of Suppression Subtractive Hybridization (SSH) a subtracted cDNA library was established that contains genes which are early induced in response to photosensitization. The library also contains putative components of signal transduction chains and transcription factors. Unexpectedly, the expression of genes related to pathogenesis and cell death is rather early induced while the cellular antioxidative stress defense system responds later. The activity of antioxidative enzymes is increased before changes in transcript or protein accumulation occur, resulting in changes of content and redox ratio of low molecular weight antioxidants. In summary, photosensitization caused by the expression of antisense RNA and resulting in the deregulation of tetrapyrrole biosynthesis is a complex model system in which antioxidative and pathogen defense responses are induced. The approach can be used to further elucidate mechanisms of stress response.

Die Verpackung und Spaltung konkatemerer DNA ist ein essentieller Prozeß bei der Reifung von Virionen. Die an diesem Prozess maßgeblich beteiligten Proteine werden als Terminase bezeichnet. Die Inhibition der HCMV Terminase bietet einen attraktiven alternativen Ansatzpunkt für die antivirale Therapie. Zur Inhibition der Terminase Aktivität wurden die neuen Benzimidazol D-Ribonukleosid Derivate BTCRB und Cl4RB auf ihre antivirale Wirkung analysiert. Die neuen Benzimidazol D-Ribonukleosid Derivate BTCRB und Cl4RB zeigten sowohl gegen den HCMV Laborstamm AD169 als auch gegen klinische HCMV-Isolaten eine Wirkung. Weiterhin wurde die Wirksamkeit der Substanzen auf anderen Herpesviren getestet. Interessanterweise zeigten BTCRB und Cl4RB sowohl einen Effekt gegen Varicella-Zoster-Virus (VZV) als auch Ratten-Cytomegalovirus (RCMV), wohingegen der Effekt gegen Herpes-simplex-Virus Typ-1 (HSV-1) und Maus-Cytomegalovirus (MCMV) gering war. Infolgedessen eignen sich beide Substanzen BTCRB und Cl4RB als attraktive alternative Inhibitoren für die weitere Entwicklung einer antiviralen Therapie. / DNA packaging is the key step in viral maturation and involves binding and cleavage of viral DNA containing specific DNA-packaging motifs. This process is mediated by a group of specific enzymes called terminase. The development for an inhibitor of HCMV terminase would be of great value, because it would act subsequent to DNA synthesis and block the first steps in viral maturation. Therefore we characterized two inhibitors targeting the HCMV terminase, 2-bromo-4,5,6-trichloro-1-(2,3,5-tri-O-acetly-ß-D-ribofuranosyl) benzimidazole (BTCRB) and 2,4,5,6-tetrachloro-1-(2,3,5-tri-O-acetly-ß-D-ribofuranosyl) benzimidazole (Cl4RB). By using viral plaque formation, viral yield, viral growth kinetics and electron microscopy, we demonstrated that two compounds BTCRB und Cl4RB are highly active against HCMV AD 169 and HCMV clinical isolates. In addition, the antiviral effect on other herpesviruses was determined. Interestingly BTCRB was active all tested herpesviruses. The best effects were observed on VZV-and RCMV-infected cells. Therefore new compounds might be promising attractive compounds for antiviral therapy in the future.

PPR-Proteine bilden die größte Familie von RNA-Bindeproteinen in Pflanzen und sie werden fast ausschließlich in die Mitochondrien oder Plastiden importiert, wo sie eine wesentliche Rolle im RNA-Metabolismus spielen (Lurin et al., 2004). Doch die Funktionsweise der Proteine ist noch weitgehend unbekannt. In dieser Arbeit wurde das plastidäre PPR-Protein PPR5 in Zea mays funktionell charakterisiert, dessen Ortholog in Arabidopsis thaliana essentiell für die Embryogenese ist (Cushing et al., 2005). Mittels PPR5-Immunopräzipitation und einer Analyse der kopräzipitierten RNA konnte in vivo eine spezifische Assoziation mit der ungespleißten tRNA-Glycin (UCC) nachgewiesen werden. Analysen von ppr5-Mais-Mutanten offenbarten einen Stabilitätsverlust dieser RNA. Es wurde gefolgert, dass PPR5 das Transkript vor einem endonukleolytischen Abbau schützt. Die weiteren Projekte der Arbeit widmeten sich der Evolution der Familie. Um Erkenntnisse zur Funktion und Spezifität nahe verwandter PPR-Proteine zu erhalten, wurden die drei nächsten Verwandten von PPR5 identifiziert und Mais-Mutanten isoliert. Weiterhin wurde PPR54 untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass PPR54 in Mais – wie in Arabidopsis (Tillich, nicht publiziert) – für das Spleißen des ndhA-Introns benötigt wird. Damit wurden erstmalig orthologe PPR-Proteine in einer Mono- und einer Dikotylen funktionell analysiert. Die vorgelegten Analysen mündeten in drei allgemeingültigen Schlussfolgerungen zur Funktion der PPR-Proteine. 1) Plastidäre PPR-Proteine, die in Dikotylen wie Arabidopsis für die Embryogenese notwendig sind, üben eine Funktion in der plastidären Translation aus. 2) Die vorgeschlagene Funktionsweise von PPR5 erfordert nicht die Rekrutierung anderer, katalytisch aktiver Proteine, sondern ihr liegt ein passiver, auf der Bindung einer RNA beruhender Mechanismus zugrunde. 3) Die Funktion orthologer PPR-Proteine ist in Mono- und Dikotylen konserviert, wie am Beispiel von PPR54 experimentell nachgewiesen wurde. / PPR proteins are the largest family of RNA binding proteins in plants and the vast majority of them is localized to mitochondria or chloroplasts, where they are major players in the RNA metabolism of defined transcripts (Lurin et al., 2004). However, the mechanistic function of these proteins is still not clear. In this study, the plastid PPR protein PPR5, whose ortholog in Arabidopsis thaliana is embryo-essential (Cushing et al., 2005), was functionally characterized in Zea mays. By PPR5 immunoprecipitation and analyses of the coimmunoprecipitated RNA, a specific association to the unspliced tRNA glycine (UCC) was shown in vivo. The analysis of ppr5 maize mutants demonstrated a loss of stability of the tRNA precursor in mutants. It was concluded that the interaction with PPR5 protects the unspliced tRNA from endonucleolytic decay. In addition, close relatives of PPR5 were identified in maize (PPR2, PPR50, and PPR51) by phylogenetic means and maize mutants were isolated. A future characterization of four paralogous PPR proteins might answer whether closely related PPR proteins have similar functions or RNA targets. The analysis of PPR54 in maize demonstrated that PPR5 is needed for the splicing of the ndhA intron in maize as it is in Arabidopsis (Tillich, not published). Three important conclusions concerning the function of PPR proteins in general were drawn from the studies of chosen PPR proteins presented here. First, plastid PPR proteins that are essential in embryo development in eudicots like Arabidopsis should be necessary for plastid translation in most cases. Second, the characterization of PPR5 revealed a possibly ancient functional mechanism of PPR proteins which does not invoke the recruitment of additional catalytic factors but relies on the passive binding of RNA elements. Last, the conservation of function of orthologous PPR proteins in monocots and eudicots, which was shown in the case of PPR54, was demonstrated experimentally for the first time.