Bacillus amyloliquefaciens FZB42 besitzt einen beeindruckenden Effekt zur Verbesserung des Pflanzenwachstums. Um die Mechanismen, vor allem auf molekularer Ebene, zu verstehen, wurde das komplette Genom von FZB42 in dieser Arbeit sequenziert. Abwesenheit von der weit verbreiteten Phagen-verwandten Genen im Genom von B. subtilis 168, der in enger Verwandtschaft zum FZB42 steht, ist ein besonderes Merkmal. Dagegen enthält das Genom von FZB42 viele DNA-Inseln, in denen unikale Gene in FZB42 als Cluster gefunden wurden. Viele Gene, die möglicherweise zur Pflanzenwachstumsförderung beitragen, wurden in dieser Arbeit identifiziert. B. amyloliquefaciens FZB42 ist natürlich kompetent. Das kompetente Stadium in FZB42 kommt früher als in B. subtilis 168, nämlich während der späten exponentiellen Wachstumsphase. Das FZB42-Genom enthält den kompletten Satz von Genen, die für die Entwicklung der genetischen Kompetenz nötig sind. Ausgenommen von Gene für Quorum-Sensing-System ist die Mehrzahl der Kompetenz-Gene von FZB42 sehr ähnlich zu denen in B. subtilis 168. Das FZB42 Genom birgt ein enormes Potential zur Produktion von sekundären Metaboliten. Genetische Manipulationen wurden durchgeführt, um die Funktionen der trans-AT Domänen und der Modifikationsdomänen in den PKS-Gen-Clustern zu erklären. Mit Ausnahme von fünf Gen-Clustern in B. subtilis 168 (Surfactin, Fengycin, Bacillibactin, Bacillaene und Bacilysin), sind Bacillomycin D, Difficidin, Macrolactin und ein hypothetisches Tripeptid einzigartig im Genom der FZB42. FZB42 kann kein bekanntes ribosomal synthetisiertes Bacteriocin produzieren kann. Gleichzeitig beinhaltet sein Genom ein Gen-Cluster, das wahrscheinlich für die Produktion eines neuartigen Bacteriocins verantwortlich ist. Die eindrucksvolle genetische Kapazität zur Herstellung von antagonistischen sekundären Metaboliten ermöglicht es FZB42, nicht nur erfolgreich neben konkurrierenden Organismen innerhalb seiner natürlichen Umgebung zu überleben, sondern auch Pflanzen gegen pathogene Bakterien und Pilze zu schützen. / Bacillus amyloliquefaciens FZB42 has an impressive effect to improve plant growth. In order to understand the mechanisms, especially at the molecular biological level, the whole genome of FZB42 was sequenced in this work. The absence of extended phage insertions which are typical for the closely related B. subtilis 168 genome is a particular feature. On the other hand, several DNA islands where unique genes in FZB42 were found clustered. Many candidate genes that may contribute to the plant growth promotion were identified in this works. B. amyloliquefaciens FZB42 is naturally competent. FZB42 exhibited its maximal competence earlier than B. subtilis, during late exponential growth. Not surprisingly, the FZB42 genome harbors the complete set of genes necessary for development of genetic competence. The majority of competence genes are highly homologous to their counterparts in B. subtilis 168, excluded from genes for the quorum-sensing system. The FZB42 genome harbors enormous potential for producing secondary metabolites. Genetic manipulation was carried out to investigate the trans-AT domains and some modification domains in the pks gene clusters. With the exception of five gene clusters in B. subtilis 168 (Surfactin, Fengycin, Bacillibactin, Bacillaene and Bacilysin), Bacillomycin D, Difficidin, Macrolactin and a hypothetical tripeptide are unique in the genome of the FZB42. A remarkable feature of the FZB42 genome is that it does not produce any known ribosomally synthesized bacteriocin, whereas a gene cluster probably responsible for production of a new bacteriocin was identified in this work. The impressive genetic capacity to produce antagonistic acting secondary metabolites not only enables FZB42 to cope successfully with competing organisms within its natural environment, but also to protect plants from pathogenic bacteria and fungi.

Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung der Asselspinne Pseudopallene sp. (Arthropoda, Pycnogonida). Die Morphogenese und Nervensystementwicklung werden mithilfe von Rasterelektronenmikroskopie, Histologie, Immunhistochemie und Genexpressionsstudien untersucht. Während der Proboscisbildung lassen sich keine Anzeichen für ein Labrum erkennen. Aufgrund des Fehlens von Palpen- und Ovigeranlagen und der frühen Entwicklung der Laufbeinsegmente ist kein embryonales Protonymphon-Stadium identifizierbar. Die Evolution verschiedener Larvenformen der Pycnogoniden wird im Hinblick auf phylogenetische Studien diskutiert. Die frühen Prozesse im Neuroektoderm zeigen Ähnlichkeiten zu Eucheliceraten und Myriapoden. Hierzu zählen das Fehlen morphologisch distinkter Zelltypen, die Bildung von Zellinternalisierungszentren, die Immigration vorwiegend post-mitotischer Ganglionzellen mit erhöhter Delta-Genexpression und fast ausschließlich tangentiale Zellteilungen. Anschließend bilden sich pro Neuromer ein Paar Invaginationen, was durch Vergrößerung der apikalen Zellen begleitet wird. Letztere sind aufgrund ihrer hohen Mitoseaktivität, ihres asymmetrischen Teilungsmodus und des anhaltenden Zuwachses der basalen Ganglionzellen als stammzellartige neuronale Vorläuferzellen identifizierbar. Hierauf basierend wird die Validität von stammzellartigen neuronalen Vorläuferzellen als Synapomorphie der Krebse und Insekten diskutiert. Zwei evolutionäre Szenarien zur Arthropoden-Neurogenese werden erörtert. In der post-embryonalen Phase lösen sich die invaginierten Zellregionen vom Ektoderm ab. Sie bilden apikal auf den Ganglien paarige Zellcluster und bleiben mit deren Somacortex über fibrilläre ‚cell streams‘ verbunden. Der weitere Zuwachs an Ganglionzellen und die exklusive Zellproliferation in den cluster-stream-Systemen weisen letztere als post-embryonale neurogenetische Nischen aus. Ähnlichkeiten zu der neurogenetischen Nische im Deutocerebrum der decapoden Krebse werden aufgezeigt. / This study addresses aspects of the development of the sea spider Pseudopallene sp. (Arthropoda, Pycnogonida). In order to investigate morphogenesis and nervous system development, a combination of scanning electron microscopy, histology, immunohistochemistry and gene expression studies is used. Embryonic proboscis development shows no signs of a labrum. The lack of palpal and ovigeral limbs and the early anlagen of the walking leg segments lead to the rejection of an embryonized protonymphon stage during Pseudopallene development. The evolution of pycnogonid hatching stages is evaluated in light of recent phylogenetic analyses. Early neurogenesis shares similarities with euchelicerates and myriapods, including the lack of morphologically distinct neuroectodermal cell types, formation of transient cell internalization sites, immigration of mostly post-mitotic ganglion cells with elevated levels of Delta gene expression and predominantly tangentially oriented cell divisions in the neuroectoderm. Subsequently, paired invaginations form in each neuromere, being accompanied by marked enlargement of the apical cells. Due to their high mitotic activity, their asymmetric division mode and a marked cell number increase in the ganglia, the big cells are identified as stem cell-like neuronal precursors. Based on this, the validity of stem cell-like neuronal precursors as synapomorphy of crustaceans and hexapods is discussed. Two scenarios on the evolution of arthropod neurogenesis are presented. During the post-embryonic phase, the invaginating cell regions detach internally and form paired cell clusters at the apical ganglion sides. Each cluster remains connected to the ganglion soma cortex via fibrous cell streams. Increasing ganglion cell numbers and exclusive occurrence of mitoses within the cluster-stream-systems characterize the latter as post-embryonic neurogenic niches. Similarities to the neurogenic niche in the deutocerebrum of decapod crustaceans are discussed.

In einem 45 ha großen Untersuchungsgebiet in der Innenstadt von Berlin wurden von Februar 1996 bis Juni 1999 alle dort vorkommenden verwilderten Katzen erfaßt. Wir untersuchten Alter- und Geschlechtsverteilung, Populationsdichte und -stabilität, Reproduktions- und Mortalitätsraten, Gesundheitsstatus, Territorialverhalten, Ver- wandtschaftsbeziehungen und den Einfluß der Kastration auf das individuelle Verhal- ten der Katzen und die Entwicklung der Population. Insgesamt wurden 75 Tiere in- nerhalb von 42 Monaten beobachtet. Im Untersuchungsgebiet waren gleichzeitig je- weils 25-32 Tiere ansässig, außerdem wurden durchschnittlich 10 Durchzügler pro Jahr registriert. Die ansässigen Katzen lebten in 2 genetisch differenzierten Teilpopu- lationen. Unkastrierte Kater hatten größere Streifgebiete (20-66 ha) als kastrierte Ka- ter, kastrierte und unkastrierte Katzen sowie Jungtiere (0,5-7,5 ha). Die Mortalität der ansässigen Katzen betrug 25 % pro Jahr. Vakante Streifgebiete wurden durch eige- ne Nachkommen aufgefüllt. Die Anzahl unkastrierter adulter Kater im Untersu- chungsgebiet blieb über die gesamte Zeit konstant, Kastration und Tod von Deckka- tern wurde durch Einwanderung fremder Kater kompensiert. Nach Kastration aller weiblicher Katzen einer Teilpopulation sank die Populationsdichte trotz signifikant höherer Zuwanderung fremder Tiere. / In a 45 ha study area of Berlin city all cats were studied between February 1996 and June 1999. We investigated age and sex composition, population density and stabil- ity, rates of reproduction and mortality, health status, territorial behaviour, kinship re- lation, and the influence of neutering on individual behaviour and population devel- opment. Altogether we observed 75 cats within 42 months. 25 to 35 cats lived simul- taneously in the study area, additionally we found 10 transient animals per year on average. The resident cats lived in two genetically distinct subpopulations. Uncas- trated adult males had larger home ranges (20-66 ha) than castrated males, cas- trated and uncastrated females and subadult cats (0,5-7,5 ha). Mortality rate of resi- dent cats was 25 % per year. Vacancies were filled by own kittens. The number of uncastrated adult tomcats was constant throughout the study period, castration and death of stud males were compensated by immigration of unknown tomcats. After the castration of all females in one subpopulation population density declined, even though immigration of unknown cats increased significantly.

Die tight junction schränken die Diffusion durch den parazellulären Raum in Epithel- und Endothelzellschichten für viele Moleküle stark ein. Dadurch behindern sie die Aufnahme von wasserlöslichen Medikamenten in das dahinterliegende Gewebe. Zwei Proteine, die am tight junction Aufbau mitwirken, sind Zonula Occludens Protein 1 (ZO-1) und Occludin. Eine Öffnung der tight junctions stellt eine Möglichkeit für die Verabreichung von Medikamenten dar. Deshalb wurden die tight junction Proteine ZO-1 und Occludin auf ihre Funktion, Struktur und Regulation untersucht. Für die Interaktion beider Proteine gab es ein Modell, welches eine Oligomerisierung der Bindungspartner als Voraussetzung ihrer Interaktion über helikale Wechselwirkungen vorhersagte. Die Annahmen aus dem Modell der Interaktion von ZO-1 und Occludin konnten experimentell bestätigt werden. Für den C-Terminus von Occludin wurde darüber hinaus eine Interaktion über Disulfidbrücken nachgewiesen. Diese Interaktion könnte in der Zelle von pathologischer Bedeutung bei Schlaganfall und Ischchämie sein. Beide Erkrankungen verursachen eine Öffnung der tight junction im Zusammenhang mit oxidativem Stress. ZO-1 bindet über PDZ Domänen eine Vielzahl von tight junction Proteinen, die an der Abdichtung des parazellulären Raums beteiligt sind. Deshalb wurde die Interaktion und Regulation der PDZ-Domänen aus ZO-1 untersucht. Eine Phosphorylierung der PDZ durch die Proteinkinase C alpha sowie eine Interaktion mit den Phosphatasen 2A und 4 konnte nachgewiesen werden. In vitro konnte gezeigt werden, dass die Phosphorylierung der PDZ-Domänen die Bindung an Membranproteine der tight junction beeinflusst. Diese Arbeit leistet einen Beitrag, die Mechanismen, die zum Verschluss des parazellulären Spaltes führen, aufzuklären. Damit zeigt sie Ansatzpunkte für eine pharmakologische Beeinflussung der Permeabilität der tight junction auf. / Tight junctions restrict diffusion through the paracellular gap in endothelia and epithelia. Thereby they constrain the uptake of water soluble drugs to the tissue. Zonula occludens protein 1 (ZO-1) and occludin are some of proteins involved in tight junction assembly. The opening of tight junctions is a possibility to apply drugs. Therefore the structure, function and regulation of ZO-1 and occludin is characterised. In previous studies, a model predicted the interaction of occludin and ZO-1 through helices. It was proposed that the interaction is mediated by oligomers of ZO-1 and Occludin. This author´s experimental research supports these hypotheses. Furthermore, occludin is shown to self assemble via disulfide bridges. This interaction could be of importance during stroke and ischemia. Both diseases cause the opening of tight junctions in combination with oxidative stress. In addition, this author investigated the interaction and regulation of the PDZ domains of ZO-1. It was shown that the PDZ domains are phosphorylated by protein kinase C alpha and interact with protein phosphatases 2A and 4. Phosphorylation led to a reduction in affinity of PDZ to membrane proteins in vitro. This thesis contributes to the understanding of the mechanisms which are involved in the sealing of the paracellular gap.

Bei der Aufrechterhaltung des homeostatischen Gleichgewichts und der peripheren Selbst-Toleranz spielen CD4+CD25+ regulatorische T-Zellen (Tregs) eine wichtige Rolle. In Vorarbeiten wurden Subpopulationen von murinen CD4+ Tregs identifiziert, die sich durch die Expression des Integrins alphaE auszeichnen. Diese alphaE+ Treg Subpopulationen weisen einen Effektor/Memory-ähnlichen Phänotyp auf. In der vorliegenden Dissertation wurde untersucht, welche Bedingungen zur Entwicklung von alphaE+ Effektor/Memory Tregs in vivo führen und aus welchen Vorläuferzellen sie entstehen. Dabei zeigte sich, dass es sich bei den alphaE+ Tregs um Effektor/Memory T-Zellen handelt, die unter physiologischen Bedingungen in vivo ein hohes Maß an Zellteilung aufweisen, welche zum Teil abhängig von der bakteriellen Besiedelung des Darms ist. Darüber hinaus wurde beobachtet, dass alphaE+ Tregs nach oraler, antigen-spezifischer Aktivierung in den darm-assozierten lymphoiden Geweben sowohl aus konventionellen naiven CD4+ T-Zellen, als auch aus thymus-generierten naiven CD4+CD25+ Tregs entstehen können. Zusammenfassend deuten die erzielten Ergebnisse darauf hin, dass das spezifische mukosale Mikroenvironment sowohl die Expansion als auch Konvertierung von Tregs fördert und so eine wichtige Rolle für die Aufrechterhaltung der Homeostase von alphaE+Foxp3+ Tregs spielt. Zudem wurde in dieser Arbeit die Ausbildung von gewebespezifischen Homingrezeptor-Phänotypen von naiven CD4+CD25+ Tregs untersucht. In in vitro Kultur-Systemen zeigte sich, dass selektive Modulation von Tregs, ähnlich wie bei konventionellen T-Zellen, die Induktion von organspezifischen Migrationseigenschaften ermöglicht. So konnte eine effiziente Wanderung von Tregs in den Darm ausgelöst werden. Diese Daten legen den Schluss nahe, dass die Herstellung von Tregs mit spezifischen Wanderungseigenschaften eine Option für therapeutische Anwendungen in der adoptiven T-Zell Therapie sein könnte. / Regulatory CD4+CD25+ T cells (Tregs) play an important role in immune homeostasis and in the maintenance of self-tolerance. Previously, subsets of murine CD4+ Tregs characterised by expression of the integrin alphaE had been identified. These alphaE+ Treg subsets display an effector/memory-like phenotype. In the present study the circumstances favouring in vivo generation of effector/memory-like alphaE+ Tregs were analysed. The results presented here show that alphaE+ effector/memory-like Treg subsets contain a large fraction of cycling cells under physiologic conditions in healthy mice. This in vivo proliferation depended, at least in part, on intestinal commensal microflora. Furthermore, it was observed that alphaE+ Tregs not only developed by differentiation of naive-like CD4+CD25+ Tregs, but were also generated de novo from naive CD4+ T cells in the gut-associated lymphoid tissue upon oral antigen delivery. Taken together, these results indicate that the mucosal microenvironment favours both expansion and conversion of Tregs and thereby represents an important mechanism for the homeostatic maintenance of alphaE+Foxp3+ Tregs. In addition, susceptibility of naive CD4+CD25+ Tregs to acquire tissue-specific homing receptor phenotypes was investigated. In vitro culture systems demonstrated that Tregs, similarly to conventional T cells, could be configured with organ-selective homing properties allowing efficient targeting into the gut. These results suggest that generation of Tregs with specific homing properties for therapeutic purposes in adoptive T cell therapy might be a feasible option.

Wachstumshormon (GH) besteht aus 191 Aminosäuren, hat eine Molekülmasse von 22kD und ist essentiell für postnatales Wachstum. Es wird aus der Adenohypophyse freigesetzt. GH bindet an einen GH-Rezeptor (GHR) und aktiviert somit über intrazelluläre Signalvorgänge Zielgene, insbesondere das, welches für die Kodierung von insulin-like growth factor (IGF-1) zuständig ist. IGF-1 vermittelt den Großteil aller GH-Signale. Zusammen mit den bereits bekannten GH Mutanten R77C und D112G ist in dieser Studie der neue GH Mutant d188-190 charakterisiert worden. Alle drei Mutanten wurden in heterozygoter Form in kleinwüchsigen Patienten identifiziert. Diesen Patientendaten zu Folge schien es möglich, dass d188-190 eine GH-antagonistische Wirkung besitzt. Zusätzlich wurde die extrem konservierte C-terminale Disulfidbrücke des GH im Mutanten d188-190 unterbrochen vorgefunden. Die Auswirkung der Unterbrechung wurde durch Substitution einer oder beider involvierter Cysteine durch Alanine untersucht. Alle Mutanten und Wildtypen des GH wurden in menschlichen embryonalen Nierenzellen (HEK-293) angezüchtet und eine Reihe von in vitro Experimenten sind für deren Charakterisierung etabliert worden. Es zeigte sich, dass d188-190 keine GH-antagonistische Wirkung besitzt. Im Vergleich zum Wildtyp weist der Mutant eine verminderte Bindungsaffinität zu GH, schwächere biologische Aktivität und höhere Stabilität auf. R77C und D112G sind dem Wildtyp GH sehr ähnlich. Die Disulfidbrücke ist wichtig für die Rezeptorbindung und für die biologische Aktivität von GH. Wenn ein Cystein entfernt wird vermindert sich die Stabilität des Moleküls. Dieser Effekt kann durch Entfernen des zweiten Cysteins wieder rückgängig gemacht werden. Die in dieser Studie etablierten Experimente können Verwendung finden in der Charakterisierung bislang nicht bekannter GH Mutanten und können darüber hinaus zur Behandlung von Patienten eingesetzt werden. / Growth hormone (GH) is a 22 kD, 191-aa, pituitary-derived peptide hormone that is essential for postnatal growth. GH signals via binding to GH receptor (GHR), which initiates intracellular signal transduction pathways. This leads to activation of target genes, most importantly the one encoding insulin-like growth factor (IGF)-1, which mediates most GH action. In this study a novel GH mutant, d188-190, was characterized along with previously reported GH mutants R77C and D112G. All of these mutants had been identified in heterozygous form in patients with retarded growth. Based on patient data, d188-190 was thought to be a GHR antagonist. Moreover, the extremely conserved C-terminal disulfide bridge of GH was disrupted in mutant d188-190 and its role was studied by substituting one or both of the involved cysteines with alanines. All mutants and wild type (wt) GH were produced in human embryonic kidney (HEK)-293 cells and an array of in vitro experiments was established for their characterization. It turned out that the novel d188-190 mutant is not a GHR antagonist after all. It has a diminished binding affinity to GHR, low biological activity and high stability compared to wt GH. R77C and D112G are rather similar to wt GH. The disulfide bridge is important for receptor binding and biological activity of GH. If one of the cysteines is removed the stability of the molecule drops but this can be reversed by removing both cysteines. If further GH mutants are to be identified, the established array of experiments will be useful for their fast characterization and could even contribute to correct treatment of patients.

In dieser Arbeit werden zwei intrazelluläre Signalwege, betreffend den Tumorsuppressor p53 und das Signalmolekül Ca2+ , diskutiert und modelliert. Einzelzellmessungen des Tumorsuppressors p53 zeigen pulsatile Antwor- ten nach Zufügung von DNA Doppelstrangbrüchen (DSBs). Außer für sehr hohe Schadensdosen, ist das zeitliche auftreten dieser Pulse unregelmäßig. Mithilfe eines Wavelet basierten Pulsdetektors werden die einzelzell Trajek- torien untersucht und die inter-Puls Intervall (IPI) Verteilungen extrahiert. Diese weisen auf nicht-oszillatorische Regime in den Daten hin. Die Theorie der anregbaren Systeme angewendet auf regulatorische Netzwerke ermöglicht dieses komplexe Verhalten mathematisch zu beschreiben. Die Kopplung von Schadens-Sensor-Kinase Dynamik mit dem kanonischen p53 negativen feedback loop, ergibt ein anregbares p53 Modell. Detaillier- te Bifurkationsanalysen zeigen ein robustes anregbares Regime, welches durch ein starkes Schadenssignal auch in Oszillationen überführt werden kann. Treibt man das p53 Modell mit einem stochastischen DNA-Schadens-Prozess, kann sowohl das oszillatorische Verhalten nach hohem Schaden, als auch das unregelmäßige pulsatile Verhalten ohne äußere Stimulation reproduziert werden. Intrazelluläre Ca 2+ Spikes entstehen durch eine hierarchische Kaskade stochastischer prozesse. Die Anwendung einer semi-markovschen Beschreibung führt zu praktischen analytischen Lösungen des erstpassagezeiten Problems. Eine hierbei entdeckte Zeitskalenseparation ermöglicht ein neues allgemeines Ca2+ -Modell. Dieses erklärt auf äußerst prägnante Weise viele wesentliche experimentelle Ergebnisse, insbesondere die Momentenbeziehungen der inter-Spike Intervall Verteilungen. Schließlich erlaubt die hier vorgestellte Theorie Berechnungen der Stimulus-Enkodierung, also die Adaption des Ca 2+ Signals auf veränderliche extrazelluläre Stimuli. Die Vorhersage einer fold change Enkodierung kann durch Experimente gestützt werden. / In this work two signaling pathways, involving the tumor suppressor p53 and the second messenger Ca2+ , are to be discussed and modelled. The tumor suppressor p53 shows a pulsatile response in single cells after induction of DNA double strand breaks (DSBs). Except for very high amounts of damage, these pulses appear at irregular times. The concept of excitable systems is employed as a convenient way to model such observed dynamics. An application to biomolecular reaction networks shows the need for a positive feedback within the p53 regulatory network. Exploiting the reported ultrasensitive dynamics of the upstream damage sensor kinases, leads to a simplified excitable kinase-phosphatase model. Coupling that to the canonical negative feedback p53 regulatory loop, is the core idea behind the construction of the excitable p53 model. A detailed bifurcation analysis of the model establishes a robust excitable regime, which can be switched to oscillatory dynamics via a strong DNA damage signal. Driving the p53 model with a stochastic DSB process yields pulsatile dynamics which reflect different experimental scenarios. Intracellular Ca 2+ concentration spikes arise from a hierarchic cascade of stochastic events. An analytical solution strategy, employing a semi-Markovian description and involving Laplace transformations, is devised and successfully applied to a specific Ca2+ model. The new gained insights are then used, to construct a new generic Ca2+ model, which elegantly captures many known features of Ca2+ signaling. In particular the experimentally observed relations between the average and the standard deviation of the inter spike intervals (ISIs) can be explained in a concise way. Finally, the theoretical considerations allow to calculate the stimulus encoding relation, which governs the adaption of the Ca 2+ signals to varying extracellular stimuli. This is predicted to be a fold change response and new experimental results display a strong support of this idea.

In der vorliegenden Arbeit wurden Experimente zur pflanzlichen Eisenassimilation durchgeführt. Zwei cDNAs aus Tomatenwurzeln (LeIRT1 und LeIRT2, GenBank Acc-Nr. AF176579 und AF176580) wurden isoliert. Sie komplementierten Fe-aufnahmedefiziente Hefestämme in Bezug auf das Wachstum auf Fe-limitierendem Medium. Die durch die LeIRT-Proteine vermittelte Fe-Aufnahme wurde in Hefezellen charakterisiert. Sie war temperaturabhängig, sättigbar und Fe2+, nicht Fe3+ wurde transportiert. Kompetitions- und Komplementationsexperimente mit metall-aufnahmedefizienten Hefemutanten legten die Vermutung nahe, daß die beiden cDNAs für Kationentransporter codieren, die eine breite Substratspezifität für Übergangsmetalle aufweisen. Die Transkripte der LeIRT-Gene konnten fast ausschließlich in Wurzeln nachgewiesen werden, wobei LeIRT1 durch Fe-Mangel induziert war, während für LeIRT2 keine Regulation durch die Fe-Ernährung der Pflanzen erkennbar war. Die Genstruktur wurde aufgeklärt (GenBank Acc-Nr. AF246266). Schwierigkeiten in der Analyse der Fe-Assimilation höherer Pflanzen machten es notwendig, einen neuen Modellorganismus zu suchen. Dabei wurde die einzellige Alge Chlamydomonas reinhardtii ausgewählt. Physiologische Studien zeigten, daß diese Alge ähnliche Fe-Mangelreaktionen wie die meisten höheren Pflanzen aufweist. Insbesondere die starke Induktion einer Fe3+-Chelatreduktase und die parallele Induktion der Fe-Transportkapazität unter Fe-Mangel waren deutlich. Mindestens zwei Fe-Transportsysteme wurden postuliert, von denen das höheraffine durch Cu-Ionen gehemmt wurde. / In the present study, experiments were conducted to analyze the iron assimilation in plants. Two cDNAs from tomato roots (LeIRT1 and LeIRT2, GenBank Acc-Nr. AF176579 and AF176580) were isolated that complemented the growth defect of Fe uptake-deficient yeast mutants. The Fe uptake mediated by the LeIRT proteins was characterized in yeast. It was temperature-dependent, saturable and Fe2+ rather than Fe3+ was transported. Competition and complementation experiments with metal uptake-deficient yeast mutants suggested that both cDNAs code for cation transporters exhibiting broad substrate specificity for transition metals. The transcripts of both genes were predominantly detected in roots, LeIRT1 being induced by Fe deficiency whereas LeIRT2 was unaffected by the Fe status of the plants. The gene structure was determined (GenBank Acc-Nr. AF246266). Problems in the analysis of Fe assimilation in higher plants made it necessary to establish a new model organism. The unicellular eucaryotic alga, Chlamydomonas reinhardtii, was chosen. Physiological studies indicated that this alga reacted to Fe deficiency similar to most higher plants. Particularly the strong induction of an Fe3+-chelate reductase paralleled by the induction of Fe transport capacitiy under Fe deficiency were evident. At least two Fe transporters were postulated, one of which was inhibited by Cu ions.

Stochastische Effekte können einen großen Einfluss auf die Funktionsweise von biochemischen Netzwerken haben. Vor allem Signalwege, z.B. Calciumsignaltransduktion, sind anfällig gegenüber zufälligen Schwankungen. Daher stellt sich die wichtige Frage, wie dadurch der Informationstransfer in diesen Systemen beeinträchtigt wird. Zunächst werden eine Reihe von stochastischen Simulationsmethoden diskutiert und systematisch klassifiziert. Dies dient als methodische Grundlage der ganzen Dissertation. Der Schwerpunkt liegt hier auf approximativen und hybriden Ansätzen, einschließlich der Hybridmethode des Softwaresystems Copasi, deren Implementierung Teil dieser Arbeit war. Die Dynamik biochemischer Systeme zeigt in den meisten Fällen einen Übergang von stochastischem zu deterministischem Verhalten mit steigender Partikelzahl. Dieser Übergang wird für Calciumsignaltransduktion und andere Systeme untersucht. Es zeigt sich, dass das Auftreten stochastischer Effekte stark von der Sensitivität des Systems abhängt. Ein Maß dafür ist die Divergenz. Systeme mit hoher Divergenz zeigen noch mit hohen Teilchenzahlen stochastische Effekte und umgekehrt. Schließlich wird der Einfluss von zufälligen Fluktuationen auf die Leistungsfähigkeit von Signalpfaden erforscht. Dazu werden simulierte sowie experimentell gemessene Calcium-Zeitreihen stochastisch an die Aktivierung eines Zielenzyms gekoppelt. Das Schätzen des informationstheoretischen Maßes Transferentropie unter unterschiedlichen zellulären Bedingungen dient zur Abschätzung des Informationstransfers. Dieser nimmt mit steigender Partikelzahl zu, ist jedoch sehr abhängig von der momentanen Dynamik (z.B. spikende, burstende oder irreguläre Oszillationen). Die hier entwickelten Methoden, wie der Gebrauch der Divergenz als Indikator für den stoch./det. Übergang oder die stochastische Kopplung und informationstheoretische Analyse mittels Transferentropie, sind wertvolle Werkzeuge für die Analyse von biochemischen Systemen. / Stochastic effects in biochemical networks can affect the functioning of these systems significantly. Signaling pathways, such as calcium signal transduction, are particularly prone to random fluctuations. Thus, an important question is how this influences the information transfer in these pathways. First, a comprehensive overview and systematic classification of stochastic simulation methods is given as methodical basis for the thesis. Here, the focus is on approximate and hybrid approaches. Also, the hybrid solver in the software system Copasi is described whose implementation was part of this PhD work. Then, in most cases, the dynamic behavior of biochemical systems shows a transition from stochastic to deterministic behavior with increasing particle numbers. This transition is studied in calcium signaling as well as other test systems. It turns out that the onset of stochastic effects is very dependent on the sensitivity of the specific system quantified by its divergence. Systems with high divergence show stochastic effects even with high particle numbers and vice versa. Finally, the influence of noise on the performance of signaling pathways is investigated. Simulated and experimentally measured calcium time series are stochastically coupled to an intracellular target enzyme activation process. Then, the information transfer under different cellular conditions is estimated with the information-theoretic quantity transfer entropy. The amount of information that can be transferred increases with rising particle numbers. However, this increase is very dependent on the current dynamical mode of the system, such as spiking, bursting or irregular oscillations. The methods developed in this thesis, such as the use of the divergence as an indicator for the transition from stochastic to deterministic behavior or the stochastic coupling and information-theoretic analysis using transfer entropy, are valuable tools for the analysis of biochemical systems.

In dieser Arbeit wurden zunächst die Kolonisationen von drei verschiedenen Pflanzengattungen durch den GFP-markierten Bacillus amyloliquefaciens FZB42 mittels confocaler Lasermikroskopie und Elektronmikroskopie verfolgt. Hier konnte gezeigt werden, dass FZB42 alle ausgewählten Pflanzen besiedeln konnte. Bei Arabidopsis- und Maiskeimlingen wurden die Wurzelhaare und Verbindungen, an denen laterale Wurzeln entstehen, durch FZB42 bevorzugt besiedelt. Weiterhin wurden bei Arabidopsis die Spitzen der Primärwurzeln, und bei Mais die Wurzelkerben bevorzugt besiedelt. Bei Lemna wurden FZB42 Zellansammlungen entlang der Furchen, die zwischen den Epidermiszellen der Wurzel liegen, sowie den intrazellulären Hohlräumen an der Blattunterfläche gefunden. Anschließend wurden die Transkriptome von FZB42, der mit Maiswurzelexudat angezogen wurde, mittels Microarray analysiert. Insgesamt wurden 302 Gene, die 8,2 % des Transkriptoms ausmachen, signifikant durch das Wurzelexudat beeinflusst, wobei die Mehrzahl (260 Gene) hochreguliert wurde. Die induzierten Gene, dessen Funktion bereits bekannt ist, sind hauptsächlich an dem Nährstoffwechsel, Chemotaxis und Beweglichkeit, sowie an der Produktion von Antibiotika beteiligt. Auch wurden die Trankriptome von sieben FZB42-Muatnten durch Microarray analysiert. Diese hatten jeweils eine Deletionen in fünf Sigmafaktor-Genen (sigB, sigD, sigM, sigV,and sigX) und zwei globalen Transkriptionsregulator-Genen (degU und abrB). Die Expression vieler Genen wird durch diese Genprodukte beeinflusst. Mögliche Mechanismen, wie diese Faktoren die bakterielle Reaktion auf Wurzelexsudaten beeinflüssen, wurden vorgeschlagen. Schließlich wurden Northernblott-Untersuchungen an möglichen sRNA-Kandidaten durchgeführt, dessen Expression signifikant durch Wurzelexudate beeinflusst wurde. Dabei konnten 6 von 20 vermeintlichen sRNA-Kandidaten betätigt werden. Dies weist auf eine noch unbekannte Rolle der sRNAs bei der Pflanzen-Mikroben-Wechselwirkung. / In this work colonization of three different plants genera, maize, Arabidopsis, and Lemna, by GFP-labeled Bacillus amyloliquefaciens FZB42 in a gnotobiotic system was firtly studied using confocal laser scanning microscopy and electron microscopy. It was shown that FZB42 is able to colonize all these three plants with a specific pattern. Root hairs and the junctions where lateral roots occurred were a preferred area of FZB42 on both maize and Arabidopsis seedlings. On Arabidopsis, tips of primary roots were another favored site of FZB42; while, on maize, the concavities in root surfaces were preferred. FZB42 cells were also able to colonize Lemna, preferably accumulating along the grooves between epidermis cells on roots and the concaved intercellular space on fronds. Secondly, microarray experiments were performed concerning the transcriptomic response of FZB42 to maize root exudates. A total of 302 genes representing 8.2% of FZB42 transcriptome were significantly altered in transcription by the presence of root exudates, the majority of them (260) were up-regulated in expression. The induced genes with known function were mainly involved in nutrition utilization, chemotaxis and motility, and antibiotic production. The transcriptome of seven FZB42 mutants, defective in five sigma factor genes (sigB, sigD, sigM, sigV, and sigX) and two global transcriptional regulator genes (degU and abrB), were also investigated through microarray experiments. A vast number of genes were indentified to be controlled by the protein factors respectively. Possible mechanisms were proposed of how these protein factors are involved in the response to root exudates. Finally, by northern blot existence of six out of 20 small RNA (sRNA) candidates was identified, which were significantly altered in expression by root exudates. This suggests that sRNA may play a hitherto unrecognized role in plant-microbe interaction.