Die hier vorgestellte Studie untersucht systematisch die angeborene Immunabwehr gegen L. pneumophila auf Ebene des gesamten Wirtsorganismus, sowie auf molekularer Ebene in Alveolar- und Knochenmarksmakrophagen. Mittels in vivo Transkriptomanalysen werden Typ I und II Interferone (IFN) als Hauptregulatoren der frühen pulmonalen Genexpression in der L. pneumophila-Infektion identifiziert. Infektionsexperimente in Wildtyp- und IFN-Rezeptor-defizienten Tieren offenbaren, dass Typ I und II IFNe maßgeblich die antibakterielle Abwehr gegen L. pneumophila vermitteln. Für die Bekämpfung der Infektion in der Lunge werden CD11c+ Zellen als wichtigste Empfänger der IFN-Signale identifiziert. Des Weiteren wird durch Behandlung von CD11c+ Alveolarmakrophagen mit IFNen ex vivo das intrazelluläre bakterielle Wachstum inhibiert. Mittels subzellulärer quantitativer Massenspektrometrie wird gezeigt, dass die Proteinkomposition der Legionellen-enthaltenden Vakuole substanziell durch beide IFNe modifiziert wird. In einer vergleichenden Netzwerkanalyse werden diese Proteomdaten mit eigenen und öffentlich zugänglichen Transkriptomdaten verglichen. Hierdurch können klar abgegrenzte Untergruppen von einerseits transkriptionell durch IFN-regulierten Proteinen sowie andererseits ausschließlich räumlich IFN-regulierten Proteinen unterschieden werden. Unter den durch IFN an der Vakuole angereicherten Proteinen wird Immunoresponsive gene 1 (IRG1) als zentraler Effektor identifiziert, welcher das Wachstum von L. pneumophila durch die Produktion des antibakteriellen Metaboliten Itaconsäure inhibiert. Zusammenfassend stellt diese Studie eine umfassende Ressource von IFN-vermittelten Effekten auf die Genexpression sowie auf das Proteom der bakteriellen Vakuole dar und deckt einen zellautonomen Abwehrmechanismus gegen L. pneumophila auf, welcher durch die IRG1-abhängige Produktion von Itaconsäure vermittelt wird. / The study presented here systemically examines the innate immune response against L. pneumophila on whole organism level as well as on a molecular level within macrophages, L. pneumophilas’ host cell. In vivo transcriptome analyses identify type I and II interferons (IFNs) as master regulators of the early pulmonary gene expression during L. pneumophila infection. Infection experiments in wild-type mice and mice lacking type I and/or II IFN signaling reveal a severe defect of antibacterial defense when IFN signaling is absent. CD11c+ cells were found to be the main targets of IFNs to restrict infection in the lung, and IFNs inhibited bacterial growth in CD11c+ alveolar macrophages ex vivo. Subcellular quantitative mass spectrometry shows that both IFNs substantially modify the protein composition of Legionella-containing vacuoles. Comparative network analysis, combining these proteome data with transcriptome data as well as public database data reveals distinct subsets of transcriptionally regulated IFN-stimulated genes (ISGs) on the one hand, but interestingly also exclusively spatially IFN-regulated vacuolar proteins. Among IFN-regulated vacuolar proteins, Immunoresponsive gene 1 (IRG1) was identified as a central effector that restricts growth of L. pneumophila through production of the antibacterial metabolite itaconic acid in macrophages. Collectively, this study provides a comprehensive resource of IFN-mediated effects on gene expression and the bacterial vacuolar proteome, and uncovers a cell-autonomous defense pathway against L. pneumophila, which is mediated by IFNs, IRG1 and itaconic acid.

Das Klasse II Tumorsuppressor-Gen H-REV107-1, ist in normalen Geweben ubiquitär exprimiert, zeigt jedoch häufig Expressionsverluste, vorzugsweise in Tumoren des Brustgewebes, des Ovars und der Lunge. Das H-REV107-1 Protein wirkt in vitro und in vivo als Wachstumssuppressor. Um den Mechanismus der H-REV107-1 bedingten Wachstumshemmung zu verstehen, haben wir mit Hilfe des LexA-basierten Hefe-2-Hybrid Systems interagierende Proteine identifiziert. Diese Suche wurde mit einem H-REV107-1 Deletionskonstrukt durchgeführt, dem die Membran-bindende Domäne fehlte. Diese Analyse lieferte eine Vielzahl von potentiellen Interaktionspartnern, darunter der Retinsäure Rezeptor RARG, das Calcium-bindende Proteine S100A6, der Translations-Elongationsfaktor ETF und das weitgehend unbekannte Protein p14.5 Die Bindungen des H-REV107-1 Proteins an die beiden potentiellen Kandidaten, den Transkriptionsfactor PC4 und die regulatorische Untereinheit der Protein Phosphatase 2A (PR65), wurden genauer untersucht. Wir haben dabei einen Proteinkomplex aus H-REV107-1, PC4 und STAT1 (Signal Transducer and Activator of Transcription 1) identifiziert, der vermutlich eine Rolle in der IFNgamma - abhängigen Wachstumshemmung in Ovarialkarzinom Zellen spielt. Da sich die Expression des H-REV107-1 Gens durch IFNgamma über den Transkriptionsfaktor IRF-1 stimulieren läßt, und in verschiedenen Zelllinien sowohl zur Hemmung des Wachstums, als auch zur Apoptose führt, vermuteten wir verschiedene Mechanismen der Wachstumshemmung durch den IFNgamma-Signalweg und H-REV107-1. Weitere Analysen der H-REV107-1 - vermittelten Apoptose zeigten, daß die Interaktion zwischen H-REV107-1 und PR65 eine wichtige Rolle in diesem Prozeß spielt. Um die Proteindomäne zu identifizieren, welche für die direkte Wechselwirkung von H-REV107-1 mit PR65 verantwortlich ist, wurden H-REV107-1 Mutanten generiert und mittels Co-Immunpräzipitation getestet. Die Prolin-reiche Sequenz am N-Terminus des H-REV107-1 Proteins konnte als verantwortliche Domäne für die Interaktion bestimmt werden. Die funktionelle Analyse dieser Interaktion zeigte die Hemmung der Protein Phosphatase 2A (PP2A) Aktivität in Ovarialkarzinom Zellen durch H-REV107-1. Der Einsatz der Mutanten im Phosphatase-Aktivitätstest zeigte, daß die selbe Domäne, die die Interaktion vermittelt, auch für die Hemmung der Phosphatase 2A verantwortlich ist. Diese Fakten deuteten auf eine wichtige Rolle der Phosphatase 2A in Ovarialkarzinom Zellen hin, weil sowohl die Verwendung des PP2A Inhibitors (Okadainsäure), als auch die Transfektion der Zellen mit einem H-REV107-1 - Expressionsplasmid zur Apoptose führten. Damit konnten wir zeigen, daß PP2A für das Überleben der Ovarialkarzinomzellen notwendig ist, und die Reaktivierung des H-REV107-1 Proteins durch IFNgamma zur Hemmung der Phosphatase und damit zur Apoptose führt. / The H-REV107-1 class II tumor suppressor gene is ubiquitously expressed in normal tissues and down-regulated in human breast, ovarian and lung tumours. H-REV107-1 has the capacity to suppress growth of tumour cells in vitro and in vivo. To understand the mechanism of H-REV107-1 mediated growth suppression I performed a search for H-REV107-1 interacting proteins using a LexA-based yeast two-hybrid system. I screened a human kidney cDNA library with a truncated form of the H-REV107-1 as a bait. This analysis revealed numerous potential interaction partners. Among them the retinoic acid receptor gamma (RARG), the calcium-binding protein S100A6, the translation termination factor ETF1, and the potential translational inhibitor protein P14.5. The interaction of H-REV107-1 with the transcriptional co-activator PC4 and with the regulatory subunit A of protein phosphatase 2A (PR65) was analysed in detail. H-REV107-1 binds ectopically expressed and endogenous PC4. In addition, a multiprotein complex between H-REV107-1, PC4 and the signal transducer and activator of transcription 1 (STAT1) was demonstrated. This complex is likely to be involved in IFNgamma-mediated growth suppression of ovarian carcinoma cells. Endogenous H-REV107-1 can be induced after application of IFNgamma through the IRF-1 transcription factor. This up-regulation of H-REV107-1 leads either to growth suppression via a G1 arrest or to apoptosis depending on the cell line, suggesting different mechanisms of IFNgamma-, and H-REV107-1- mediated growth suppression. Further investigation of the mechanism of H-REV107-1-dependent apoptosis revealed an important role of the interaction between H-REV107-1 and the PR65 protein. The use of several H-REV107-1 mutant proteins generated after disruption of the highly conserved domains identified the proline-rich N-terminal domain responsible for the interaction with PR65 in Co-immunoprecipitation studies. Functional investigation of the H-REV107-1 - PR65 interaction demonstrated that wild-type H-REV107-1 is able to inhibit PP2A activity, however a mutant protein lacking the N-terminal domain was devoid of this function. We sought to identify the functional relevance of the PP2A activity in ovarian carcinoma cells with normally have suppressed the H-REV107-1 gene. Treatment of OVCAR-3 cells with the PP2A inhibitor Okadaic acid and transient transfection of the cells with wild-type H-REV107-1 resulted in the activation of caspase-9, suggesting a role for PP2A in the survival of ovarian carcinoma cells. We suggest, that the down-regulation of H-REV107-1 in ovarian carcinomas is a prerequisite for the PP2A-dependent activation of yet unknown signalling pathways mediating tumour cell survival. Reactivation of H-REV107-1 gene expression via IFNgamma leads to the inhibition of PP2A activity and tumour cell death.

Sowohl die kotranslationale Translokation von sekretorischen Proteinen durch die Membran als auch die Insertion von Membranproteinen sind essentielle Prozesse in allen lebenden Zellen. Sie erfordern die Sortierung des translatierenden Ribosoms zur Membran mittels des Signalerkenungspartikels (SRP), eines im Verlauf der Evolution konservierten Ribonukleoprotein-Partikels. SRP erkennt die Signalsequenz einer wachsenden Proteinkette, sobald diese aus dem Ribosom hervortritt. Die Bindung von SRP führt zum Anhalten der Peptidelongation (Elongationsarrest) und zum Andocken an den membrangebundenen SRP-Rezeptor (SR). In dieser Arbeit wird die 12 Å Kryo-Elektronenmikroskopie-Struktur eines Sortierungs-Komplexes dargestellt, der aus dem Säugetier-SRP gebunden an ein aktives Ribosom mit Signalsequenz besteht. Ein erstes molekulares Modell von SRP in dieser Konformation wurde erzeugt. Es zeigt wie die S-Domäne von SRP die große ribosomale Untereinheit nahe dem Peptidtunnel-Ausgang kontaktiert, um dort die Signalsequenz zu binden. Außerdem wird deutlich wie die Alu-Domäne von SRP in die Bindungsstelle für Elongationsfaktoren hineinreicht, wodurch die Elongationsarrest-Aktivität der Alu-Domäne erklärt wird. Auf dieser Basis konnte ein erstes Struktur-basiertes Modell der ersten Schritte der kotranslationalen Proteinsortierung entworfen werden. Darüberhinaus wurde auch der Schritt des Andockens an die Membran visualisiert, indem die Struktur des Ribosom-SRP-SR-Komplexes durch Kryo-EM gelöst wurde. Erste Schlüsse hinsichtlich des Mechanismus, der das Ribosom vom SRP zum Translokon transferiert, können hier gezogen werden. Als Nebenergebnis konnte durch die erreichte hohe Auflösung die Position des wichtigen ribosomalen Proteins L30e in der Kryo-EM-Struktur des Weizenkeim-Ribosoms idenifiziert werden. / Cotranslational translocation of proteins across or into membranes is a vital process in all kingdoms of life. It requires targeting of the translating ribosome to the membrane by the signal recognition particle (SRP), an evolutionary conserved ribonucleoprotein particle. SRP recognizes signal sequences of nascent protein chains emerging from the ribosome. Subsequent binding of SRP leads to pausing of peptide elongation and docking to the membrane-bound SRP receptor. Here, the 12 Å cryo-electron microscopy structure of a targeting complex is presented consisting of mammalian SRP bound to an active 80S ribosome carrying a signal sequence. A molecular model of SRP in this functional conformation was generated. The model reveals how the S-domain of SRP contacts the large ribosomal subunit at the nascent chain exit site to bind the signal sequence, and that the Alu-domain reaches into the elongation factor binding site of the ribosome explaining its elongation arrest activity. A molecular model of the first steps of protein targeting is presented. Moreover, also the docking step has been visualized by solving a cryo-EM structure of the ribosome-SRP complex bound to the SRP receptor. This structure provides first hints regarding the mechanism of ribosome transfer to the translocon. As a side result the position of the functionally significant ribosomal protein L30e has been identified in the high resolution maps of the wheat germ ribosome.

Um die Wirkung herpesviral-kodierter FcgammaRezeptoren auf wirtskodierte zelluläre FcgammaRezeptoren und IgG-vermittelten Effektorfunktionen untersuchen zu können, einen methodisch neuen Ansatz wurde entwickelt, der die Detektion FcgammaR-aktivierender Antikörper ermöglicht. Dieses neuartige Assay beinhaltet die Kokultivierung virusinfizierter Zellen, die mit virusspezifischen IgG-Antikörpern opsoniert sind, mit FcgammaR-zeta BW5147-Transfektanten als Reporterzellen. Diese stabilen Transfektanten exprimieren chimäre Rezeptoren, die aus der extrazellulären Domäne der zellulären FcgammaRezeptoren bestehen, welche mit der TM und intrazellulären Domäne der murinen CD3zeta-Kette fusioniert wurden. Die Aktivierung der CD3zeta-Kette führt zu einer IgG-dosisabhängigen mIL-2 Sekretion, die im ELISA gemessen werden kann. Die FcgammaR-spezifische immune IgG könnte eine wichtige biologische Rolle in der antiviralen Immunabwehr spielen. Herpesviren exprimieren auf der Oberfläche infizierter Zellen viral-kodierte Fc-bindende Glykoproteine. Um zu bestimmen, ob virale FcgammaRezeptoren die IgG-abhängige Aktivierung von wirtskodierten FcgammaRezeptoren beeinflussen können, wurde das oben beschriebene Assay angewandt. Es wurde festgestellt, dass der HCMV-kodierte FcgammaR gp68 die Aktivierung und die nachfolgende Signalkaskade von CD16>CD32=CD64 inhibiert, während der HCMV-kodierte FcgammaR gp34 die Aktivierung von CD16>CD64>CD32 inhibiert. In klarem Kontrast dazu wirkt der HSV-kodierte FcgammaR gE, der CD16 Aktivierung vermindert, CD32 hingegen nur sehr schwach und CD64 gar nicht beeinflußt. Der MCMV-kodierte FcgammaR m138/fcr-1 vermindert die Aktivierung des murinenCD16. Zusammenfassend betrachtet zeigen die ermittelten Daten, dass es sich bei den herpesviral-kodierten FcgammaRezeptoren um hierarchische und redundante Antagonisten der wirtskodierten zellulären FcgammaRezeptoren handelt. Herpesviral-kodierte FcgammaRezeptoren wirken somit der Aktivierung des Immunsystems entgegen. / To study the possible interference of the herpesviral vFcgammaRs with the host FcgammaRs and IgG-mediated effector functions, a new methodological approach to detect FcgammaR activating antibodies was developed. The novel assay comprises the co-cultivation of virus infected cells upon opsonization with immune IgG antibodies and the stably transfected FcgammaR-zeta BW5147 transfectants as responder cells. The transfectants express chimeric receptors bearing the extracellular domain of the host FcgammaRs fused to the transmembrane and tail domains of the murine CD3zeta chain. Triggering the CD3zeta chain is sufficient to elicit IL-2 secretion in a dose dependent manner which is measured in an ELISA. The setup of the new assay provides a defined effector cell population bearing one Fcgamma receptor on the surface, which becomes activated in the presence of immune IgG antibodies bound to the native viral antigens displayed on the surface of infected cells. The assay system allows us to detect and quantify Fc gamma receptor-activating immune IgG in an FcgammaR-specific way, which is thought to have an important biological function in antiviral defense. Several alpha- and beta- herpesviruses express on the surface of infected cells virally encoded Fc binding glycoproteins. The assay described above was applied to determine if the viral FcgammaRs are able to impair IgG-mediated activation of host FcgammaRs. In a systematic approach, the effect on each host FcgammaR by each of the herpesviral FcgammaR was investigated. It was found that HCMV FcgammaR gp68 affects activation and downstream signaling of CD16 > CD32 = CD64, while gp34 attenuates CD16 > CD64 > CD32. In clear contrast, HSV gE impairs CD16 activation and weakly CD32, but has no effect on CD64. Furthemore, MCMV m138/fcr-1 diminishes activation of mouse CD16. Taken together, this data uncover herpesviral FcgammaRs as hierarchical and redundant antagonists precluding host FcgammaRs from triggering immune responses.

Humane NK Zellen können in CD56br und CD56dim NK Zellen unterteilt werden. In dieser Arbeit wurde untersucht, in welchem Zusammenhang die verschiedenen NK Zell Populationen stehen und wie funktional kompetente NK Zellen generiert werden. Des Weiteren wurde die Heterogenität der CD56dim NK Zell Population in Bezug auf Funktionalität und Differenzierungsstadien analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass CD56br NK Zellen in CD56dim NK Zellen differenzieren. Währenddessen werden u.a. MHC-I spezifische inhibierende Rezeptoren (KIR) erworben. Diese sind essentiell für die Unterscheidung zwischen “Selbst” und “Nicht-Selbst”, wobei nur NK Zellen, die Selbst-MHC-spezifische KIRs tragen, funktional kompetent sind. In der vor-liegenden Arbeit konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass zuvor anerge NK Zellen nach Zytokin-induzierter Expression eines Selbst-MHC-spezifischen KIRs kompetent werden. Ex vivo Analysen humaner Gewebe lassen vermuten, dass diese Prozesse während einer Entzündung in sekundären lymphatischen Organen (SLO) stattfinden könnten. Auch CD56dim NK Zellen selbst sind nicht homogen, hingegen können anhand der Expression von KIRs oder CD62L, welches für die Migration in SLO wichtig ist, weitere Subpopulationen unterschieden werden. Eine umfassende Analyse bezüglich KIR und CD62L Expression führte zur Identifizierung einer zuvor nicht charakterisierten CD56dimCD62L+ NK Zell Population, welche die Fähigkeiten von CD56br, Zytokine zu produzieren und zu proliferieren, mit einem hohen zytotoxischen Potenzial, vereinigt. Weitere ex vivo Untersuchungen des Phänotyps, der Telomerlängen und der Verteilung in Relation zum Alter lassen vermuten, dass die Differenzierung humaner NK Zellen von CD56br über CD56dimCD62L+ zu CD56dimCD62L- verläuft, wobei die Zellen mit fortschreitender Dif-ferenzierung ihre Fähigkeit auf Zytokine zu antworten verlieren und dafür die Fähigkeit er-langen, über aktivierende Rezeptoren stimuliert zu werden. / Human NK cells comprise two main subsets, CD56br and CD56dim cells. In this study, an extensive analysis of human NK cell phenotype and functional characteristics has been performed in order to investigate the developmental relation between NK cell subsets, to elucidate how NK cell competence is acquired and to further dissect the heterogeneity of the CD56dim subset with regard to functions and differentiation history of human NK cells. It could be shown that upon cytokine activation, CD56br differentiate into CD56dim NK cells and that this process might take place in inflamed secondary lymphoid organs (SLO). One of the crucial markers acquired during this process is KIR, the main MHC-specific inhibitory receptors responsible for self versus non self recognition. Previously, it has been shown that only cells expressing self-MHC specific KIRs are responsive to activating stimuli. In this study, it was demonstrated that induction of self-MHC specific KIR by cytokines leads to acquisition of functional competence. Ex vivo analysis of human tissues suggests that acquisition of KIR and consequently of cytotoxic competence may occur in inflamed SLO. Finally, it was demonstrated that CD56dim NK cells do not represent a homogenous population. When dissected for CD62L and KIR expression, a new subset of NK cells could be identified, namely CD56dimCD62L+, which uniquely combines properties of CD56br NK cells, particularly high IFN-g production upon cytokine stimulation, proliferation and potential to migrate into SLO, with the capacity of CD56dim to kill, produce cytokines upon activating receptor stimulation and to migrate into inflamed tissues. Ex vivo analysis of the function, phenotype, telomere length and frequencies during ageing of CD56br, CD56dimCD62L+ and CD56dimCD62L- NK cells suggest that CD56dimCD62L+ cells represent an intermediate stage of NK cell maturation between the more immature CD56br and the terminally differentiated CD56dim CD62L- NK cells.

Die initialen immunologischen Prozesse, die zur Entwicklung autoimmuner Lebererkrankungen führen, sind weitgehend unbekannt. Deshalb wurden in dieser Arbeit die Antigenpräsentation, die Migration sowie der Phänotyp in vivo aktivierter CD8 T-Zellen in der Leber anhand eines Mausmodells der autoimmunen Hepatitis untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass hepatische dendritische Zellen an der Entstehung von CD8 Effektor-T-Zellen und an der Inflammation der Leber beteiligt sind. Kupffer-Zellen dagegen nehmen im autoimmunen Kontext in der Leber eine tolerogene Funktion ein. Die in vivo in der Leber aktivierten CD8 T-Zellen zeigten spezifische Oberflächenmarker und ein ungewöhnliches Migrationsverhalten. So wurde zum einen mit Neuropilin-1 ein weitgehend unbekannter Oberflächenmarker identifiziert, zum anderen spricht die Expression von bekannten Markern, die den Aktivierungsstatus der CD8 T-Zellen definieren, für einen hybriden Phänotyp. Sie besitzen sowohl Charakteristika von naiven CD8 T-Zellen als auch von Effektorzellen, eine Eigenschaft, die auch bei zentralen Gedächtniszellen gefunden wird. In der Leber aktivierte CD8 T-Zellen können nicht nur proinflammatorische Zytokine ausschütten und somit eine Inflammation in der Leber auslösen, sondern sind außerdem in der Lage durch Lymphknoten zu zirkulieren. Dagegen ist ihnen der Zugang zum Darm verwehrt, womit eine direkte regulatorische Funktion im Darm ausgeschlossen werden kann. Obwohl auf in der Leber aktivierten CD8 T-Zellen spezifische Adhäsionsmoleküle identifiziert wurden, existiert keine exklusive gewebespezifische Migration in die Leber, wie sie etwa für im Darm aktivierte CD8 T-Zellen nachgewiesen wurde. Im darmassoziierten lymphatischen Gewebe aktivierte CD8 T-Zellen akkumulieren in der Leber und tragen möglicherweise zur Schädigung der Leber im Rahmen chronisch entzündlicher Darmerkrankungen bei. Diese Arbeit trägt somit zum besseren Verständnis der Entstehung autoimmuner Prozesse in der Leber bei. / Initial immunological processes leading to autoimmune liver diseases are largely unknown. Therefore this thesis analyzed the antigen presentation, the migration as well as the phenotype of in vivo activated CD8 T cells in the liver by employing a mouse model for autoimmune hepatitis. It was shown that hepatic dendritic cells are effective antigen-presenting cells, which contribute to the induction of functional effector CD8 T cells in the liver and hepatitis. In contrast, Kupffer cells have a tolerogenic role during autoimmune processes in the liver. CD8 T cells that were in vivo activated in the liver display specific surface markers and unusual migration patterns. On the one hand an unusual surface molecule Neuropilin-1 was identified, on the other hand expression of well-known markers defining the activation-status of CD8 T cells suggests a hybrid phenotype. They reflect aspects of naive and effector T cells, characteristics also found on central memory T cells. Liver-primed CD8 T cells do not only produce pro-inflammatory cytokines leading to hepatitis, but they also retain their ability to circulate through lymph nodes. However, they have no access to the gut, which suggests that a direct regulatory function in the gut can be excluded. Although specific adhesion molecules on CD8 T cells activated in the liver were identified, no exclusive tissue-specific migration into the liver exists, as was shown for CD8 T cells primed in the gut. CD8 T cells activated in the gut-associated lymphoid tissue accumulate in the liver, in principle enabling them to induce liver pathology in the context of inflammatory bowel disease. Thus, the here described findings contribute to the understanding of initial immunological processes in autoimmune liver diseases.

Unter Spikelets versteht man kleine Depolarisationen mit einer Spike-ähnlichen Wellenform, die man in intrazellulären Ableitungen von verschiedenen Neuronentypen messen kann. In kortikalen Pyramidenzellen wurde ausgeprägte Spikelet-Aktivität nachgewiesen, die erheblich das Membranpotential beeinflussen kann (Crochet et al., 2004; Epsztein et al., 2010; Chorev and Brecht, 2012). Nichtsdestotrotz bleibt der Ursprung von Spikelets in diesen Neuronen unbekannt. In der vorgelegten Arbeit nutzte ich theoretische Modellierung um die Mechanismen von Spikelet-Erzeugung in Pyramidenzellen zu untersuchen. Zuerst sah ich die verschiedenen Hypothesen über den Ursprung von Spikelets durch. In der Literatur entdeckte ich zwei verschiedene Typen von Spikelets. Diese Arbeit konzentriert sich auf den häufiger vorkommenden Typ von Spikelets, welcher durch relativ große Amplituden gekennzeichnet ist. Die Eigenschaften dieser Spikelets passen am besten zu einem axonal Erzeugungsmechanismus. Im zweiten Kapitel widmete ich mich der Hypothese, dass somatische Spikelets axonalen Ursprungs mit somato-dendritischen Inputs hervorgerufen werden können. Ich identifizierte Bedingungen, die es erlauben ein Aktionspotential (AP) am Initialsegment vom Axon (AIS) zu initiieren, welches sich entlang des Axons ausbreitet, aber kein AP im Soma auslöst. Schließlich simulierte ich extrazelluläre Wellenformen von APs und Spikelets und verglich sie mit experimentellen Daten (Chorev and Brecht, 2012). Dieser Vergleich zeigte auf, dass die extrazellulären Wellenformen von Spikelets, die innerhalb einer Zellen am AIS erzeugt werden, gut zu den Daten passen. Zusammenfassend unterstützen meine Ergebnisse die Hypothese, dass Spikelets in Pyramidenzellen am AIS entstehen. Dieser Mechanismus könnte ein Mittel zum Energiesparen bei der Erzeugung von Output-APs sein. Außerdem könnte dadurch die dendritische Plastizität, die auf der Rückwärtspropagierung von APs beruht, reguliert werden. / Spikelets are transient spike-like depolarizations of small amplitudes that can be measured in somatic intracellular recordings of many neuron types. Pronounced spikelet activity has been demonstrated in cortical pyramidal neurons in vivo (Crochet et al., 2004; Epsztein et al., 2010; Chorev and Brecht, 2012), influencing membrane voltage dynamics including action potential initiation. Nevertheless, the origin of spikelets in these neurons remains elusive. In thi thesis, I used computational modeling to examine the mechanisms of spikelet generation in pyramidal neurons. First, I reviewed the hypotheses previously suggested to explain spikelet origin. I discovered two qualitatively different spikelet types described in the experimental literature. This thesis focuses on the more commonly reported spikelet type, characterized by relatively large amplitudes of up to 20 mV. I found that the properties of these spikelets fit best to an axonal generation mechanism. Second, I explored the hypothesis that somatic spikelets of axonal origin can be evoked with somato-dendritic inputs. I identified the conditions allowing these orthodromic inputs to trigger an action potential at the axon initial segment, which propagates along the axon to the postsynaptic targets, but fails to elicit an action potential in the soma and the dendrites. Third, I simulated extracellular waveforms of action potentials and spikelets and compared them to experimental data (Chorev and Brecht, 2012). This comparison demonstrated that the extracellular waveforms of single-cell spikelets of axonal origin are consistent with the data. Together, my results suggest that spikelets in pyramidal neurons might originate at the axon initial segment within a single cell. Such a mechanism might be a way of reducing the energetic costs associated with the generation of output action potentials. Moreover, it might allow to control the dendritic plasticity by backpropagating action potentials.

Der Viruspartikelzusammenbau hängt von der Anreicherung viraler Untereinheiten in spezifischen Domänen der PM ab. Es wird vorgeschlagen, dass Membran-Rafts – geordnete, sphingomyelin- und cholesterinreiche Mikrodomänen in der PM – als lokale Rekrutierungsstellen dienen. Hämagglutinin (HA) ist ein homotrimeres Glykoprotein in der Hülle des Influenzavirus. Es dient der Bindung an die Wirtszelle und der Fusion mit dem Endosom. Es wird angenommen, dass HA bei der Abschnürung der Viruspartikel von der Zelle mitwirkt. Zwei Hauptbeobachtungen führten zu der Hypothese, dass sich HA in Lipid-Mikrodomänen einlagert: HA wurde biochemisch in Detergens-resistenten Membranen nachgewiesen und die Virushülle ist mit raftbildenden Lipiden angereichert. Um die Rolle der HA-Transmembrandomäne für die Lipid-Raft-Inkorporation aufzuklären, wurde ein Konstrukt entwickelt, das den C-Terminus von HA mit dem gelb fluoreszierenden Protein YFP fusioniert, und die Transmembrandomäne, nicht aber die N-terminale Ektodomäne von HA enthält. In transfizierten Säugetierzellen wurde der Förster-Resonanz-Energie-Transfer (FRET) zwischen diesem Konstrukt und einem GPI-verankerten cyan fluoreszierenden Protein CFP (Raft-Marker) durch Fluoreszenz-Lebenszeit-Mikroskopie (FLIM) gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass sich HA-Konstrukte in Cholesterin-abhängigen Lipiddomänen anreichern, was durch eine erhöhte FRET-Effizienz nachgewiesen wurde. Zudem führen ein Cholesterinentzug aus der PM und die Deletion hochkonservierter Palmitylierungsstellen zu einer signifikanten Verringerung selbiger; sehr gering war diese zwischen dem HA-Konstrukt und einem Nicht-Raft-Marker. Darüberhinaus konnte durch ortsspezifische Mutagenese gezeigt werden, dass die verwendeten Konstrukte disulfidbrückenverbundene Oligomere bilden, welche Voraussetzung für den Transport der Konstrukte an die PM sind. Zeitaufgelöste Anisotropiemessungen ergaben für diese ein starkes Homo-FRET-Signal, welches die Oligomerisierungshypothese bestätigt. / Numerous enveloped viruses bud from the host cell plasma membrane (PM). Assembly of the new viral particles depends on the accumulation of the viral subunits at specific sites of the cell membrane. Lipid domains or rafts enriched of sphingomyelin and cholesterol were suggested as sites for local recruitment of viral components. Hemagglutinin (HA), a homotrimeric glycoprotein embedded in the envelope of influenza virus, mediates binding of the virus to the host cell and fusion between the viral envelope and the endosomal membrane. HA might play an important role in budding of the viral particles from the host cell. Two observations led to the suggestion that HA entraps in lipid microdomains. First, HA was rescued in DRM fractions, second the viral envelope was found to be enriched in lipids generally forming rafts. To elucidate the role of the HA transmembrane domain in lipid raft localization we expressed constructs harboring the transmembrane domain and the cytoplasmic tail but lacking the N-terminal ectodomain of HA in the PM of mammalian cells. We studied energy transfer (FRET) between these constructs and a GPI anchored CFP as a raft marker by fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM). Our results suggest that HA constructs are indeed sorted into cholesterol-dependent lipid domains since cholesterol depletion of the PM caused a significant decrease of FRET efficiency. Likewise, deletion of the three highly conserved palmitoylation sites of HA is also accompanied by a reduction of FRET efficiency. Site directed mutagenesis demonstrated that TMD-HA constructs form disulfide linked oligomers and that oligomerization is fundamental for the transport to the PM. This result was corroborated by time resolved anisotropy measurements that revealed strong homoFRET between TMD-HA-YFP molecules, thus indicating protein clustering. Accordingly, trimerization of full length HA is fundamental for stability and the subsequent delivery of the protein to the cell surface.

Die Elektrorotation von fixierten Erythrozyten wurde im Frequenzbereich von 16 Hz bis 33 MHz untersucht. Zwischen 16 Hz und 1 kHz zeigen die fixierten Erythrozyten eine Rotation parallel zur Feldrichtung mit einer maximalen Rotationsgeschwindigkeit zwischen 30 Hz und 70 Hz. Es wurde sowohl die Abhängigkeit von der äußeren Leitfähigkeit untersucht als auch von der Oberflächenladung. Die experimentellen Resultate erwiesen sich als konsistent mit einer erst kürzlich entwickelten Theorie zur Elektrorotation im niederfrequenten Bereich (LFER). Sie zeigen, daß die Elektrorotation im niederfrequenten Bereich von der Oberflächenladung und -leitfähigkeit entscheidend mitbestimmt werden kann. Fixierte Thrombozyten wurden mittels Elektrorotation im Frequenzbereich von 16 Hz bis 33 MHz untersucht. Zur Interpretation der Daten wurde ein theoretisches Modell weiterentwickelt, welches die innere vesikuläre Struktur der Thrombozyten berücksichtigt, und mit dem niederfrequenten Modell zur Elektrorotation superponiert. In Lösungen mit Dextran unterschiedlicher Molekulargewichte und Konzentrationen wurde sowohl die elektrophoretische Mobilität als auch Elektrorotation von fixierten Erythrozyten untersucht. Es konnte gezeigt werden, daß sich im niederfrequenten Bereich Depletionschichten an Hand von Elektrorotationsspektren erfassen lassen. Diese Daten bestätigen auch die Theorie zur LFER. Messungen der elektrophoretischen Mobilität von nativen Erythrozyten wurden in Lösungen mit dem Polyelektrolyten Polystyrensulfonat in Anhängigkeit vom Molekulargewicht und der Salzkonzentration durchgeführt. Es zeigte sich, daß das Polymer zum einen reversibel adsorbiert und zum anderen einen deutlichen Depletioneffekt herbeiführt. Im letzten Teil der Arbeit wurde ein Verfahren entwickelt, welches die Herstellung von Polyelektrolyt-Kapseln auf der Grundlage von biologischen Zellen ermöglicht, welche in Form und Größe identisch mit den verwendeten biologischen Templaten sind. / Electrorotation of fixed red blood cells (RBC) has been investigated in a frequency range between 16 Hz and 33 Mhz. Between 16 Hz and 1 kHz fixed red blood cells undergo co-field rotation with a maximum of rotation betwen 30 and 70 Hz. The rotation was studied as a function of electrolyte conductivity and surface charge density. These observations are consistent with a recently developed theory of the low frequency electrorotation (LFER) and demonstrate that the surface charge and the surface conductivity can play a significant role in this frequency range. Fixed platalets were investigated by means of electrorotation in the frequency range from 16 Hz to 33 Mhz. For the interpretation of the data a model which takes into account the inner structure of the platalets was developed and added to the theory which describes the rotation in the low frequency range. In solutions with Dextran and fixed platalets the electrophoretic mobility as well as the electrorotation was measured. It was shown that in the low frequency range depletion layers are detectable. Furthermore this results verify the LFER theory. Measurements of the electrophoretic mobility of native RBC were carried out in solutions of the polyelectrolyte Polystyrenesulfonate in dependence on the molecular weight and the ionic strength. It was shown that the polymer adsorbs reversible and forms a significant depletion effect. In the last part of this work a method was developed, which allows the construction of polyelectrolyte caspules with biological cells as template, which are identical in size and shape with the templates used.

Neueste Arbeiten zeigen, dass die Selbsterneuerung und Pluripotenz von Stammzellen durch hochkonservierte Signalwege kontrolliert werden. Störungen dieser Prozesse verursachen Tumoren, die von Zellen mit stammzellähnlichen Eigenschaften ausgehen, den sog. Krebsstammzellen. Diese Arbeit zeigt, dass erhöhte Wnt/beta-Catenin- und erniedrigte Bmp-Signalgebung eine wichtige Rolle in der Entstehung humaner Plattenepithel-Karzinome der Speicheldrüsen spielen. Es wurde ein Mausmodell hergestellt, bei dem die Aktivierung der Wnt/beta-Catenin und der Verlust der Bmp-Signalgebung ebenfalls Speicheldrüsenkarzinome verursachen. Die Speicheldrüsen-Tumoren der Maus enthielten eine erhöhte Zahl von CD24+CD29+-Stammzellen, von denen bereits 500 Zellen transplantierbare Tumoren in NOD/SCID-Mäusen induzierten, d. h. dass sie Krebsstammzellen darstellen. Die Veränderung nur eines Signalweges, Wnt/beta-Catenin oder Bmp allein, war nicht tumorigen, resultierte aber in einer erhöhten Anzahl von CD24+CD29+-Stammzellen in der Speicheldrüse und einer fünffach schnelleren Geweberegeneration nach Verwundung. Die Krebsstammzellen der Speicheldrüsen zeigten eine erhöhte Expression von Pluripotenzgenen und globale Veränderungen von trimethyliertem Lysin 4 und 27 des Histons 3. Diese Veränderungen korrelieren häufig mit einer Zunahme aktiven und einer Abnahme repressiven Chromatins. Die Krebsstammzellen wuchsen in vitro als undifferenzierte Salisphären und konnten durch Inhibierung des Wnt/beta-Catenin-Signalweges in drüsenartige Strukturen differenziert werden. Dieser Prozess war von repressivem Chromatin abhängig, da DNA-Methylierungs- oder Histon-Deazetylase-Inhibitoren den ursprünglichen Krebsstammzell-Status wieder reaktivieren konnten. Diese Arbeit zeigt, dass ein aktiver Wnt/beta-Catenin-Signalweg die Transformation von normalen Stammzellen zu Krebsstammzellen durch einen epigenetischen Mechanismus fördert. Die Ergebnisse eröffnen neue Strategien für die Tumortherapie beim Menschen. / Little is known about the processes by which cancer stem cells arise in the different tissues. Our analysis of aggressive squamous cell carcinomas (SCCs) of the salivary gland in human patients suggested a link to the Wnt/beta-catenin and Bmp signaling systems. Using a genetically modified mouse strain in which Wnt signaling is up-regulated and Bmp is suppressed, we found that Wnt/beta-catenin promotes the transformation of normal stem cells into cancer stem cells through an epigenetic mechanism. Mouse SCCs of the salivary gland contained high numbers of CD24+CD29+ cancer stem cells. As few as 500 of these cells sufficed to cause tumors when transplanted into NOD/SCID mice. Mice in which only one of the signaling systems was altered had higher numbers of stem cells in the salivary gland, more efficient tissue regeneration, and no apparent tumors. We discovered that the difference of normal compared to cancer stem cells in the salivary gland is an up-regulation of specific pluripotency genes, e.g. Dppa5, as well as global changes in trimethylated Lysine 4 and 27 of histone 3. This indicates an increase of active chromatin and a decrease in the repressive form, which suggests a mechanistic explanation for the change of cell fate. Cancer stem cells of the salivary gland grew as non-adherent spheres and retained the capacity for differentiation if beta-catenin is inhibited. This depended on repressive chromatin, as shown by the fact that 5-azacytidine or HDAC inhibitors restored stemness. Our data opens new strategies for future cancer therapies in humans.