Die Gesamtheit mitochondrialer Gene sowie ein Teil der plastidären Gene photosynthetischer Eukaryoten wird durch kernkodierte Phagentyp-RNA-Polymerasen transkribiert. In der vorliegenden Arbeit wurden unter Verwendung eines homologen in vitro-Transkriptionssystems, die spezifischen Funktionen der Phagentyp-RNA-Polymerasen RpoTm, RpoTp und RpoTmp aus Arabidopsis untersucht. Während RpoTmp keine Präferenz für die angebotenen Promotoren zeigte, transkribierten RpoTm und RpoTp eine überlappende Gruppe mitochondrialer und plastidärer Promotoren vielfältiger Architektur. RpoTm und RpoTp präsentierten eine Kofaktor-unabhängige Fähigkeit zur Promotorerkennung bei Angebot superhelikaler DNA-Matrizen. Eine selektive Promotornutzung sowie die Unfähigkeit zur spezifischen Transkription linearer Promotormatrizen in vitro implizieren die Assoziation zusätzlicher, in die Promotorerkennung und/oder DNA-Aufschmelzung involvierter Kofaktoren in vivo. Die in vitro-Erkennung mitochondrialer Promotoren durch eine plastidäre Phagentyp-RNA-Polymerase (und umgekehrt) sowie weitere Ähnlichkeiten der Transkriptionsapparate der Mitochondrien und Plastiden, wie die strukturelle Organisation ihrer Promotoren und die phylogenetische Herkunft ihrer kernkodierten Transkriptasen inspirierte in planta Studien zur spezifischen Transkription eines mitochondrialen Promotors in den Plastiden. Hierzu wurde die Expression des nptII-Reportergens unter Kontrolle des mitochondrialen PatpA-Promotors aus Oenothera in transplastomischen Tabakpflanzen analysiert. Die durchgeführten Studien belegen eine korrekte Transkription des mitochondrialen PatpA-Promotors durch eine plastidäre Phagentyp-RNA-Polymerase in in vitro-Transkriptionsassays sowie in transplastomischen Tabakpflanzen. Diese Resultate enthüllen weitere unerwartete Ähnlichkeiten der organellären Genexpression, die aufschlussreiche evolutionäre Einblicke erlauben und verbesserte Anwendungen zur Manipulation plastidärer Genome ermöglichen könnten. / All mitochondrial and a subset of plastidial genes of photosynthetically active eukaryotes are transcribed by nuclear-encoded, phage-type RNA polymerases. In this study, a homologous in vitro transcription system was used to define the specific functions of Arabidopsis phage-type RNA polymerases RpoTm, RpoTp and RpoTmp in organellar transcription. RpoTmp displayed no significant promoter specificity, whereas RpoTm and RpoTp were able to accurately initiate transcription from overlapping subsets of mitochondrial and plastidial promoters of diverse architecture. RpoTm and RpoTp thereby demonstrated an intrinsic capability to recognize promoters on supercoiled DNA templates without the aid of protein cofactors. A selective promoter recognition by the phage-type RNAPs in vitro and the inability to recognize promoters on linear templates imply that auxiliary factors are required for efficient initiation of transcription and/or DNA melting in vivo. Crosswise recognition of organellar promoters by the phage-type RNA polymerases in vitro as well as other similarities of the mitochondrial and plastidial transcription machineries such as promoter structures and the phylogenetic origin inspired in planta studies to investigate specific transcription of a mitochondrial promoter in plastids. Therefore, the expression of an nptII reporter gene under control of the mitochondrial PatpA promoter from Oenothera was analyzed in transplastomic tobacco plants. The data presented here demonstrate the faithful recognition of the mitochondrial PatpA promoter by a plastid RNA polymerase both in in vitro transcription assays and in transplastomic tobacco plants. These findings disclose further unexpected similarities of the organellar gene expression systems which deliver interesting evolutionary insights and might facilitate improved applications for chloroplast genome engineering.

Der Citratzyklus (TCA) ist einer der bedeutendsten Stoffwechselwege für alle lebenden Organismen. Trotz der zentralen Rolle dieses Prozesses im Pflanzenmetabolismus ist er nur relativ wenig untersucht worden. In dieser Arbeit berichte ich über die Produktion und die funktionale Analyse von Tomatenpflanzen (Solanum lycopersicum), die unabhängig eine leicht eingeschränkte Aktivität der mitochondrialen Citrat-Synthase (CS) und zweier Isocitrat-dehydrogenasen (mitochondriale NAD-IDH und cytosolische NADP-ICDH) zeigen. Die transgene Pflanzen wiesen mehrheitlich keine erkennbare Veränderung eines Wachstumphänotyps auf. Obwohl die photosyntetische Leistung keine Änderungen gezeigt hatte, war die mitochondriale Respiration gestiegen, begleitet von einem reduzierten Kohlenstoff-fluss durch den Citratzyklus. Darüber hinaus waren die CS Pflanzen charakterisiert durch wesentliche Änderungen im Blattmetabolismus, einschließlich eines eingeschränkten Niveaus des photosynthetischen Pigments und Zwischenprodukten des Citratzyklus zusammen mit einer Akkumulation von Nitraten, verschiedenen Aminosäuren und Stärken. Zusammengefasst deuten diese Ergebnisse auf eine Einschränkung der Nitrat-Aufnahme hin. Das mit Hilfe von TOM1 Mikroarrays und quantitativer RT-PCR durchgeführte Transcript-profiling hat gezeigt, dass die fehlende Aktivität der mitochondrialen CS teilweise von einer gestiegenen, peroxisomalen CS Isoform ausgeglichen wird. Die metabolische Verschiebung ergab eine Verstärkung der photorespiratorischen Leistung, die vermutlich eine ausgleichende Rolle in der Produktion organischer Säuren und der Wiederherstellung der Redox-Balance spielt. Interessantenweise war die metabolische Antwort von Blättern auf Stickstoffmangel in NADP-ICDH Pflanzen dramatischer als in NAD-IDH Pflanzen, was darauf hindeutet, dass die cytosolische Isoform der Hauptlieferant von 2-Oxoglutarat im Tomatenmetabolismus sein könnte. / Although the TCA cycle is a respiratory metabolic pathway of central importance for all living organisms, relatively few molecular physiological studies of plants were performed to date. Here, I report the generation and functional analysis of tomato plants (Solanum lycopersicum) independently displaying mildly limited activity of mitochondrial citrate synthase (CS) and two isocitrate dehydrogenases, namely mitochondrial NAD-IDH and cytosolic NADP-ICDH. The transgenic plants revealed minor phenotypic alterations. Although the leaf photosynthetic performance was largely unaltered, the changes in mitochondrial respiration and carbon flux through the TCA cycle were observed. Moreover, the plants were characterized by significant modifications in the leaf metabolic content and in maximal catalytic activities of several enzymes involved in primary C and N metabolism. These results hint towards limitations in nitrate assimilation pathway. The transcript profiling performed by utilizing TOM1 microarrays and quantitative RT-PCR approach revealed that the deficiency in mitochondrial CS activity was partially compensated by up-regulation of peroxisomal CS isoform. The limitations in the activities of isocitrate dehydrogenases resulted in up-regulation of the photorespiratory pathway, which presumably played a compensatory role in supporting organic acid production and re-establishing redox balance in the transgenic leaves. Interestingly, the leaf metabolic response towards nitrogen starvation conditions was far more dramatic in NADP-ICDH transgenic plants than NAD-IDH plants, hinting that the cytosolic isoform may be the major 2-oxoglutarate supplier in tomato metabolism.

Als Schlüsselfaktor des hämatopoietischen Systems spielt PU.1 eine ent-scheidende Rolle in der Entwicklung der meisten hämatopoietischen Li-nien. Das PU.1 Expressionslevel bestimmt das Differenzierungspotential hämatopoietischer Stammzellen und Vorläufer. In den unterschiedlichen Zelltypen werden verschiedene Expressionsstärken etabliert. Wie diese zelltypischen Expressionslevel vonPU.1 generiert werden, ist bisher weit-gehend unbekannt. In der vorliegenden Doktorarbeit wurde mit Hilfe eines transgenen Maus-modells die cis-regulatorische Einheit von PU.1 definiert, um mit nachfol-genden molekularbiologischen und genomweiten Ansätzen Mechanismen der zellspezifischen Regulation von PU.1 zu aufzuzeigen. Die Definition der cis-regulatorischen Einheit von PU.1 erfolgte mit Hilfe eines transgenen Mausmodells, welches ein humanes PU.1 BAC Kons-trukt trägt. Es konnte gezeigt werden, dass humanes und murines PU.1 substituierbar sind und den gleichen Regulationsmechanismen unterlie-gen. Mit Hilfe genomweite DNaseI hypersensitivity Analysen, Methylie-rungs- und Bindungsstudien konnte ein neuer Regulationsmechanismus beschrieben werden, der eine spezifische kombinatorische Interaktion verschiedener cis-regulatorischer Elemente erfordert. Durch Reportergenassays in verschiedenen Zelltypen war es möglich, einen myeloischen Enhancer zu identifizieren. Es konnte gezeigt werden, dass PU.1 mit zelltyp-spezifischen Transkriptionsfaktoren interagiert, um unterschiedliche Bindungsmuster an seinen regulatorischen Elementen zu etablieren. Dadurch kommt es zu den spezifischen Expressionstärken von PU.1 / The transcription factor PU.1 occupies a central role in controlling myeloid and early B cell development and its correct lineage-specific expression is critical for the differentiation choice of hematopoietic progenitors. However, little is known of how this tissue-specific pattern is established. We previously identified an upstream regulatory cis-element (URE) whose targeted deletion in mice decreases PU.1 expression and causes leukemia. We show here that the URE alone is insufficient to confer physiological PU.1 expression, but requires the cooperation with other, previously unidentified elements. Using a combination of transgenic studies, global chromatin assays and detailed molecular analyses we present evidence that PU.1 is regulated by a novel mechanism involving cross-talk between different cis-elements together with lineage-restricted autoregulation. In this model, PU.1 regulates its expression in B cells and macrophages by differentially associating with cell-type specific transcription factors at one of its cis-regulatory elements to establish differential activity patterns at other elements.

20S Proteasomen der Leber gehören ausschließlich zur Population der Intermediär-Proteasomen. Chromatographisch sind drei proteasomale Subpopulationen aufgrund unterschiedlicher Oberflächenhydrophobizität trennbar. Diese beinhalten unterschiedliche Mengen der Standard- und Immunountereinheiten und zeigen unterschiedliche spezifische Aktivitäten gegenüber kurzen fluorigenen Peptidsubstraten. Außerdem lassen sie sich deutlich anhand der Schnittfrequenzen bei Hydrolyse von Polypeptidsubstraten unterscheiden. Jede dieser Subpopulationen konnte aufgrund unterschiedlicher Oberflächenladung in bis zu 5 verschiedene 20S Proteasom-Subtypen unterteilt werden, die wiederum unterschiedliche Mengen an Standard- und Immununtereinheiten enthielten. Jeder dieser Subtypen zeigte unterschiedliche Eigenschaften bezüglich der spezifischen Aktivitäten und Hydrolysegeschwindigkeiten von Polypeptidsubstraten. Unterschiede wurden auch bezüglich ihrer Peptid-Spleiß-Aktivitäten nachgewiesen. In der vorliegenden Arbeit wurden darüber hinaus Veränderungen der Spektren proteasomaler Subtypen- und ihrer Eigenschaften im Lebergewebe von 2, 8 und 23 Monate alten Ratten nachgewiesen. Während die Gesamtmenge der Leber-Proteasomen mit steigendem Alter abnahm, nahm die Menge der Subtypen mit integrierten Immununtereinheiten zu. Gleichzeitig kam es zu einer altersabhängigen Zunahme der Hydrolysegeschwindigkeit gegenüber Polypeptide-Substraten sowie veränderten Schnitthäufigkeiten. Die altersabhängigen intramolekularen Umgestaltungen von Leberproteasomen könnten eine funktionelle Anpassung an die altersbedingten zellulären Veränderungen in Verbindung mit Veränderungen der MHC Klasse I Antigen-Präsentation darstellen. / 20S proteasomes isolated from rat liver belong to the population of intermediate type proteasomes. Three subpopulations were separated by chromatography due to their differences in surface hydrophobicity. These subpopulations contain different types of intermediate type proteasomes with standard- and immunosubunits exhibiting distinct specific activities towards short fluorogenic substrates. However, depending on the substrate their hydrolyzing activity of long polypeptide substrates was significantly different. Additional separation of the three 20S proteasome subpopulations due to their different surface charges allowed further resolution of each subpopulation to at least five 20S proteasome subtypes. The subunit composition of these subtypes varied with regard to the content of exchangeable subunits. The pattern of proteolytic activities measured with short fluorogenic peptides differed between the various subtypes as well as the ability to hydrolyze polypeptide substrate. Above all, each subtype displayed a specific pattern regarding the peptide-splice-activity. Furthermore, the present work showed age-dependent alterations in the subtype patterns, which were analyzed in livers of 2, 8 and 23 month old rats. While the total amount of proteasome declines with age, in all subtypes from aged animals standard subunits were widely replaced by immunosubunits. This resulted in a relative increase of immunosubunit-containing proteasomes, paralleled by age-dependent changes regarding the hydrolyzing activity of long polypeptide substrates. Such modifications could have implications on protein homeostasis as well as on MHC class I antigen presentation as part of the immunosenescence process.

Serotonin ist ein Neurotransmitter im zentralen Nervensystem (ZNS), die eine Vielzahl von Funktionen in der menschlichen Physiologie hat. Serotonergen Neuronen in der Raphe-Kerne des Gehirns Unser Ziel war die Leitung der Differenzierung von embryonalen Stammzellen (ES-Zellen) eingeengt und pluripotenten Stammzellen (iPS) Zellen in eine angereicherte Population von Serotonin-produzierenden Zellen, neuartige Gene, die wesentlich für die Entwicklung zu identifizieren und die Funktion des serotonergen Systems. Zu diesem Zweck haben wir differenzierten ES-Zellen in Serotonin-produzierenden Neuronen. Verwendung von RNA zu verschiedenen Zeitpunkten im Verlauf der ES-Zelldifferenzierung wir Gene spezifisch in serotonergen Linie von Affymetrix Genarray angereichert identifiziert isoliert. Um Kandidatengene bewerten wir neu programmiert Maus und Ratte embryonale Fibroblasten zu iPS-Zellen und anschließend differenziert sie serotonergen Neuronen. Wir haben uns für Cacna2d1, für eine alpha2 / delta-Untereinheit von spannungsabhängigen Calciumkanäle als prominentesten Kandidaten unter diesen Genen kodiert. Zur Analyse der Rolle des Proteins Cacna2d1 wir verwendet Cacna2d1 Knockout-Mäusen und Morpholino-Knockdown im Zebrafisch. Wir versäumt, direkte Beteiligung der Cacna2d1 mit serotonergen Systems sehen. Allerdings Immunfärbung für Cacna2d1 in Zebrafisch zeigte zeitabhängige Muster während der frühen Entwicklung. Cacna2d1 Expression wurde in seitlichen Mittellinie Stamm gesehen; vermutlich in Neuromasten Zellen. Übereinstimmend mit ihrer Charakterisierung als Neuromasten werden diese Cacna2d1-positiven Zellen in Richtung der Schwanz der Migration. Darüber hinaus zeigte Zebrafisch gestörten Migrationsverhalten der Neuromasten nach Morpholino-Knockdown von Cacna2d1. So ist diese Studie stellte klar, dass Cacna2d1 ist für Zebrafisch Seitenlinie Entwicklung aber keinen Einfluss auf die Einrichtung des serotonergen Systems. / Serotonin is a neurotransmitter in the central nervous system (CNS), which has a wide range of functions in human physiology. Serotonergic neurons are concentrated in the raphe nuclei of the brain We aimed at directing the differentiation of embryonic stem (ES) cells and induced pluripotent stem (iPS) cells into an enriched population of serotonin producing cells to identify novel genes that are essential for the development and function of serotonergic system. To this purpose we differentiated ES cells into serotonin producing neurons. Using RNA isolated at different time points during the course of ES cell differentiation we identified genes specifically enriched in the serotonergic lineage by Affymetrix gene array. To evaluate candidate genes we reprogrammed mouse and rat embryonic fibroblast to iPS cells and subsequently differentiated them to serotonergic neurons. We selected Cacna2d1, coding for an alpha2/delta subunit of voltage dependent calcium channels as a most prominent candidate among these genes. To analyse the role of the Cacna2d1 protein we used Cacna2d1 knockout mice and morpholino-knockdown in zebrafish. We failed to see direct involvement of Cacna2d1 with serotonergic system. However immunostaining for Cacna2d1 in zebrafish revealed time-dependent pattern during early development. Cacna2d1 expression was seen in lateral midline trunk; presumably in neuromast cells. Concordantly with their characterization as neuromasts, these Cacna2d1-positive cells are migrating towards the tail. Moreover, zebrafish showed disturbed migration behaviours of neuromasts after morpholino-knockdown of Cacna2d1. Thus, this study clarified that Cacna2d1 is essential for zebrafish lateral line development but does not affect the establishment of the serotonergic system.

Da die Arzneistoffpermeation durch okulare Gewebe einen entscheidenden Einfluss auf die Heilung vieler Augenleiden hat, wurde die in vitro-Permeation hydrophiler und lipophiler Arzneistoffe durch okulare Gewebe und Zellkulturen in dieser Arbeit untersucht. Die Dissertation befasst sich vorrangig mit der Permeation des hydrophilen Modellarzneistoffs Pilocarpinhydrochlorid (P-HCl) durch isolierte Schweinecornea (SC), Schweinesklera, Kaninchenkonjunktiva und corneale bzw. konjunktivale Kaninchenepithelzellkultur. Der Einfluss verschiedener Formulierungsparameter wie Benzalkoniumchlorid (BAC), Natriumedetat, pH-Wert und Tonizität auf die P-HCl-Permeation wurde untersucht. Dabei konnte eine gute Korrelation zwischen isolierten Geweben und Zellkulturen in Reaktion auf die Variation der Formulierungsparameter festgestellt werden. Unter den getesteten Parametern zeigte BAC den größten Enhancereffekt. Weiterhin wurden vergleichende Permeationsstudien an gelaserter SC mit P-HCl und dem relativ lipophilen Diclofenac-Natrium (D-Na) durchgeführt. Das Entfernen von Epithelschichten der SC mittels Excimer-Laser sollte den Heilungsverlauf, vor allem aber die zeitabhängige Reepithelisierung der Cornea nach erfolgter Photorefraktiver Keratektomie, simulieren. Die Ergebnisse dieser Studie zeigten, dass unterschiedliche Epitheldicken einen signifikanten Einfluss auf die P-HCl-Permeation haben. Im Gegensatz dazu blieb die D-Na-Permeation nahezu unbeeinflusst. Ein weiteres Anliegen dieser Arbeit bestand darin, eine okular applizierbare Formulierung des Immunsuppressivums Mycophenolatmofetil (MMF) zu entwickeln. Sowohl für das Prodrug MMF als auch für dessen aktiven Metaboliten Mycophenolsäure (MPA) wurde die Permeabilität von SC getestet. Ausgewählt wurde eine Zubereitung, die 1% MMF in Glutathion-Bicarbonat-Ringerlösung enthält und mit 10% Hydroxypropyl-beta-Cyclodextrin versetzt ist. Diese Suspension wurde bei 121° C und 200 kPa für 15 min autoklaviert, um das schwerlösliche MMF in Lösung zu bringen. Da der Ester MMF bei der Herstellung der Testlösung einer teilweisen Hydrolyse zu MPA unterliegt, außerdem eine minimale in vitro-Verfügbarkeit aufweist und sehr schwer wasserlöslich ist, sollte MPA in Augentropfenformulierungen der Vorzug gegeben werden. Die Korrelierbarkeit mit in vivo-Resultaten ist jedoch im Rahmen dieser Arbeit nicht untersucht worden, so dass die Ergebnisse als Grundlage für Permeationsstudien am in vivo-Modell zu bewerten sind. / The permeation of drugs through ocular tissues plays an important role in healing of various eye diseases. The objective of this work was to investigate the in vitro permeability of hydrophilic and lipophilic drugs through ocular tissues and cell cultures. Mainly, the permeability of the hydrophilic model drug pilocarpine hydrochloride (P-HCl) through isolated pig cornea (PCr) and sclera, rabbit conjunctiva, and rabbit conjunctival or corneal epithelial cell culture was compared. Additionally, the study included investigations about the influence of the formulation parameters benzalkonium chloride (BAC), ethylene diamine tetra acetic acid disodium salt, pH value and tonicity on the permeability of the small drug. In summary, a good correlation between the isolated tissues and cell cultures with regard to P-HCl transport could be observed. In general, BAC caused the most facilitated drug transport within the formulation parameters. Furthermore, the permeation of P-HCl and the lipophilic diclofenac-sodium (D-Na) through lasered PCr was studied. To investigate the effects of photorefractive keratectomy on drug permeation, excimer laser ablations with varying depths were performed on isolated pig eyes. As a result, P-HCl demonstrated a significant enhancement of permeation in relation to the ablation depth. In contrast, corneal epithelial thickness scarcely influenced the permeation rate of D-Na. Another aim of this work was to develop an appropriate application form for topical ocular use of the immunomodulating substance mycophenolate mofetil (MMF) and to investigate the in vitro permeability of PCr for the prodrug MMF and its parent substance mycophenolic acid (MPA). The test formulation consisted of Glutathion-bicarbonate-Ringer's solution, 10% hydroxypropyl- beta-cyclodextrin and 1% MMF. To reach a concentration of 1% of the poor soluble MMF a treatment under autoclaving conditions at 121° C and 200 kPa for 15 min was needed. MPA should be preferred in eye drops because of an higher in vitro availability compared to MMF, an hydrolysis of MMF to MPA in the cornea during permeation and the poor water solubility of MMF. The correlation with in vivo results was not studied in this work but the findings can be assumed as basis for investigations on in vivo models.

Das kolorektale Karzinom (KRK) ist die zweithäufigste Krebserkrankung und die Metastasierung die häufigste Todesursache hierbei. Das neu identifizierte Gen MACC1 (metastasis associated in colon cancer 1) wurde als prognostischer Marker für die Metastasierung des KRK beschrieben. Im Zuge dieser Arbeit wurden die Exons 14-19 des Protoonkogens MET (met proto-oncogene (hepatocyte growth factor receptor)) und die kodierenden Exons von MACC1 in kolorektalen Tumoren sequenziert. Es waren in 60 Tumoren nur zwei MET Mutationen zu finden. In 154 kolorektalen Tumoren wurden die drei MACC1 single nucleotide polymorphisms (SNPs) rs47211888, rs975263 und rs3735615 identifiziert. Diese MACC1 SNPs veränderten nicht die MACC1 Expression in Tumoren oder KRK-Zelllinien. Sie waren nicht mit klinischen Daten von Patienten, nicht mit dem Gesamtüberleben oder dem metastasenfreien Überleben aller Patienten mit KRK assoziiert. Der MACC1 SNP rs975263 war signifikant mit einem kürzeren metastasenfreien Überleben in einer kleineren Gruppe von jüngeren Kolonkarzinom Patienten in frühen Stadien assoziiert. Zudem wurden mittels Microarray Analyse Targetgene von MACC1 identifiziert. MACC1 regulierte die Expression von S100P (S100 calcium binding protein P) und SPON2 (spondin 2, extracellular matrix protein) in den Zelllinien SW480 und SW620. Eine S100P oder SPON2 Überexpression förderte die Zellproliferation, Zellmigration und Zellinvasion. Intraspenal transplantierte Zellen mit hoher S100P oder SPON2 Expression führten im Gegensatz zu Kontrollzellen in Xenograft Modellen zur Bildung von Metastasen. Des Weiteren war die S100P oder SPON2 Expression in humanen metachron metastasierenden kolorektalen Tumoren höher als in nicht metastasierenden Tumoren. Patienten mit einer hohen S100P oder SPON2 Expression in ihren Tumoren hatten ein kürzeres metastasenfreies Überleben im Vergleich zu Patienten mit niedriger Expression. S100P und SPON2 könnten somit eine wichtige Rolle in der Metastasierung spielen. / Colorectal cancer (CRC) is the second leading cause of cancer-related deaths in the Western World, mainly due to metastasis. The gene MACC1 (metastasis associated in colon cancer 1) was described as a prognostic marker for CRC metastasis. In this study, we sequenced the exons 14-19 of the protooncogene MET (met proto-oncogene (hepatocyte growth factor receptor)) and the coding exons of MACC1 in colorectal tumors. We found two MET mutations in 60 tumors. In 154 tumors we identified the MACC1 single nucleotide polymorphisms (SNPs) rs47211888, rs975263 and rs3735615. These SNPs did neither modify the MACC1 expression in tumors nor in CRC cell lines. They were not associated with clinical parameters of the patients or with the overall survival and metastasis-free survival time of all CRC patients. Only in a subgroup, younger patients with colon cancer in early stages, the SNP rs975263 was significantly associated with a shorter metastasis-free survival time. Additionally, we identified new target genes of MACC1 by microarray analysis. MACC1 regulated the expression of S100P (S100 calcium binding protein P) and SPON2 (spondin 2, extracellular matrix protein) in the cell lines SW480 and SW620. Cell with a high S100P and SPON2 expression, intrasplenically transplanted into NOD/SCID mice, led to metastasis formation whereas transplanted control cells did not metastasize at all. The S100P and SPON2 expression was higher in colorectal tumors with metachronous metastasis than in non-metastasizing tumors. CRC patients with a high S100P or SPON2 expression in their primary tumors had a shorter metastasis-free survival time compared to patients with a low expression. Thus, S100P and SPON2 might play an important role in CRC metastasis.

Das Cyanobakterium Synechococcus elongatus PCC 7942 besitzt eine circadiane Uhr, die aus nur drei Proteinen besteht: KaiA, KaiB und KaiC. Durch 24stündige Phosphorylierungs- und ATPase-Zyklen des KaiC wird u. a. die globale Genaktivität gesteuert. Der Anteil circadian regulierter Gene sowie die Zahl und Organisation der kai-Gene scheinen in Cyanobakterien stark zu variieren. Um die Komponenten eines potenziell komplexeren Kai-Systems zu untersuchen, wurde in der vorliegenden Arbeit Synechocystis sp. PCC 6803 als Modell ausgewählt. In dessen Genom werden ein KaiA- sowie jeweils drei divergierte KaiB- und KaiC-Proteine kodiert. Durch in vitro Studien konnte die Aktivität von KaiC1 und KaiC3 erstmals charakterisiert werden: KaiC1 zeigte eine KaiA-abhängige Kinase-Aktivität und bildet mit KaiA und KaiB1 vermutlich einen „Standard-Oszillator“. KaiC3 wies die typischen Kinase-, ATP-Synthase- und ATPase-Aktivitäten des KaiC aus Synechococcus auf. Deren Ausprägung erschien jedoch modifiziert. Ferner wurde die zeitliche und räumliche intrazelluläre Verteilung des KaiA sowie der KaiC-Proteine aufgeklärt. Die Kai-Proteine verhielten sich insgesamt abweichend von den Homologen aus Synechococcus, was das Fehlen einer circadianen Rhythmik unter den gewählten Wachstumsbedingungen erklärt. Angesichts kontroverser Diskussionen über die molekularen Details der Assemblierung von KaiC und KaiB aus Synechococcus wurde in einem ergänzenden Projekt demonstriert, dass die gesteigerte Phosphorylierung des KaiC bei 4°C zur Bildung stabiler KaiC-KaiB-Komplexe führt. Die dabei etablierte Methode erlaubt Untersuchungen der KaiC-KaiB-Interaktion unter Verwendung der Wildtyp-Proteine. / The cyanobacterium Synechococcus elongatus PCC 7942 harbors a circadian clock consisting of only three proteins: KaiA, KaiB and KaiC. 24hour phosphorylation and ATPase cycles of KaiC control global gene activity. The number of circadian regulated genes as well as the number and organization of kai-genes seem to vary strongly among cyanobacteria. To analyze the components of a probably more complex Kai-system, Synechocystis sp. PCC 6803 was chosen as a model in the present study. Its genome encodes one KaiA- and each three KaiB and KaiC proteins. The activity of KaiC1 and KaiC3 was – for the first time - characterized by in vitro studies: KaiC1 displayed a KaiA-dependent kinase activity and builds a ,standard oscillator‘ together with KaiA and KaiB1. KaiC3 displayed the typical kinase, ATP synthase and ATPase activities of KaiC from Synechococcus. However, the characteristics of the activities appeared to be modified. Moreover, the temporal and spatial intracellular distribution of KaiA and the KaiC proteins was elucidated. Altogether, the Kai proteins performed different from their Synechococcus homologs, explaining the lack of circadian rhythms under the chosen growth conditions. In view of the controversial discussions about the assembly of KaiC and KaiB from Synechococcus, an additional project was set up to demonstrate that increased auto-phosphorylation of KaiC at 4 °C leads to the formation of stable KaiC-KaiB-complexes. In this context, a protocol was established that allows to analyse KaiC-KaiB interactions using wild-type proteins.

In der vorliegenden Arbeit sollten Ziel-Proteine der Mikrotubulus-assoziierten PP2A gefunden werden. Anhand phänotypischer Ähnlichkeiten zwischen OS- und Greig-, Acrocallosal- bzw. Pallister-Hall-Syndrom-Patienten wurde eine mögliche Interaktion zwischen dem MID1-alpha4-PP2A-Komplex und GLI3, einem zentralen Transkriptionsfaktor der SHH-Signaltransduktionskaskade, postuliert. In einer Reihe von zellbiologischen und proteinbiochemischen Experimenten konnte gezeigt werden, dass sowohl die intrazelluläre Lokalisation des GLI3 als auch der Phosphorylierungsstatus von Fu, einem Interaktionspartner von GLI3, über den MID1-alpha4-PP2A-Komplex und Mikrotubulus-assoziierter PP2A-Aktivität reguliert werden. Erhöhte Aktivität der Mikrotubulus-assoziierten PP2A führt hierbei zur Dephosphorylierung von Fu und zu einer Akkumulation des GLI3 im Cytosol, während verringerte PP2A-Aktivität zu einer Anreicherung der hyperphosphorylierten Form des Fu und zur Akkumulation des GLI3 im Nukleus führt. Darüber hinaus konnte GSK3beta als die der Mikrotubulus-assoziierten PP2A entgegenwirkende Kinase identifiziert werden. Eine verringerte Aktivität der GSK3beta führt zur Dephosphorylierung von Fu und zu einer Akkumulation des GLI3 im Cytosol. Außerdem wurde in der vorliegenden Arbeit eine Interaktion zwischen GLI3 und der hyperphosphorylierten Form des Fu beschrieben. Die Hyperphosphorylierung von Fu wird über die gegenläufigen Aktivitäten der Mikrotubulus-assoziierten PP2A und GSK3beta reguliert. Durch die Interaktion des hyperphosphorylierten Fu mit cytosolischem, nicht phosphorylierten GLI3 wird dessen Phosphorylierung gesteuert. Phosphoryliertes GLI3 reichert sich im Zellkern an und die Transkription von SHH-Zielgenen wird induziert. Die in dieser Arbeit identifizierten Mechanismen sind ein möglicher zellbiologischer Hintergrund der Übereinstimmung in den klinischen Erscheinungsbildern von OS und Syndromen, die mit Genen der SHH-Signaltransduktionskaskade assoziiert sind. / Misregulation of microtubule-associated phosphatase 2A (PP2A) activity as a result of mutations in the ubiquitin ligase MID1 plays a central role in the pathogenesis of Opitz BBB/G syndrome (OS). Features typical for OS are shared by patients with mutations in GLI3 and PATCHED1 (PTC1), two members of the Sonic Hedgehog (SHH) pathway. These observations suggest that MID1 / PP2A may also be involved in the transduction of the SHH signal. Here we demonstrate that nuclear translocation of the transcription factor GLI3, a major effector of the SHH pathway, is regulated by the activity of the microtubule-associated pool of PP2A. This effect is reproduced pharmacologically by lithium chloride (LiCl), a potent inhibitor of glycogen synthase kinase 3beta (GSK3beta), and correlates with the phosphorylation status of human Fused (hFu), a GLI3 interaction partner. Our data suggest an antagonistic relationship between PP2A and GSK3beta as regulators of SHH signaling and provide a molecular basis for the phenotypic overlap between patients with OS and SHH pathway mutations.

In dieser Arbeit wurde die Funktionsweise der sauren Histidin-Phosphatasen (HAPs) an zwei Vertretern, der PhyK (Phytase) aus Klebsiella sp. ASR1 und der AgpE (Glukose-1-Phosphatase) aus Enterobacter cloacae, untersucht. Neben den biochemischen Charakterisierungen der beiden Enzyme und deren Substitutionsmutanten konnten die Proteinstrukturen aufgeklärt werden. Die Kokristallisationen mit Phytat bzw. myo-Inositolhexasulfat ermöglichten die Modellierungen der Substratbindungen in den aktiven Zentren. Es konnten für die Glukose-1-Phosphatase AgpE zum ersten Mal zwei Konformationszustände, eine offene und eine geschlossene Form, ähnlich der E. coli Phytase (AppA) gezeigt werden. Ungeachtet deutlicher funktioneller Unterschiede wiesen die AgpE und AppA starke strukturelle Ähnlichkeiten auf. Deshalb wurden gezielte Aminosäuren-Substitutionen im aktiven Zentrum der AgpE durchgeführt, um deren Eigenschaften zu modifizieren. Bereits der Austausch von nur zwei Aminosäuren führte zu einem deutlich veränderten Substratspektrum der AgpE und bewirkte einen weiteren, hier zum ersten Mal gezeigten, Phytatabbau durch eine Glukose-1-Phosphatase. Die PhyK aus Klebsiella sp. ASR1 wurde ebenfalls verschiedenen Substitutionsmutagenesen unterzogen. Hierbei wurden Phytasevarianten erzeugt, die bis zu 20 % höhere spezifische Aktivitäten und damit einen effizienteren Phytatabbau aufwiesen sowie eine deutlich verringerte Substrathemmung zeigten. Aus den “High Performance Ion Chromatography” Analysen (HPIC) des Phytatabbaus der nativen Klebsiella-Phytase und der Mutanten konnten Rückschlüsse auf die Bedeutung einzelner Aminosäuren für die Substratbindung und daher auch auf den Hydrolysemechanismus gezogen werden. Ausserdem konnte auch gezeigt werden, dass der kombinierte Einsatz der effizienteren Phytasemutante mit der nativen AppA aus E. coli eine deutlich schnellere, vollständige Phytathydrolyse bewirkte und somit einen interessanten Aspekt für die Anwendung in der Tierernährung darstellt. / This work presents the analysis of the enzymatic function of histidine acid phosphatases (HAPs) exemplary studied on two enzymes: the phytase of Klebsiella sp. ASR1 (PhyK) and the glucose-1-phosphatse (AgpE) of Enterobacter cloacae. The AgpE belongs to the HAPs and shows lower catalytic activity for phytate. Besides biochemical analysis the structure of these two enzymes were solved. Binding of phytate and the inhibitor myo-inositolhexa sulfate at the active site of these enzymes were fitted according to the date obtained by co-crystallisations experiments. For the first time two district conformational states could be observed for a glucose-1-phosphatase (AgpE). The open and closed conformations as well as the structures were very similar to the well characterized AppA phytase of E. coli however bothe enzymes showed differences in catalytic efficiency. For this reason substitutions of amino acid within the active site were performed to change substrate spectra and specific activities. The substitutions of only two amino acids strongly changed the substrate spectrum and affected the further phytate hydrolysis by the AgpE. Extensive amino acid substitutions were performed for the phytase of Klebsiella sp. ASR1 as well. In this case phytase mutants with 20% higher specific phytase activities were generated. Besides that, the observed strong substrate-induced inhibitory effect on the phytase activity was lower in these mutants. The biochemical characterizations and high performance ion chromatography analysis (HIPC) of these phytase mutants allowed drawing conclusions of the importance of particular amino acid residues for substrate binding and substrate hydrolysis. Furthermore the combination of Klebsiella phytase mutant and AppA resulted in a more efficient phytate hydrolysis. This aspect offers an interesting possibility for usage of the Klebsiella phytase in livestock breading and animal feeding.