Post-transkriptionelle Genregulation ist ein zentraler Mechanismus, den lebende Organismen nutzen, um Funktionalität, Entwicklung und Anpassung zu gewährleisten. Defizite in diesem Mechanismus haben zahlreiche Krankheiten und Fehlfunktionen zur Folge. Post-transkriptionelle Genregulation wird von RNA-bindenden Proteinen (RBPs) ausgeführt. Ihr kombinatorisches Agieren ermöglicht eine genau abgestimmte Kontrolle räumlicher und zeitlicher Genexpression. Ein RBP erkennt seine Zielmoleküle typischerweise anhand sogenannter Bindemotive: Nukleotidsequenzen, die kompatibel sind mit einer Aminosäuretasche innerhalb des Proteins. Es gibt jedoch einen Sonderfall der Zielmolekülerkennung, der überRNAs, insbesondere microRNAs (miRNAs), vermittelt wird. miRNAs sind im Genom kodierte 20-25 Nukleotid lange RNAs, die in Argonaut (Ago)-Proteine geladen werden können, um diese zu ihren Zielmolekülen (z.B mRNAs) zu navigieren. Es wird angenommen, dass miRNA:Ago-Komplexe nahezu alle zellulären Prozesse kontrollieren. Dementsprechend werden miRNA-Fehlfunktionen (z.B. verursacht durch Mutation nur eines einzelnen Nukleotids in einer Bindestelle) mit zahlreichen Erkrankungen in Verbindung gebracht. Die Charakterisierung aller miRNA-Zielmoleküle („miRNA targetome“) ist eine der wichtigsten Fragen, die mithilfe der Systembiologie adressiert werden kann. / Post-transcriptional gene regulation is a key mechanism exploited by living organisms to ensure their functionality, development and adaptation. Deficiencies in this mechanism lead to various diseases and malfunctions. Post-transcriptional gene regulation is exerted by RNA-binding proteins (RBPs). Their combinatorial action allows fine-tuned control over spatial and temporal gene expression to meet the actual cell demands. An RBP typically recognizes its targets via so called binding motifs: nucleotide sequences compatible with an amino-acid pocket inside the protein. However, there is a special case of target recognition guided by RNAs. In particular, micro RNAs(miRNAs) – 20-25 nucleotide long transcripts encoded in the genome–can be loaded into Argonaute (Ago) proteins to navigate them to their target RNAs. It is estimated that miRNA:Ago complexes control virtually all processes occurring in the cell. Consequently, malfunctions in the miRNA pathway (including even a single nucleotide mutation in a binding site) are implicated in multiple disorders. Therefore, the characterization of the “miRNA targetome” is one of the most important questions addressed to the systems biology

Spezialisierung Theoretische Biologie / Obwohl die Krebstherapie im letzten Jahrhundert große Fortschritte gemacht hat, bleibt die Resistenz gegen medikamentöse Behandlungen ein großes Hindernis im Kampf gegen den Krebs. In dieser Arbeit habe ich ein R-Paket namens STASNet entwickelt, das semi-quantitative Modelle der Signaltransduktion aus Signalisierungs-Störungsantwortdaten unter Verwendung von Least Square Modular Response Analysis-Modellen generiert. Um zu untersuchen, wie gut STASNet die Aktivität von Signalwegen quantifizieren kann, haben wir Perturbationsdaten von einem Paar isogener Darmkrebszelllinien mit und ohne SHP2-Knock-out, einem bekannten Resistenzmechanismus bei dieser Krebsart, verwendet. Ich habe dann untersucht die Resistenz gegen die MEK- und ALK-Hemmung beim Neuroblastom, einem pädiatrischen Krebs mit schlechter Prognose. Ein Wirkstoffscreening zeigte, dass der MEK-Inhibitor Selumetinib ein Panel von Neuroblastom-Zelllinien in drei sensitive und sechs resistente Zelllinien trennte, dass konnte nicht mit einzelnen molekularen Markern erklärt. STASNet-Modelle zeigten, dass die starke Resistenz gegen Selumetinib durch eine starke Rückkopplung von ERK auf MEK oder eine vielschichtige Rückkopplung sowohl auf MEK als auch auf IGF1R getrieben wurde. Aus dem Modell konnte eine kombinatorische Therapie abgeleitet werden, die auf MEK in Kombination mit entweder RAF oder IGF1R abzielt, je nach Art der in der Zelllinie vorhandenen Rückkopplungen. Schließlich ergab die Untersuchung der Wirkung von NF1-KO auf die Signalübertragung, dass der Verlust von NF1 den MAPK-Weg für die Liganden-induzierte Aktivierung hypersensibilisierte, aber das ERK-RAF-Rückkopplung störte. Die Erkenntnisse aus den in dieser Arbeit entwickelten Modellen werden somit dazu beitragen, personalisierte Kombinationen von Inhibitoren zu entwerfen, die als Zweitlinientherapie nach molekularer Untersuchung der Tumorreaktion auf die Erstbehandlung eingesetzt werden könnten. / Cancer therapy has seen immense progress over the last century but resistance to drug treatments remains a major obstacle in the war against cancer. I developed an R package named STASNet to generate models of signal transduction from signalling perturbation-response data using Least Square Modular Response Analysis models. I used these models to study how differences in signal transduction relate to drug resistance and can be used to make predictions about resistance mechanisms and optimal treatments. To show how STASNet can accurately quantify the activity of signalling pathways, I used perturbation data from a pair of isogenic colon cancer cell line with and without SHP2 knock-out, a known resistance mechanism in this cancer type, which showed that MAPK signalling is more affected by SHP2 knock-out than PI3K signalling, confirming the role of SHP2 as a primary MAPK component. I investigated resistance to MEK and ALK inhibition in neuroblastoma, a pediatric cancer with a dismal prognosis. The MEK inhibitor Selumetinib separated a panel of neuroblastoma cell lines into three sensitive and six resistant cell lines that could not be explained with individual molecular markers. STASNet models trained on perturbation-response data from these cell lines revealed that the strong resistance to Selumetinib was driven by a strong feedback from ERK to MEK or a multi-layered feedback to both MEK and IGF1R. This was confirmed by phosphoproteomics and suggested a therapy targeting MEK in combination with either RAF or IGF1R depending on the type of feedback present in the cell line that was confirmed experimentally. Finally, studying the effect of NF1-KO on signalling revealed that the loss of NF1 hyper-sensitized the MAPK pathway to ligand-induced activation but disrupted the ERK-RAF feedback. Those insights to design personalized combinations of inhibitors that could be used as second line therapy after molecularly monitoring the tumor response to the initial treatment.

Das plastidäre Genexpressionssystem höherer Pflanzen ist hochkomplex und differiert beträchtlich von dem prokaryotischer Vorfahren. Jeder einzelne Schritt der RNA-Prozessierung und Translation ist abhängig von nukleär kodierten, posttranslational in den Chloroplasten importierten Proteinen, insbesondere RNA-Bindeproteinen, wie den chloroplastidären Ribonukleoproteinen (cpRNP). Ein wichtiger und im Fokus dieser Arbeit stehender Vertreter ist CP29A, welcher ein breites Bindespektrum aufweist und in vivo mit einer Vielzahl von Transkripten interagiert. Frühere Studien belegen dennoch, dass ein Knockout von CP29A unter Standardkultivierungsbedingungen nicht in einem makroskopisch vom Wildtyp differierenden Phänotyp resultiert. Unter Kältestress hingegen ist CP29A für die Entwicklung photosynthetisch aktiver Chloroplasten essenziell. Zur tiefergehenden Charakterisierung der molekularen Funktion von CP29A wurde in der vorliegenden Arbeit eine genomweite Transkriptomanalyse der cp29a-Mutante durchgeführt. Es konnte erstmals gezeigt werden, dass CP29A bereits unter Standardkultivierungsbedingungen das Spleißen vieler plastidärer Introns unterstützt. Kälteinduziert weist das phänotypisch auffällige Gewebe der cp29a-Mutante eine globale Beeinträchtigung der Genexpression sowie massive Defekte der plastidären mRNA-Prozessierung auf. Da die Funktionalität von Proteinen substanziell von ihrer Lokalisation abhängig ist, wurden antikörperbasierte mikroskopische Lokalisationsstudien durchgeführt. Diese dokumentieren, dass CP29A kältestressinduziert zu dynamischen Granula lokalisiert, welche separiert von den plastidären Nukleoiden vorliegen und mit einem häufig in stressinduzierten Granula detektierten Protein kolokalisieren. / The plastid gene expression system in higher plants is highly complex and differs significantly from the gene expression system of the prokaryotic ancestors. Each individual step of RNA-processing and translation is dependent on nuclear-encoded RNA-binding proteins, such as chloroplast ribonucleoproteins (cpRNP), which are imported post-translationally into the chloroplast. An important representative is CP29A, which has a broad binding spectrum and interacts with a large number of transcripts in vivo. Earlier studies show that, while a knockout of CP29A under standard-cultivation-conditions does not result in a macroscopically different phenotype, under cold stress conditions CP29A is essential for the development of photosynthetically active chloroplasts. For a more detailed characterization of the molecular function of CP29A, a genome-wide transcriptome analysis of the cp29a mutant was carried out. It could be shown for the first time that CP29A already supports the splicing of many chloroplast introns under standard-cultivation-conditions. Cold-induced the phenotypically noticeable mutant tissue shows a global impairment of gene expression and massive defects in plastid mRNA processing. Since the functionality of proteins is substantially dependent on their localization, antibody-based microscopic localization studies were carried out. They reveal that cold stress-induced CP29A localizes to dynamic granules, which are separate from the plastid nucleoids and colocalize with a protein commonly detected in stress-induced granules.

Anaplastisch-großzellige Lymphome (ALCL) repräsentieren eine Untergruppe der peripheren T-Zell-Lymphome und können über das Vorhandensein einer Translokation, die das ALK-Gen betrifft, in ALK-positive und ALK-negative ALCL unterteilt werden. Präliminäre Daten implizieren eine starke Expression des Transkriptionsfaktors IRF4 bei ALCL-Patientenproben, unabhängig des ALCL-Subtyps. Allerdings war die Rolle von IRF4 bei der Pathogenese des ALCL bislang wenig verstanden. In unserer Studie konnten wir zeigen, dass eine shRNA-vermittelte Herunterregulation von IRF4 Zytotoxizität im ALCL-Zelllinienmodell induziert und in vivo das Tumorwachstum signifikant verlangsamt. Genexpressionsanalysen zeigten die globale Rolle von IRF4 im Genexpressionsnetzwerk des ALCL über die Deregulation essentieller zellulärer Prozesse, wie der Zellzykluskontrolle und der DNA-Reparatur, sowie bekannter onkogener Signalwege wie Notch oder MYC. Wir konnten zeigen, dass IRF4 direkt an der Expression des bekannten onkogenen Transkriptionsfaktors MYC beteiligt ist und bestätigten zusätzlich die Abhängigkeit der ALCL-Zelllinien von dessen Expression. Die pharmakologische Inhibierung von MYC führte zum Rückgang der Zellviabilität aller ALCL-Zelllinien. Zusammenfassend zeigen diese Resultate, dass die Expression von IRF4 essentiell für die Proliferation von ALCL-Zelllinien ist und dass die von IRF4 regulierte Expression von MYC ein vielversprechendes therapeutisches Ziel für die zukünftige Behandlung sowohl ALK-positiver als auch ALK-negativer ALCL-Patienten darstellt. / Anaplastic large cell lymphoma (ALCL) is a distinct entity of peripheral T-cell lymphomas. ALCLs can be divided into two subtypes with respect to the presence of translocations involving the ALK gene (ALK-positive and ALK-negative). It has been shown that the interferon regulatory factor 4 (IRF4) is highly expressed in both ALCL subtypes but its role in the pathogenesis of these lymphomas remained unclear. Our study reveals an addiction to the expression of IRF4 in cell lines of both ALCL subtypes. Furthermore, we were able to transfer this into an ALCL xenograft mouse model showing the significant impact of IRF4 deregulation on ALCL tumor growth in vivo. Gene expression profiling after IRF4 knockdown highlighted the function of IRF4 in anaplastic large cell lymphoma by significant downregulation of genes involved in essential cellular processes like cell cycle control and DNA repair as well as known targets of the oncogenic transcription factor MYC. We were able to identify MYC as a direct target of IRF4 in both ALCL subtypes and further studies revealed an addiction of ALCLs to MYC expression as well. Pharmacological inhibition of MYC was toxic to all tested ALCL cell lines, indicating that IRF4 and MYC signaling may represent promising targets for future therapies of patients diagnosed with anaplastic large cell lymphoma.

Der RAF-MEK-ERK-Signalweg steuert grundlegende, oftmals entgegengesetzte zelluläre Prozesse wie die Proliferation und Apoptose von Zellen. Die Dauer des vermittelten Signals wurde als entscheidener Faktor für die Steuerung dieser Prozesse identifiziert. Es ist jedoch nicht eindeutig geklärt, wie die verschiedenen früh und spät reagierenden Genexpressionsmodule kurze und lange Signale unterscheiden können und durch welche kinetischen Merkmale ihre Antwortzeit bestimmt wird. In der vorliegenden Arbeit wurden sowohl Proteinphosphorylierungsdaten als auch Genexpressionsdaten aus HEK293-Zellen gewonnen, die ein induzierbares Konstrukt des Proto-Onkogens RAF tragen. Hierbei wurde ein neues Genexpressionsmodul identifiziert, dass sich aus sofort induzierten aber spät antwortenden Genen zusammensetzt. Es unterscheidet sich in der Genexpressionsdynamik und Genfunktion von anderen Modulen, und wurde mit Hilfe mathematischer Modellierung experimenteller Daten identifiziert. Es wurde festgestellt, dass diese Gene aufgrund von langen Halbwertszeiten der vermitteltenden mRNA in der Lage sind spät auf das eingehende Signal zu reagieren und die Dauer des Signals in die Amplitude der Genantwort zu übersetzen. Trotz der langsamen Akkumulation und damit späten Antwortzeit, konnte aufgrund einer GC-reichen Promoterstruktur zunächst vermutet und mit Hilfe eines Markerverfahrens bestätigt werden, dass die Transkription dieser Gene instantan mit Beginn der ERK-Aktivierung startet. Eine vergleichende Analyse zeigte, dass das Prinzip der Signaldauer-Entschlüsselung in PC12-Zellen und MCF7-Zellen, zwei paradigmatischen Zellsystemen für die ERK-Signaldauer, konserviert ist. Insgesamt deuten die Ergebnisse der Untersuchung darauf hin, dass das neu identifizierte Genexpressionsmodul der Entschlüsselung der ERK-Signaldauer dient und das mRNA Halbwertszeiten sowohl hierfür, als auch für die zeitliche Abfolge der Genantwort eine entscheidende Rolle spielen. / The RAF-MEK-ERK signalling pathway controls fundamental, often opposing cellular processes such as proliferation and apoptosis. Signal duration has been identified to play a decisive role in these cell fate decisions. However, it remains unclear how the different early and late responding gene expression modules can discriminate short and long signals and what features govern their timing. Both protein phosphorylation and gene expression time course data was obtained from HEK293 cells carrying an inducible construct of the proto-oncogene RAF. A new gene expression module of immediate-late genes (ILGs) distinct in gene expression dynamics and function was identified by mathematical modelling. It was found that mRNA longevity enables these ILGs to respond late and thus translate ERK signal duration into response amplitude. Despite their late response, their GC-rich promoter structure suggested and metabolic labelling with 4SU confirmed that transcription of ILGs is induced immediately. A comparative analysis showed that the principle of duration decoding is conserved in PC12 cells and MCF7 cells, two paradigm cell systems for ERK signal duration. Altogether, the findings of this study indicate that ILGs decode ERK signal duration and that both decoding capacity and gene expression timing are governed by mRNA half-life.

Schaltkreise der Großhirnrinde von Säugetieren bestehen aus unterschiedlichen Zellarten, deren charakteristische Physiologie, Morphologie und Konnektivität die Verarbeitung eintreffender neuronaler Signale bestimmen. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde die zelluläre Spezialisierung zweier kortikaler Schaltkreise untersucht: einerseits die der Eingangsschicht oder Schicht 4 (Kapitel 2 bis 4) und andererseits die der Ausgangsschicht oder Schicht 5 (Kapitel 5). Der erste Teil der Dissertation umfasst drei Publikationen, welche die Verarbeitung von genitalen Berührungen in der kortikalen Schicht 4 von Nagern als Forschungsgegenstand haben. Die Arbeiten konzentrieren sich auf strukturelle Veränderungen während der Pubertät, da sich die Bedeutung genitaler Berührungen in dieser Zeit stark verändert. Die Erforschung des „Barrel Cortex“ führte zu der Erkenntnis, dass der somatosensorische Kortex eine topographische Repräsentation der Körperoberfläche enthält. Diese wird kurz nach der Geburt gebildet und weist danach kaum Veränderungen auf. Erstaunlicherweise vergrößert sich während der Pubertät der Bereich dieser Körperkarte, der genitale Berührungen verarbeitet. Dieser Prozess kann durch frühe sexuelle Berührungen beschleunigt werden. Im zweiten Teil dieser Dissertation wurde die kortikale Ausgangsstruktur untersucht. Diese ist von verschiedenen Projektionsneuronen besiedelt. Angesichts der drastischen Größenunterschiede dieser Projektionsneurone haben wir deren Genomgröße untersucht. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass einige außerordentlich große Projektionsneurone zusätzliche Kopien ihres gesamten Chromosomensatzes enthalten. Insgesamt wurden in dieser Dissertation zwei neue Formen zellulärer Spezialisierung in der Hirnrinde aufgezeigt: (i) Schicht 4 weist zelltypspezifische entwicklungs- und erfahrungsabhängige Veränderungen im Genitalfeld auf. (ii) Schicht 5 enthält Projektionsneurone, deren erstaunliche Zellgröße auf ein polyploides Genom zurückzuführen ist. / Functionally specialized circuits in the mammalian neocortex contain different neuronal cell-types, which process information depending on their physiology, morphology and synaptic connectivity. This doctoral thesis explores two functionally distinct cortical circuits, namely its input (Chapters 2 to 4) and output (Chapter 5) structures, layer 4 and layer 5 respectively. The first part of the thesis comprises three studies that examine the processing of genital touch in the cortical input layer, layer 4. We investigated how layer 4 and its inputs are structurally refined during puberty, a time when genital touch gains biological relevance. Earlier work from layer 4 of barrel cortex suggested that somatosensory cortex contains a topographic representation of the body surface. We find that the part of this body map that processes genital touch expands significantly during puberty and that this expansion could be advanced by the early experience of sexual touch. Our data further suggests that this expansion is not due to differences in the peripheral innervation of genitals. Finally, chronic imaging of excitatory neurons within layer 4 revealed cell-type specific functional and structural changes within genital cortex during puberty. The second part of this thesis focuses on the cellular specialization of the cortical output layer, layer 5, which contains different types of excitatory projection neurons. We investigated genomic differences as novel mechanism underlying projection neuron diversity. Our data suggests that some exceptionally large projection neurons may contain an increased DNA content, a phenomenon also referred to as polyploidy. Overall, this thesis highlights two novel instances of cellular specialization in the cortex: (i) Within the cortical input layer, we observed development and experience driven changes in the area which processes genital touch. (ii) Within the cortical output layer, we identified putatively polyploid projection neurons.

In diese Dissertation, Ich konzentriere mich insbesondere darauf, wie die Artbestimmung in der Gattung Eimeria mit der Wirtsspezifität bei Nagetierarten zusammenhängt. Zunächst bietet diese Arbeit eine Reihe von Methoden zur Beurteilung der Prävalenz auf der Ebene der Parasitenarten in Mus musculus. Als Ergebnis war es möglich, drei verschiedene Eimeria-Spezies zu identifizieren, Mäuse mit Doppelinfektionen zu erkennen und die artenspezifische Prävalenz in Abhängigkeit von der Wirtsdichte vorherzusagen. Zur Identifizierung von Eimeria spp. über verschiedene Wirtsarten hinweg wurde eine neuartige Hochdurchsatz-Multi-Locus-Genotypisierungsmethode etabliert und mit der auf zuvor etablierten Markern basierenden Einzelmarker-Genotypisierung verglichen. Dies bestätigte, dass die Art E. falciformis in einer einzigen Wirtsart, der Hausmaus, vorkommt. E. vermiformis und E. apionodes konnten jedoch nicht unterschieden werden, was auf eine einzige Art mit breitem Wirtsspektrum hindeutet. E. vermiformis und E. apionodes konnten jedoch nicht unterschieden werden, was auf eine einzige Art mit breiter Wirtsverwendung in einem phylogenetischen Artkonzept schließen lässt. Diese Ergebnisse zeigen, dass die hohe Wirtsspezifität, die traditionell für Eimeria-Parasiten angenommen wird, fragwürdig ist und dass die Identifizierung von Arten durch Wirtsassoziation vermieden werden sollte. Durch molekulare Amplifikation, Sequenzierung, Genotypisierung und phylogenetische Analyse war es möglich, Eimerien auf Artniveau zu identifizieren und die Wirtsspezifität in Isolaten aus natürlichen Systemen in Frage zu stellen. In einer breiteren Perspektive betonte diese Arbeit die Notwendigkeit, Strategien bei der Erkennung, Quantifizierung und Identifizierung von Parasiten zu standardisieren und zu kombinieren, um ein besseres Verständnis auf evolutionärer und ökologischer Ebene zu erlangen. / This PhD thesis combines different approaches for parasite identification to assess the diversity of parasites in natural systems. Particularly, I focus on how species identification in the genus Eimeria is linked to its host specificity in rodent species. First, this thesis provides a set of methods to assess prevalence at the species level in Mus musculus systems. The approach integrates morphological description with molecular methods for detection, niche approximation and phylogenetic reconstruction. As a result, three different Eimeria species were identified, mice with double infections were detected and species-specific prevalence were predicted to be host density-dependent. For identification of Eimeria spp. across different host species, a novel high-throughput multi-locus genotyping was established and compared with single-marker genotyping. The multi-locus genotyping approach provided a higher resolution to distinguish closely related Eimeria isolates. This confirmed the species E. falciformis to have a single host species, the house mice. However, E. vermiformis and E. apionodes could not be distinguished suggesting a single species with broader host usage in a phylogenetic species concept. These findings show that the high host specificity traditionally assumed for Eimeria parasites is questionable, and that identification of species by host association should be avoided. The approaches for identification of Eimeria spp. Developed here allowed differentiation of closely related isolates with indistinguishable morphology. Molecular amplification, sequencing, genotyping and phylogeny allowed the identification of Eimeria at species level and to question host specificity in isolates from natural systems. In a broader perspective, this work emphasised the necessity to standardise and combine strategies in parasite detection, quantification and identification to gain better understanding at an evolutionary and ecological level.

Diabetes ist ein weltweites Problem, das durch den Verlust oder die Dysfunktion der Insulin-produzierenden β-Zellen des Pankreas verursacht wird. In seltenen Fällen entsteht Diabetes durch eine Mutation in einem einzigen Gen. Diese monogenetischen Formen des Diabetes können zur Identifizierung neuer Regulatoren der β-Zellen-Entwicklung und -Funktion beitragen. In der vorliegenden Arbeit habe ich neue putative Diabetes-assoziierte Gene untersucht, die zuvor durch „Next-Generation“ Sequenzierung in einer Gruppe von Kindern und Jugendlichen mit idiopathischem Diabetes festgestellt wurden. Insbesondere analysierte ich neuartige Mutationsvarianten in Genen kodierend für Histone deacetylase 4 (HDAC4), Glioma-associated oncogene homolog 1 (GLI1) und Glioma-associated oncogene homolog 2 (GLI2). Basierend auf den folgenden Kriterien wurden diese Transkriptionsregulatoren zur weiteren funktionellen Analyse priorisiert: Genetische Information, Patientenphänotyp und Expressionsprofil der Kandidaten Gene in Mauspankreas-Vorläuferzellen. Um die Rolle der Varianten während der pankreatischen Zelltypspezifizierung zu untersuchen, nutzte ich die CRISPR-Cas9 Methode in Kombination mit Stammzellendifferenzierung. Im Detail generierte ich diverse Stammzellen mittels CRISPR-Cas9, die die Mutationsvarianten der Patienten trugen und differenzierte diese zu β-ähnlichen Zellen. Weitere in vitro und Transkriptionsanalysen zeigten, dass die Variante c.C4661T in GLI2 die Entwicklung der β-ähnlichen Zellen beeinträchtigte, was für eine genetische Prädisposition zur Entwicklung von Diabetes verantwortlich sein kann. Zusätzlich nutzte ich diese Plattform, um neue extrinsische Faktoren zu untersuchen und zeigte, dass die fördernde Rolle von HC toxin (HDAC Inhibitor) und SLIT3 (ROBO Ligand) konserviert ist. Zusammenfassend habe ich eine Differenzierungsplattform etabliert, um die Rolle von genetischen und extrinsischen Faktoren für die Entwicklung des Pankreas und/oder β-Zellen zu untersuchen. / Diabetes is a worldwide health problem caused by the loss or dysfunction of the insulin-secreting β-cells in the pancreas. Unelucidated forms of monogenic diabetes, arising from rare mutations in one single gene, represent invaluable models for identifying new targets of β-cell development and function. In this study, I focused on putative disease-associated genes for diabetes that have been previously identified by next-generation sequencing of a cohort of patients with puberty-onset diabetes. In particular, I investigated unique mutant variants in genes coding for Histone deacetylase 4 (HDAC4), Glioma-associated oncogene homolog 1 (GLI1) and Glioma-associated oncogene homolog 2 (GLI2). These transcriptional regulators were prioritized for functional analysis based on patient phenotype, expression level in pancreas progenitor cells and available genetic information. To investigate the role of the genetic mutant variants in pancreatic cell fate decisions and cell function, I used the CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeat)-Cas9 genome editing technology in combination with human induced pluripotent stem cell (iPSC)-directed β-cell differentiation. Employing these approaches, I established several patient-like iPSC lines carrying the identified heterozygous missense variants. Specifically, functional experiments and whole transcriptome analysis showed that the variant c.C4661T in GLI2 impairs human β-cell differentiation and β-cell function, which might be responsible for a genetic predisposition to develop diabetes. In addition, I used the same iPSC-based differentiation model system to study novel extrinsic factors, namely the HDAC inhibitor HC toxin and the ROBO ligand SLIT3 and uncovered their conserved role in enhancing human β-cell development. Taking together, I established a human iPSC differentiation platform to study critical genes and extrinsic factors that are necessary for human pancreas development and/or β-cells.

Das Herz eines Zebrafishs ist bemerkenswert, da es sich nach einer Verletzung vollständig regenerieren kann. Der Regenerationsprozess wird von Fibrose begleitet - der Bildung von überschüssigem Gewebe der extrazellulären Matrix (ECM). Anders als bei Säugetieren ist die Fibrose im Zebrafish nur transient. Viele Signalwege wurden identifiziert, die an der Herzregeneration beteiligt sind. Allerdings sind die Zelltypen, insbesondere Nicht-Kardiomyozyten, die für die Regulation des Regenerationsprozesses verantwortlich sind, weitgehend unbekannt. In dieser Arbeit haben wir systematisch alle Zelltypen des gesunden und des verletzten Zebrafischherzens mithilfe einer auf Mikrofluidik basierenden Hoch-Durchsatz- Einzelzell-RNA-Sequenzierung bestimmt. Wir fanden eine große Heterogenität von ECM-produzierenden Zellen, einschließlich einer Reihe neuer Fibroblasten, die nach einer Verletzung mit unterschiedlicher Dynamik auftreten. Wir konnten aktivierte Fibroblasten beschreiben und Fibroblasten-Subtypen mit einer pro-regenerativen Funktion identifizieren. Darüber hinaus haben wir eine Methode entwickelt, um die Transkriptomanalyse und die Rekonstruktion von Zell-Verwandtschaften auf Einzelzellebene zu kombinieren. Unter Verwendung der CRISPR-Cas9-Technologie führten wir zufällige Mutationen in bekannte und ubiquitär transkribierte DNA-Loci während der Embryonalentwicklung von Zebrafischen ein. Diese Mutationen dienten als zellspezifische, permanente und vererbbare “Barcodes”, die zu einem späteren Zeitpunkt erfasst werden konnten. Mit maßgeschneiderten Analysealgorithmen konnten wir dann Stammbäume der sequenzierten Einzelzellen erstellen. Mit dieser neuen Methode haben wir gezeigt, dass im sich regenerierenden Zebrafischherz ECM-produzierende Zellpopulationen entweder mit dem Epi- oder mit dem Endokardium verwandt sind. Zusätzlich entdeckten wir, dass vom Endokardium abgeleitete Zelltypen vom Wnt-Signalweg abhängig sind. / The zebrafish heart has the remarkable capacity to fully regenerate after injury. The regeneration process is accompanied by fibrosis - the formation of excess extracellular matrix (ECM) tissue, at the injury site. Unlike in mammals, the fibrosis of the zebrafish heart is only transient. While many pathways involved in heart regeneration have been identified, the cell types, especially non-myocytes, responsible for the regulation of the regenerative process have largely remained elusive. Here, we systematically determined all different cell types of both the healthy and cryo-injured zebrafish heart in its regeneration process using microfluidics based high-throughput single-cell RNA sequencing. We found a considerable heterogeneity of ECM producing cells, including a number of novel fibroblast cell types which appear with different dynamics after injury. We could describe activated fibroblasts that extensively switch on gene modules for ECM production and identify fibroblast sub- types with a pro-regenerative function. Furthermore, we developed a method that is capable of combining transcriptome analysis with lineage tracing on the single-cell level. Using CRISPR-Cas9 technology, we introduced random mutations into known and ubiquitously transcribed DNA loci during the zebrafish embryonic development. These mutations served as cell-unique, permanent, and heritable barcodes that could be captured at a later stage simultaneously with the transcriptome by high-throughput single-cell RNA sequencing. With custom tailored analysis algorithms, we were then able to build a developmental lineage tree of the sequenced single cells. Using this new method, we revealed that in the regenerating zebrafish heart, ECM contributing cell populations derive either from the epi- or the endocardium. Additionally, we discovered in a functional experiment that endocardial derived cell types are Wnt signaling dependent.

Ein Kennzeichen der Plasmodium-Infektion ist die Induktion von strukturellen Veränderungen der Membranen der Wirtszelle. Die Parasiten bilden sich Membranstrukturen im Zytoplasma der Wirtszelle aus. Die Maurersche Fleckung ist einer der am besten charakterisierten Struktur von Plasmodium falciparum, die für den Transport von Virulenzfaktoren an die Oberfläche der infizierten Erythrozytenmembran wichtig ist. Plasmodium berghei, eine Nagetier-infizierende Spezies, bildet ähnliche Strukturen aus, die als intra-erythrozytäre P. berghei induzierte Strukturen (IBIS) bezeichnet werden. In beiden Strukturen können Proteine gefunden werden, die für die Sequestrierung von infizierten roten Blutkörperchen innerhalb des Wirts verantwortlich sind. Zwei P. berghei Proteine, IPIS2 und IPIS3, sind im Leber- und Blutstadium der Infektion präsent. Im Blutstadium werden sie in die IBIS-Kompartimente exportiert. Das speziesübergreifende Vorkommen von IPIS2 und IPIS3 deutet darauf hin, dass sie konservierte Funktionen haben könnten, die für das intrazelluläre Wachstum von Plasmodium wichtig sind. Diese Arbeit beschreibt Rollen für beide Proteine an der Wirts-Parasit Schnittstelle während der Infektion. Um einen Einblick in die induzierten Veränderungen zu erhalten, wurde die Infektion von P. berghei in Abwesenheit von IPIS2 beziehungsweise IPIS3 charakterisiert. Darüber hinaus interessierte uns auch, wie sich die Orthologe von IPIS2- und IPIS3 in den Blutstadien von P. knowlesi verhalten. Darüber hinaus zeigt diese Arbeit, dass die Deletion von entweder IPIS2 oder IPIS3 zu leicht reduzierten Wachstumsraten der Parasiten im Blut infizierter Tiere führte und die Anzahl der zirkulierenden Schizonten im peripheren Blut erhöhte, während das Leberstadium unbeeinflusst blieb. Zusammengenommen deuten diese Daten darauf hin, dass IPIS2 und IPIS3 für den Wirtszell-Umbau erforderlich sind, der für die effiziente Sequestrierung von infizierten Erythrozyten aus dem Blutkreislauf verantwortlich ist. / One characteristic of Plasmodium infection is the induction of structural changes in the membranes of the host cell. The parasites form membrane structures in the cytoplasm of the host cell. Maurer's clefts are one of the best characterised structures of Plasmodium falciparum, which are important for the transport of virulence factors to the surface of the infected erythrocyte membrane. Plasmodium berghei, a rodent-infecting species, forms similar structures called intra-erythrocyte P. berghei induced structures (IBIS). In both structures, proteins can be found that are responsible for sequestering infected red blood cells within the host. Two P. berghei proteins, IPIS2 and IPIS3, are present in the liver and blood stages of infection. In the blood stage, they are exported to the IBIS compartments. The cross-species presence of IPIS2 and IPIS3 suggests that they may have conserved functions important for Plasmodium intracellular growth. This work describes roles for both proteins at the host-parasite interface during infection. To gain insight into the induced changes, infection of P. berghei was characterized in the absence of IPIS2 and IPIS3, respectively. Furthermore, we were also interested in how the orthologues of IPIS2- and IPIS3 behave in the blood stages of P. knowlesi. Furthermore, this work shows that deletion of either IPIS2 or IPIS3 resulted in slightly reduced parasite growth rates in the blood of infected animals and increased the number of circulating schizonts in the peripheral blood, while the liver stage was unaffected. Taken together, these data suggest that IPIS2 and IPIS3 are required for host cell remodeling, which is responsible for the efficient sequestration of infected erythrocytes from the bloodstream.