Bakterien haben eine Vielzahl an Strategien entwickelt, um sich an ständig wechselnde Umweltbedingungen anzupassen, darunter auch post-transkriptionelle regulatorische Mechanismen. Die Genexpression kann hierbei durch gezielten Abbau oder Stabilisierung von RNA durch Ribonukleasen (RNasen) reguliert werden. RNasen weisen je nach Spezies allerdings unterschiedliche Effekte auf Genexpression und bakterielle Physiologie, sowie verschiedene Strategien der Substraterkennung auf. Dies zeigt, dass unser Verständnis des RNA-Abbaus bei weitem nicht vollständig ist. Ziel dieser Arbeit ist es, die Eigenschaften und Funktionen der endoRNase Y des humanpathogenen Bakteriums Streptococcus pyogenes zu studieren. Um Einblick in Funktion und Spezifität dieser RNase zu gewinnen, wurden deren genomweite Schnittpositionen (“targetome”) mit Hilfe von RNA-Sequenzierung identifiziert. Zur weiteren Analyse des RNase Y-abhängigen RNA-Abbaus wurde dieses Ergebnis mit dem “targetome” der drei 3′-5′-Exoribonukleasen (ExoRNasen) PNPase, YhaM und RNase R verglichen. Schließlich wurden die Anforderungen für die Prozessierung durch RNase Y und deren Rolle in der Regulation von Virulenzgenen in vivo anhand der speB mRNA, die einen wichtigen Virulenzfaktor codiert, untersucht. Wir konnten in dieser Arbeit zeigen, dass RNase Y Substrate bevorzugt nach einem Guanosin schneidet und dieses Nukleosid essenziell für die Prozessierung der speB mRNA in vivo ist. Obwohl RNase Y die speB mRNA schneidet, unterstützen die Daten ein Modell nach dem RNase Y die Expression von speB auf transkriptioneller Ebene reguliert. Mit Hilfe des “targetome”-Vergleichs konnten wir ferner zeigen, dass RNase Y den RNA-Abbau in S. pyogenes initiiert und die dabei generierten 3′-Enden der RNA hauptsächlich von den 3′-5′-exoRNasen PNPase und/oder YhaM prozessiert werden. Zusammenfassend erweitern diese Erkenntnisse unser Verständnis der Funktionalität von RNase Y und des RNA-Abbaus in Gram-positiven Bakterien. / Bacteria have developed a plethora of strategies to cope with constantly changing environmental conditions, including post-transcriptional regulatory mechanisms. With this regard, regulation of gene expression can be achieved by either the rapid removal or stabilization of RNA molecules by ribonucleases (RNases). RNases exhibit species-specific effects on gene expression, bacterial physiology and different strategies of target recognition, indicating that our understanding of the RNA degradation machinery is not yet complete. The aim of this thesis was to investigate the features and functions of endoRNase Y from the strict human pathogen Streptococcus pyogenes. To gain insight into the role and specificity of this RNase, we identified RNase Y cleavage positions (i.e. targetome) genome-wide by RNA sequencing. Next, to investigate the RNA degradation pathway depending on RNase Y, we compared the RNase Y targetome with the ones of the three 3′-to-5′ exoribonuclease (exoRNases), namely PNPase, YhaM and RNase R. Finally, to dissect the requirements for RNase Y processing and to decipher the role of RNase Y in virulence gene regulation, we studied the impact of RNase Y on speB mRNA, encoding a major virulence factor. This study reveals that RNase Y preferentially cleaves RNAs downstream of a guanosine and for the first time we were able to show that the presence of a guanosine residue is essential for the processing of speB mRNA, in vivo. Although RNase Y cleaves the speB mRNA, our data underpin a model in which RNase Y-mediated regulation of speB expression occurs at the transcriptional level. Using the targetome comparative approach, we demonstrated that RNase Y initiates RNA decay in S. pyogenes and that the RNase Y-generated RNA 3′ ends are usually further trimmed by PNPase and/or YhaM. Overall, these findings increase our understanding of RNase Y functionality and RNA degradation in Gram-positive bacteria.

Darmkrebszellen und T-Zellen regulieren ihren zentralen Kohlenstoffmetabolismus um ihren anabolen Bedarf zu erfüllen. Tumorzellen mit einer KRAS- oder BRAF-Mutation zeigen ein schnelles Wachstum, welches eine Umprogrammierung des Metabolismus vor aussetzt. Der mitochondriale T-Zellen-Aktivierungsinhibitor (TCAIM) ist bekannt dafür die mitochondriale Zellstruktur zu beeinflussen. Der Einfluss auf den Metabolismus nicht klar. In dieser Arbeit präsentiere ich erstmalig ein mathematische Model des zentralen Kohlen stoffmetabolismus in Darmkrebszellen und T-Zellen. Mithilfe dieses Modells analysiere ich, wie sich die Regulation in ähnlichen Zelllinien unterscheidet. In Bezug auf die Darm krebszellen vergleiche ich BRAF-(CaCO2-BRAFV600E), KRAS-(CaCO2-KRASG12V) mu tierte Zelllinien mit einer Basiszelllinie (CaCO2-control) und zeige, dass der Kohlenstoff metabolismus in BRAF-mutierten Zellen im Vergleich zu den beiden übrigen Zelllinien herabreguliert ist. Das Modell bestätigt außerdem, dass der Monocarboxylattransporter (MCT) in den Darmkrebszellen eine wichtige Rolle, insbesondere in den KRAS mu tierten Zellen, spielt. In T-Zellen zeigt der Vergleich von Wildtypzellen (CD8 T-Zellen) mit TCAIM homozygoten Zellen (TCAIM homozygote CD8 T-Zellen), dass der Kohlen stoffmetabolismus in zweiteren überwiegend herabreguliert und weniger aktiv ist. Diesen Effekt konnte ich durch die Analyse von RNASeq-Daten der jeweiligen Zelltypen bestä- tigen. Des Weiteren stelle ich fest, dass sich der Tricarbonsäurezyklus umkehrt, wenn durch die Glykolyse nicht ausreichend Laktat exportiert und die Biomasseproduktion unterstützt werden kann. Meine Arbeit stellt damit insgesamt einen neuartigen Ansatz zur Integration von Meta bolomik und RNAseq Daten dar, um die Regulation des zentralen Kohlenstoffmetabo lismus zu verstehen. / Colon cancer cells and T cells regulate central carbon metabolism to meet their anabolic needs. In KRAS and BRAF tumors, metabolic reprogramming is a premise to support rapid proliferation. In T cells, the mitochondrial T cell activation inhibitor (TCAIM) is known to affect mitochondrial morphology but its effect on cellular metabolism is not well understood. Via mathematical modelling, I investigate the differential regulation of closely related cell lines. I present the first mathematical model for colon cancer and T cell metabolism, unraveling differential regulation between related cell lines. The model shows that CaCO2-BRAFV600Ecells are mostly downregulated compared to CaCO2-KRASG12Vand CaCO2-control. Additionally, it demonstrates the critical role of monocarboxylate transporter (MCT), especially for CaCO2-KRASG12V. Concerning T cells, I compare wild-type T cells to homozygous TCAIM T cells. This unveils that TCAIM homozygous cells have a mostly downregulated TCA cycle, validated by RNASeq data, and are less metabolically active than wild-type T cells. Furthermore, if the glycolytic flux is not sufficient to support lactate export and biomass production, the model reveals that the TCA cycle is reversed as it requires less regulation. Taken together, this work presents a novel approach to integrate data referring to metabolic and genetic regulation of metabolism. On this basis, we can now better discriminate the metabolic capacity of CaCO2-control, CaCO2-BRAFV600E, CaCO2-KRASG12V, wildtype CD8 T cells, and homozygous TCAIM CD8 T cells.

Der Sekretionsweg ist essenziell für die Funktion von Zellen und beginnt, wenn mRNAs, die für Membran- und Sekretionsproteine codieren, an das endoplasmatische Retikulum (ER) gebracht werden. Allerdings ist wenig darüber bekannt, inwiefern RNA-bindende Proteine zur Erkennung und Translation von ER lokalisierten mRNAs beitragen. In dieser Arbeit haben wir das humane RNA-bindende Protein HDLBP charakterisiert. Wir haben durch PAR-CLIP-, Zellfraktionierungs- und RNA-Seqeuenzierexperimente festgestellt, dass HDLBP an mehr als 80% aller ER lokalisierten mRNAs bindet. Analysen zu HDLBPs Bindungsmotiv haben gezeigt, dass HDLBP vorwiegend an ein CU-haltiges Motiv in der codierenden Sequenz (CDS) hauptsächlich von ER lokalisierten mRNAs bindet. Im Gegensatz dazu enthalten zytosolische HDLBP gebundene mRNAs weniger Bindungsstellen und diese treten sowohl in der CDS als auch in 3‘ untranslatierten Regionen auf. Dies zeigt, dass sich ER lokalisierte mRNAs von Zytosol lokalisierten mRNAs in ihrer Sequenzzusammensetzung hinsichtlich der HDLBP Bindungsstellen unterscheiden. Weitere Analysen des PAR-CLIP-Experiments ergaben, dass HDLBP mit RNA-Komponenten des Signalerkennungspartikels (SRP) und der 40S ribosomalen Untereinheit interagiert. Durch BioID-Experimente haben wir Proteine in unmittelbarer Nähe zu HDLBP bestimmt und konnten damit die Assoziation von HDLBP mit Komponenten des Translationsapparates und des SRPs bestätigen. Funktionelle Studien, bei denen wir CRISPR-Cas9 erzeugte HDLBP Knockout (KO) Zelllinien in Kombination mit Ribosomen-Profiling verwendet haben, haben gezeigt, dass HDLBP die Translation von mRNAs fördert, die an HDLBP gebunden und am ER lokalisiert sind. Letztlich haben in vivo Experimente mit Nacktmäusen ergeben, dass HDLBP KO eine Abnahme der Lungentumorbildung verursacht, was die Relevanz von HDLBP für die Tumorprogression hervorhebt. Insgesamt zeigt unsere Arbeit eine generelle Funktion von HDLBP bei der Translation von ER lokalisierten mRNAs. / The secretory pathway is essential for proper cell functioning and starts when mRNAs encoding membrane and secretory proteins are targeted to the endoplasmic reticulum (ER). However, little is known about the contribution of RNA-binding proteins to the recognition, localization and translation of ER-localized mRNAs. In this work, we characterized the human RNA-binding protein HDLBP. We identified that HDLBP binds to more than 80% of all ER-localized mRNAs by PAR-CLIP, cell fractionation and RNA-sequencing experiments. Analysis of the HDLBP binding motif showed that it predominantly binds to a CU-containing motif and forms high affinity multivalent interactions primarily in the coding sequence (CDS) of ER-localized mRNAs. In contrast, we identified that cytosolic HDLBP mRNA targets show less HDLBP binding sites randomly distributed between the CDS or 3’ untranslated regions. This indicates that ER-localized mRNAs per se differ from cytosol-localized mRNAs in their sequence composition with regard to HDLBP binding sites. Further PAR-CLIP analysis revealed that HDLBP interacts with RNA components of the signal recognition particle (SRP) and the 40S ribosomal subunit. We identified by BioID experiments proteins in close proximity to HDLBP and confirmed the association of HDLBP with components of the translational apparatus and the SRP. Functional studies using CRISPR-Cas9 HDLBP knockout (KO) cell lines in combination with ribosome profiling demonstrated that HDLBP promotes the translation of its ER-localized target mRNAs. We validated this finding by pSILAC experiments and detected the corresponding decrease in protein synthesis of proteins encoded by mRNAs that are bound by HDLBP and ER-localized. Lastly, in vivo experiments with nude mice showed that HDLBP KO resulted in a decrease of lung tumor formation highlighting the relevance of HDLBP for tumor progression. Overall, these results demonstrate a general function for HDLBP in the translation of ER-localized mRNAs.

Die Prozesse, durch die Organismen an ihre Umwelt angepasst werden, und die zur Vielfalt der Organismen führen, sind Gegenstand evolutionsbiologischer Fragestellungen. Üblicherweise startet Artenbildung durch das graduelle Auftreten physischer Barrieren, welches dann in reproduktive Inkompatibilitäten und/oder ökologische Differenzierungen mündet. Obwohl die weltweite Biodiversität hauptsächlich durch wirbellose Organismen gestellt wird, sind diese in Studien zu Artenbildungsmechanismen unterrepräsentiert. Eine beeindruckende Evolutionsgeschichte von etwa 550 Millionen Jahren weisen die Mollusken auf, bei denen es zu einer dramatischen Variation der Körperbaupläne und einer enormen morphologischen Variabilität kam. Süßwassermollusken sind besonders als Studienobjekte geeignet, da sie ein durch natürliche Barrieren begrenztes Habitat bewohnen. Die Süßwasserschnecken der Gattung Brotia bilden einen Artenschwarm im Kaek River in Thailand und sind eine der wenigen bekannten Schneckenradiationen im Süßwasser. Brandt beschrieb zehn Brotia-Arten, dieser Befund wurde später auf sieben Arten begrenzt. Demnach unterscheiden sich diese Schnecken in der Morphologie ihrer Schale und bilden drei verschiedene Radulatypen aus. Die Analysen dieses integrierten evolutionssystematischen Datensatzes aus traditionellen und modernen morphologischen und genetischen Methoden deuten darauf hin, dass die Anzahl an Brotia-Arten noch kleiner ist als die vorherigen Studien vermuten ließen. Es finden sich jeweils zwei genetische Cluster am Oberlauf und am Unterlauf des Kaek River; mit einer Mischzone im Mittelauf. Eine Analyse der genetisch bestimmten Individuen dieser Cluster zeigte signifikante Schalenmorphologische Unterschiede. Weiterführende Studien müssen klären, ob diese durch genomische Untersuchungen aufgedeckten Cluster lediglich Populationen weniger, aber phänotypisch extrem diverser Brotia-Arten sind. / Evolutionary biologists try to untangle and explain two major features of the living world, viz. the process by which organisms adapt to their environment and the processes that lead to species diversity. Speciation might start by physical isolation, which can also be accumulative and further result in reproductive incompatibilities and/or ecological differences. Although invertebrates represent the majority of biodiversity they are underrepresented in speciation studies. The at least 550 million years of evolution within the phylum Mollusca have resulted in a dramatic variation in body plans and enormous morphological diversity, which makes them an ideal group for comparative studies of phenotypic diversity, speciation and radiation. Freshwater mollusc taxa are exceptionally suited for such studies because they inhabit an environment with clear boundaries that act as dispersal barriers. The Brotia species flock found along the Kaek River in northern Thailand is one of very few known radiations of gastropods in a riverine setting. The species were reported to exhibit distinct shell morphologies and radula types. The main objective of this study was to investigate this species swarm, potentially being a new system to study speciation and even adaptive radiation in invertebrates in a riverine setting. Morphology and ecology, inter- and intraspecific divergence of Brotia were investigated. The analyses of an integrated dataset found hints that the actual number of species might be substantially lower than expected. Both, mitochondrial and nuclear markers revealed a geographic structure separating headwaters from the lower river courses, with an area of admixture in between. Additionally, in both geographic areas two clusters were identified, which are significantly different in morphology. Future studies will have to determine whether these clusters are populations of originally only two, but now highly diverse Brotia species.

Im Vergleich zu anderen Krebsentitäten, konnten Patienten mit PDAC bisher kaum von Therapieerfolgen der Präzisionsmedizin profitieren. Um diese Problematik zu adressieren, habe ich eine umfassende molekularbiologische Studie durchgeführt, um prädiktive Biomarker zu identifizieren und die Risikostratifizierung der Patienten zu verfeinern. Mittels gen-spezifischer Sequenzierung und gezielter RNA-Expressionsanalyse wurden 293 R0-resezierte Patienten aus einer multizentrischen Phase-III-Studie untersucht. Ziel der klinischen Studie war der Vergleich von adjuvanter Chemotherapie mit Gemcitabin entweder mit oder ohne Zusatz von Erlotinib. Für meine Arbeit wurden die Patientenproben unter Verwendung einer nicht-negativen Matrixfaktorisierung (NMF) basierend auf ihren Einzelnukleotidvarianten (SNV) und ihren Kopienzahlveränderungen (CNA) gruppiert und auf klinische und molekularbiologische Unterschiede untersucht. Um die biologischen Hintergründe der identifizierten genetischen Besonderheiten zu verstehen, wurden anschließend Zelllinien genetisch modifiziert und in vitro modelliert. Es wurden 1086 SNVs und 4157 CNAs identifiziert. Dabei wiesen 99% aller Patienten mindestens eine genetische Veränderung auf, mit durchschnittlich 18 Aberrationen pro Patient. In Übereinstimmung mit früheren Berichten waren KRAS, TP53, CDKN2A und SMAD4 die am häufigsten betroffenen Gene. Alterationen in diesen Genen konnten in 63-93 % der Fälle nachgewiesen werden. Basierend darauf konnte ich fünf Patientengruppen identifizieren die sich in ihren biologischen Charakteristika unterscheiden und Angriffspunkte für gezielte Therapien bieten. Mittels NMF wurden zudem SMAD4alt MAPK9low als prognostische Biomarker für Erlotinib identifiziert. Anschließende in vitro Experimente zeigten, dass dies nicht auf eine Erhöhung der Erlotinib-Zelltoxizität zurückzuführen ist. Zuletzt definiere ich einen prognostischen Score der genutzt werden kann um das Überleben von R0-resizierten PDAC Patienten abzuschätzen. / In contrast to other cancer entities, PDAC patients have not benefited from recent improvements in precision medicine. To address this gap, I embarked on a comprehensive molecular study to identify predictive biomarkers and refine risk stratification. I performed targeted sequencing and targeted RNA expression analysis of 293 R0-resected patients from a multicenter phase III trial comparing adjuvant chemotherapy of gemcitabine with or without erlotinib. Patients were clustered using non-negative matrix factorization (NMF) based on their single nucleotide variant (SNV) and copy number alteration (CNA) statuses. Overall (OS) and disease-free survival (DFS) were analysed with the multivariate cox hazard and log rank tests. Finally, using a method based on CRISPR/Cas, findings from the patient cohort where modeled in vitro to assess their biological backgrounds. A total of 1,086 SNVs and 4,157 CNAs were found with at least one genetic alteration in 99% of all patients, and an average of 18 aberrations per patient. In line with previous reports, KRAS, TP53, CDKN2A, and SMAD4 were the most frequently affected genes, detected in 63–93 % of cases. In this thesis, I identified five biologically distinct patient subgroups with different actionable lesions that may serve for refined PDAC classification and tailored treatment approaches. NMF based clustering and subsequent differential expression analysis revealed SMAD4alt (SNV and/or CAN in SMAD4) MAPK9low (MAPK9 expression below median) as prognostic erlotinib biomarker. Modeling of SMAD4alt MAPK9low status in vitro showed that the effect is not based on increased erlotinib toxicity. Finally, I proposed a genetic risk score for prognostic evaluation of newly diagnosed R0-resected PDAC patients.

Die chloroplastidäre und mitochondriale Genexpression ist abhängig von einer großen Anzahl an RNA-Bindeproteinen (RBPs). Eine besonders abundante Familie sind die chloroplastidären Ribonukleoproteine (cpRNPs). Während Ziel-RNAs mehrerer cpRNPs und die Phänotypen entsprechender Mutanten beschrieben wurden, bleibt ihre molekulare Funktion weitgehend ungeklärt. In dieser Arbeit wurden Studien der cp29a Mutante durch genomweite Analysen erweitert. Diese legen nahe, dass die eigentliche Rolle von CP29A in phänotypisch erkennbarem Mutanten-Gewebe durch sekundäre Defekte maskiert wird. Um primäre Defekte zu identifizieren, wurden in vivo Bindestellen von CP29A mit einer neuen Chloroplasten-adaptierten Methode, die UV-Licht zur Quervernetzungen nutzt, bestimmt. Transkripte, die für Untereinheiten des Photosystem II und des Cytochrom-b6f-Komplexes kodieren, waren unter den Zielen von CP29A überrepräsentiert. Weiterhin wurden mehrere Bindestellen in Nachbarschaft zu Bindestellen von PPR-Proteinen identifiziert. Mit einer alternativen Methode, die chemische Quervernetzung nutzt, wurden Ziel-RNAs eines weiteren cpRNP, CP31A, identifiziert. Transkripte, die für Untereinheiten des NADH-Dehydrogenase Komplexes kodieren, waren überrepräsentiert. Diese Daten führten zu einer neuen Hypothese, die die Funktion von cpRNPs im Zusammenspiel mit PPR-Proteinen in der Prozessierung funktionell verwandter RNAs postuliert. Ein weiterer für die Genexpression relevanter Mechanismus ist die Bildung membranloser Kompartimente durch flüssig-flüssig Phasentrennung. Es wurde eine in silico Analyse durchgeführt, um organelläre Proteine mit Domänen, die auf flüssig-flüssig Phasentrennung hindeuten, zu identifizieren. Funktionen mit Bezug zu Genexpression, insbesondere RNA-Edierung, waren bei diesen Proteinen mit Prionen-ähnlichen Domänen (PLDs) überrepräsentiert. Zwei Kandidaten wurden auf ihre Neigung zur flüssig-flüssig Phasentrennung durch in vitro Experimente und in vivo Mikroskopie untersucht. / Gene expression in chloroplasts and mitochondria relies on a large number of RNA-binding proteins (RBPs), which are involved in the processing of polycistronic precursor transcripts. A particular abundant family are the chloroplast ribonucleoproteins (cpRNPs). While target RNAs and mutant phenotypes of several cpRNPs were described, insights on their molecular function remained sparse. In this thesis, analyses of cp29a mutants were extended by genome-wide transcriptome data, which suggest that in phenotypically noticeable mutant tissue the actual role of CP29A might be masked by secondary effects. To identify primary defects, in vivo binding sites of CP29A on its target transcripts were determined using a novel chloroplast-adapted approach using crosslinking by UV-light. Identified targets of CP29A are functionally enriched in mRNAs encoding subunits of the photosystem II and the cytochrome b6f complex. Moreover, several binding sites were identified in close proximity to characterized binding sites of PPR proteins. Using an alternative approach, employing chemical crosslinking, targets of another cpRNP, CP31A, were identified. Targets are enriched in genes encoding subunits of the NADH-like dehydrogenase complex. In combination, these data led to a novel hypothesis on the molecular function of cpRNPs working together with PPR proteins in the processing of functionally related RNAs. Another increasingly recognized mechanism in gene expression is the formation of membraneless organelles by liquid-liquid phase separation. An in silico screen for organellar proteins containing domains indicative of phase separation was performed. The identified set of proteins with prion-like domains (PLDs) is enriched in functions related to gene expression, particularly RNA-editing. Two selected candidate proteins were characterized for their propensity to undergo phase separation by in vitro phase separation assays and in vivo microscopy.

Künstliches Licht in der Nacht (ALAN) entsteht in Zentren menschlicher Aktivität und erhellt die Nacht, wodurch biologische Rhythmen von Menschen und Wildtieren gestört werden können. Skyglow ist eine diffuse Aufhellung des Nachthimmels aufgrund von Reflexion und Streuung von ALAN, welche indirekt große Bereiche (vor-)städtischer Ökosysteme beleuchtet. Da sich Zentren menschlicher Aktivität häufig in der Nähe von Flüssen und Seen befinden, kann sich Skyglow unverhältnismäßig stark auf wildlebende Tiere in Süßwassergebieten auswirken. In drei Experimenten wurden die Auswirkungen von ALAN auf die Physiologie des Europäischen Flussbarsches untersucht. Die Fische wurden verschiedenen Versuchsbedingungen ausgesetzt: 1) niedrige ALAN-Intensitäten von 0,01, 0,1 und 1 lx unter kontrollierten Bedingungen, 2) höhere ALAN-Intensitäten von 1, 10 und 100 lx unter kontrollierten Bedingungen und 3) eine niedrige ALAN-Intensität von 0,06 lx in einem Feldexperiment. In den vorgestellten Experimenten unterdrückten niedrige ALAN-Intensitäten den nächtlichen Melatoninspiegel sowie teilweise Reproduktionshormone bei Weibchen. Höhere ALAN-Intensitäten verringerten das aktivste Schilddrüsenhormon und das relative Lebergewicht der Fische. Diese Arbeit zeigt physiologische Veränderungen bereits bei schwachen ALAN-Intensitäten, wie sie in großen Bereichen (vor-)städtischer Ökosysteme in Form von Skyglow vorkommen. Die empfindlichste Reaktionsvariable auf die Belastung durch ALAN bei Fischen ist der nächtliche Melatoninspiegel. Mögliche Wirkungen von ALAN auf andere physiologische Parameter können durch direkten Lichteinfall oder indirekt über reduziertes Melatonin ausgelöst werden. Diese Arbeit trägt zum Verständnis der Schwellenwerte für verschiedene physiologische Effekte durch eine mehrwöchige ALAN-Exposition bei. Schwellenwerte für ALAN-Intensitäten könnten zukünftig notwendige Deskriptoren für die Ausarbeitung von regulierenden Maßnahmen zur Reduzierung von Lichtverschmutzung liefern. / Artificial light at night (ALAN) is emitted from centers of human activities and increasingly brightens up nights, which can disturb biological rhythms of humans and wildlife. Skyglow is a diffuse brightening of the night sky due to reflection and scattering of ALAN, which indirectly illuminates large areas of (sub-)urban ecosystems. As centers of human activities are usually located close to rivers and lakes, skyglow may disproportionally affect wildlife of freshwater. Three experiments tested for effects of ALAN on the physiology of Eurasian perch. Fish were exposed 1) to low nocturnal illuminances of 0.01, 0.1 and 1 lx under controlled conditions, 2) to higher nocturnal illuminances of 1, 10 and 100 lx under controlled conditions, and 3) to low nocturnal illuminance of 0.06 lx in a field experiment. In the presented experiments, low nocturnal illuminance suppressed nocturnal melatonin production and reduced reproductive hormones to some extent in females. Higher nocturnal illuminance reduced the most active thyroid hormone and reduced relative liver weight of the fish. This thesis shows physiological changes already at very weak intensities of ALAN, like they occur over large areas of (sub-)urban ecosystems in the form of skyglow. The most sensitive response variable to ALAN exposure is the nocturnal melatonin levels. Possible actions of ALAN on other physiological parameters can be either by direct perception of light or indirectly via reduced melatonin. This thesis contributes to an understanding of thresholds for several physiological effects caused by ALAN exposure of several weeks. Thresholds for ALAN intensities could provide the necessary descriptors for elaborating regulatory measures to reduce light pollution in the future.

Durch Analyse der Subtraktion-cDNA Bibliothek einer humanen Lungentumor Zelllinie haben wir ein neues Mitglied der S100 Genfamilie identifiziert und charakterisiert, welches S100A14 benannt wurde. Die vollständige cDNA hat eine Länge von 1067 bp und kodiert für ein Protein von 104 Aminosäuren, welches die S100-spezifische Kalzium-bindende Domäne enthält. Das Gen wird in normalen humanen Epithelien ubiquitär exprimiert, zeigt jedoch Expressionsverluste in vielen Tumorzelllinien. Im Gegensatz zu Tumorzelllinien ist S100A14 auf mRNA- und Proteinebene in vielen humanen Primärtumoren stärker exprimiert, unter anderem in Lungen- und Brustkarzinomen. Um den Mechanismus der erhöhten S100A14 Expression in Lungen- und Brustkarzinomen zu verstehen, haben wir die Effekte des EGF (epidermal growth factor) und des TGF-alpha (transforming growth factor-alpha) untersucht. Beide Faktoren sind Liganden des ERBB Rezeptors und induzieren in der immortalisierten bronchialen Epithelzelllinie S100A14 Expression. Unter Verwendung spezifischer Inhibitoren konnte gezeigt werden, dass für die EGF-vermittelte transkriptionelle Induktion der ERK1/2 Signalweg (extracellular signal-regulated kinase) verantwortlich ist und eine de novo Proteinsynthese erfordert. Diese Ergebnisse unterstützend konnte immunhistologisch eine signifikante Korrelation zwischen der Überexpression von ERBB2 und S100A14 in primären Brustkarzinomen nachgewiesen werden. Phorbolester-12-Myristat-13-Acetat (PMA) verstärkte gleichfalls die S100A14 mRNA Expression in 9442 Zellen, was eine Regulation durch die Protein Kinase C (PKC) vermuten lässt. Die PMA-induzierte Expression von S100A14 wird ebenso wie die TGF-alpha/EGF-Induktion durch die Aktivierung des ERK1/2 Signalweges vermittelt. In Anbetracht der großen Bedeutung der ERK1/2 und PKC Signalwege in der Tumorentstehung und Tumorprogression ist zu vermuten, dass S100A14 über die aberrante Regulation dieser Signalwege an die maligne Transformation gekoppelt ist. / By analysing a human lung tumour cell line subtraction cDNA library, we have identified and characterized a novel member of the human S100 gene family that we designated S100A14. The full-length cDNA is 1067 bp and encodes a putative protein of 104 amino acids. The predicted protein contains the S100-specific EF-hand calcium-binding domain. The gene is ubiquitously expressed in normal human tissues of epithelial origin. S100A14 transcript was found to be down-regulated in many immortalized and tumour cell lines from diverse tissues. In contrast to the tumour cell lines, S100A14 shows up-regulation at the mRNA and protein level in many human primary tumours, including lung and breast carcinomas. To elucidate mechanisms whereby S100A14 expression is enhanced in lung and breast tumours, we studied the effects of epidermal growth factor (EGF) and transforming growth factor-alpha (TGF-alpha) on its expression. Both are ligands of ERBB receptor and induced S100A14 expression in the immortalized bronchial epithelial cells. By use of specific inhibitors, we found that EGF-mediated transcriptional induction of S100A14 involves extracellular signal-regulated kinase (ERK1/2) signalling and requires de novo protein synthesis. In support of these findings, we demonstrated by immunohistochemistry a significant correlation between ERBB2 and S100A14 protein overexpression in primary breast carcinomas. Our studies showed that the phorbol ester 12-myristate 13-acetate (PMA) increases S100A14 mRNA expression in immortalized bronchial epithelial cells suggesting regulation by protein kinase C (PKC). Similar to TGF-alpha/EGF induction, the PMA-induced S100A14 expression was also mediated by activation of the ERK1/2 signalling cascade. Considering the importance of the ERK1/2 and PKC signalling pathways in tumour development and progression we suggest that it is the aberrant regulation of these signalling cascades that couples S100A14 to malignant transformation.

Neu auftretende Viruskrankheiten zoonotischen Ursprungs stellen eine zunehmende Gefahr für die globale Gesundheit dar. Wie das unerwartete Auftreten von dem Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) Ende 2019 zeigte, gibt es allerdings trotz jahrelanger intensiver Forschung Verständnislücken, wo und wann mit Tieren assoziierte Krankheitserreger auftauchen, oder durch welche evolutionären Vorgänge diese Übertragungen möglich werden. Diese Arbeit befasst sich mit dem Thema der genetischen Adaptation von Viren bevor und nachdem ein Wirtswechsel stattgefunden hat und leistet damit einen Beitrag zum besseren Verständnis von Wirtswechselprozessen und ihren zugrundeliegenden Mechanismen. / Emerging viral diseases of zoonotic origin pose an increasing threat to global health. Despite intense research, we do not understand where and when animal-associated pathogens emerge, or by what evolutionary processes these transmissions become possible; best illustrated by the unexpected emergence of the Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) at the end of 2019. This thesis is concerned with the topic of viral genetic adaptation before and after cross-species transmissions, contributing to a better understanding of host switching processes and their underlying mechanisms.

Mutation des p53 Gen ist die häufigste genetische Veränderung in allen humanen Tumoren. Weit verbreitete p53 misssense-Mutationen heben die Tumor suppressive Funktion auf und führen zu gain-of-function Eigenschaften, die Tumorproliferation, Chemoresistenz, Angiogenese, Migration, Invasion und Metastasen fördern. In dieser Arbeit haben ich für drei solche Hotspot-Mutationen, p53R245Q, p53R246S und p53R270H, eine höhere Sensitivität gegenüber Behandlung mit Piperlongumine in p53-defizienten MEFs und Eµ-myc Lymphomzellen im Vergleich zur Kontrolle und den anderen drei Hotspot-Mutationen, p53R172H, p53G242S und p53R279Q, gefunden. Nachfolgend, haben ich entdeckt, dass Piperlongumine-induzierter Zelltod durch ROS Akkumulation über die Aktivierung von p38 und JNK, vermittelt wurde. Das Antioxidans N-acetyl-L-cysteine (NAC) oder p38/JNK Inhibitoren konnten vollständig oder teilweise Piperlongumine-induzierten Zelltod unterdrücken. Nach Behandlung mit Piperlongumine, haben die p53R245Q, p53R246S und p53R270H-Mutanten die Aktivierung von p21 inhibiert und so die Aktivierung und Funktion von NRF2, durch Piperlongumine induziert, blockiert, dass zu dem massiven Zelltod in Zellen mit diesen Mutationen beiträgt. Auf ähnliche Weise, verursachte der klinisch verwendete Inhibitor von Crm1, KPT-330, schweren Zelltod in p53-/- MEFs mit den p53R245Q, p53R246S und p53R270H-Mutationen. Folglich könnte Crm1 als potenzielles Target für Lymphome mit p53R245Q, p53R246S und p53R270H-Mutationen berücksichtigt werden. Zusammenfassend bekräftigen die Daten in dieser Arbeit das Phänomen, dass oxidativer Stress oder Crm1 Inhibitoren effektiv Zellen mit p53R245Q, p53R246S und p53R270H-Mutationen eliminieren können, mit niedriger Toxizität für Kontrollzellen. Demzufolge, könnten oxidativer Stress Signalwege oder Crm1 als potenzielle Angriffsziele für Lymphome mit p53R245Q, p53R246S und p53R270H-Mutationen dienen. / Mutation of the p53 gene is the most common genetic alteration among all human cancers. Prevalent p53 missense mutations abrogate its tumor suppressive function and lead to gain-of-function properties that promote cancer cell proliferation, chemoresistance, angiogenesis, migration, invasion, and metastasis. This doctoral thesis aims to identify the metabolic vulnerabilities of six p53 hotspot mutants in lymphomas. In this work, three hotspot mutants, p53R245Q, p53R246S and p53R270H, were more sensitive to piperlongumine treatment in p53-deficient MEFs and Eμ-myc lymphoma cells than the empty control and the other three hotspot mutants, p53R172H, p53G242S and p53R279Q. Thereafter, I found piperlongumine-induced cell death was mediated by ROS accumulation via the activation of p38 and JNK. Antioxidant N-acetyl-L-cysteine (NAC) or p38/JNK inhibitors could completely or partially suppress piperlongumine-induced cell death. Upon piperlongumine treatment, p53R245Q, p53R246S and p53R270H-mutant inhibited piperlongumine-induced activation of p21 and consequently attenuated the activation and function of NRF2 induced by piperlongumine, contributing to the massive cell death in cells harboring these mutants. Similarly, KPT-330, a clinical inhibitor of Crm1, also caused severe cell death in p53-/- MEFs harboring p53R245Q, p53R246S and p53R270H-mutant. This implied that Crm1 could be also considered as a potential target for lymphomas harboring p53R245Q, p53R246S and p53R270H-mutant. Taken together, data presented in this work underscore the phenomenon that exogenous oxidative stress or Crm1 inhibitor is effective in eliminating cells harboring p53R245Q, p53R246S and p53R270H-mutant with low toxicity to cells harboring the empty control, suggesting oxidative stress pathways or Crm1 as potential targets in lymphomas with p53R245Q, p53R246S and p53R270H-mutant.