Induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie mit Laserablation (LA-ICP-MS) wird zunehmend für die Einzelzellanalyse eingesetzt, jedoch wird eine weitere verbreitete Verbreitung durch den geringen Durchsatz behindert. Daher wurde in dieser Arbeit der Durchsatz von Einzelzellen-LA-ICP-MS untersucht und verbessert. Zunächst werden die beiden möglichen Ablationsmodi, Bildgebung und Einzelpunktanalyse (SSA), hinsichtlich ihrer analytischen Gütezahlen (Signal-Rausch-Verhältnis, Präzision, Genauigkeit, Durchsatz) verglichen. Hierfür wurden adhärente 3T3-Fibroblastenzellen mit zwei Metallfarbstoffen angefärbt und mit beiden Methoden mehrere Dutzend Zellen vermessen. SSA zeigte überlegene Eigenschaften hinsichtlich Durchsatz und Nachweisgrenzen. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass >400 Zellen analysiert werden müssen, um zufriedenstellende Statistiken für einen quantitativen Vergleich der Ergebnisse zu erhalten, was als zu mühsam befunden wurde. Daher wurde ein Einzelzellen-Arraying-Schritt integriert, um eine automatisierte LA-ICP-MS-Analyse zu ermöglichen. Hierfür wurden zwei Arrayingverfahren getestet: Zunächst wurde das mikrofluidische Arraying von Zellen getestet, jedoch verhinderte das Einklemmen von weichen PDMS-Chips eine erfolgreiche Anwendung, und eine Neugestaltung des Chips wäre erforderlich. Daraufhin wurde eine neuartige Technologie getestet, die auf dem Arraying von Tröpfchen in Verbindung mit der Bilderkennung von Zellen beruht, wobei ein Anordnungsdurchsatz von 550 Zellen pro Stunde und eine beispiellose Einzelzellengenauigkeit (> 99%) gefunden wurde. In einem Proof-of-Principle-Experiment wurde ein Zellarray von THP-1-Suspensionszellen mittels LA-ICP-TOF-MS analysiert und erstmals gleichzeitig endogene und exogene Isotope einzelner Zellen als Isotopen-Fingerabdrücke von Zellen mit Nachweisgrenzen von lediglich wenigen hundert attogramm. Schließlich wurden diese Ergebnisse mit der derzeit gebräuchlichsten Analysemethode Single-Cell (sc)-ICP-MS verglichen. / Laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) is increasingly used for single-cell analysis. However, a more widespread use of LA-ICP-MS in single cell analysis is hampered by its low throughput. Hence, in this work the throughput of single cell LA-ICP-MS was studied and improved. First, the two possible ablation modes, imaging and single spot analysis (SSA) of single cells using a large laser spot, are compared regarding their analytical figures of merit (signal to noise, precision, accuracy, throughput), as well as regarding ease of operation and data evaluation. For that, adherent 3T3 fibroblast cells were stained with two metal dyes and several dozen cells were measured using both modes. SSA showed superior characteristics regarding throughput and detection limits. Moreover, it was shown that >400 cells must be analyzed to reach satisfactory statistics for a quantitative comparison of results, which would have been too laborious. Thus, a single cell arraying step was integrated to enable automated LA-ICP-MS analysis. Two different arraying methods were evaluated: First, arraying via hydrodynamic front trapping of cells using a microfluidic device was tested, but clamping of soft PDMS-chips prevented successful arraying and it was concluded that a major redesign of the chip is necessary. Secondly, and a novel technology relying on a microdroplet arrayer in conjunction with image recognition of cells was tested and a moderate arraying throughput (550 cells per hour) and an unprecedented single-cell accuracy (>99%) was found. In a proof of principle experiment, a cell array of THP-1 suspension cells was analyzed using LA-ICP-TOF-MS and endogenic and exogenic isotopes of individual cells were detected for the first time simultaneously as isotopic fingerprints of cells with detection limits as low as hundred attogram. Finally, these results were compared to the currently more commonly used analysis method single-cell (sc)-ICP-MS.

Salmonella enterica gehört zu den gramnegativen Bakterien und ist der Erreger von verschiedenen Darmerkrankungen, von Gastroenteritis bis systemische Infektionen, und jährlich die Ursache für hunderttausende Todesfälle. In den letzten 30 Jahren wurden grundlegende Mechanismen der Invasion und des intrazellulären Wachstums von Salmonella gelöst: Salmonella verfügt über eine Reihe von Virulenzfaktoren (Effektorproteine), die mittels Typ-III-Sekretionssystemen (T3SS) zur molekularen Manipulation der Wirtszelle ausgeschüttet werden. Allerdings sind die Funktionen einiger dieser Effektorproteine nur unzureichend charakterisiert. Darüber hinaus hat die Rolle von RNA-Protein-Wechselwirkungen in bakteriellen Prozessen, einschließlich Infektionen, an Bedeutung gewonnen. Eine der am häufigsten verwendeten Techniken zur Untersuchung von Effektorproteinen ist der Gentamicin Protection Assay (GPA), eine einfache Methode, die den Salmonella-Infektionsprozess in vitro nachbildet. Da der GPA jedoch starken Schwankungen unterliegt und eine Endpunktmessungen darstellt, ist dieser unzureichend, wenn gleichzeitig mehrere Bedingungen oder zeitabhängige Dynamiken untersucht werden müssen. Um diese Einschränkungen zu umgeben, wurde InFluence entwickelt, eine Hochdurchsatz-Fluoreszenz-Mikroskopiemethode. Diese Methode ermöglicht Einblicke in die von Salmonellen besiedelten intrazellulären Nischen, und erwies sich als nützliches Instrument zur Charakterisierung von nicht nur von Effektorproteinen, sondern auch von Wirtsproteinen im Infektionsprozess. Darüber hinaus haben wir zur Entwicklung von TriPepSVM, einer Support Vector Machine (SVM), beigetragen. Dieser Algorithmus, der zusammen mit der AG Marsico (ICB - Helmholtz Zentrum München) entwickelt wurde, sagt RNA-Bindeproteine voraus, mithilfe von Tripeptiden in intrinsisch ungefalteten Regionen (IDR). 66 RBPs hat TriPepSVM in Salmonella vorausgesagt, wovon drei im Rahmen dieser Arbeit experimentell validiert wurden. / Salmonella enterica is a species of Gram-negative bacteria and the causative agent of enteric diseases, ranging from gastroenteritis to systemic infections, causing hundreds of thousands of deaths every year. In the last 30 years the basic mechanisms underpinning invasion and intracellular growth have been unravelled: Salmonella produces tens of virulence factors - termed “effectors” - which are secreted by two distinct Type III Secretion Systems (T3SS) for the hijacking of the host cell molecular machinery via protein-protein interactions. Although the biochemical activities of many effectors have been characterised, the functions of some have remained elusive. In addition, post-transcriptional regulation has emerged to prominence in bacteria, with RNA-protein interactions playing a pivotal role in many bacterial functions, including infection. One of the most frequently used techniques to study Salmonella effectors is the Gentamicin Protection Assay (GPA), a simple method which replicates the infection process in vitro; however, as GPA is subject to high levels of variation and only generates end-point measurements, the method can be inadequate when studying multiple conditions at once or following time-dependent dynamics. InFluence, a high-throughput, fluorescence microscopy-based analysis pipeline, was designed to address these issues. InFluence offered insights into the intracellular niches occupied by Salmonella, and proved to be a useful tool in assessing not only the contribution to the infection process of effectors, but that of host proteins too. In addition, we contributed to the development of TriPepSVM, a support vector machine-based (SVM) method developed with the Marsico group (Institute of Computational Biology (ICB) - Helmholtz Zentrum Munchen) for predicting RNA-binding proteins (RBPs) using tripeptides that are frequent in Intrinsic Disordered Regions (IDRs). TriPepSVM predicted 66 new RBPs in Salmonella, and three were experimentally validated.

In den letzten Jahren gab es Fortschritte im Verständnis der Gefäßbildung bei Ereignissen wie Keimen, Lumenbildung und Gefäßstabilisierung. Nach der Bildung eines primitiven Plexus ist die Gefäßoptimierung und hierarchische Umwandlung der morphologischen Gefäße in einen reifen Plexus durch vaskuläres "Pruning" wenig verstanden. Unterschiedliche Blutflussprofile in nebeneinander angeordneten Gefäßen können Asymmetrien in der Scherspannung verursachen, was die Zellmigration in Bereichen mit höherem Fluss fördert und die Destabilisierung von Segmenten mit geringem Fluss induziert. Diese Studie basiert auf der Hypothese, dass funktionelle Gefäßnetzwerke und Umbildung durch flussgesteuerte Endothelzellmigration ausgelöst werden. Wie die zelluläre Erfassung physikalischer Kräfte integriert ist, um Informationen zu übertragen und das Verhalten von Zellen zu modifizieren, ist noch unbekannt. Die Studie untersucht die Regulation und Koordination durch RhoGTPase-Signale während der kollektiven endothelialen Migration aufgrund von Flüssigkeitskräften. RhoGTPasen ermöglichen die räumlich-zeitliche Koordination, langfristige Anpassung an den Fluss und morphologische Umgestaltung. Beeinträchtigungen von RhoGTPasen zeigen Defekte bei Zellmigration und kollektiver Koordination in Umgebungen mit freiem Rand und strömungsgetriebener Migration. Die Studie erläutert den Einfluss der RhoGTPase-Regulation der Verbindungsdynamik in Verbindung mit der Aktinorganisation, die für die mechanische Kopplung und endotheliale Reaktionsfähigkeit erforderlich ist. Insgesamt betont die Studie die Relevanz der räumlich-zeitlichen RhoGTPase-Kontrolle und der Aufrechterhaltung der mechanischen Kopplung zwischen Strömung und Migration für die kollektive Koordination als Reaktion auf hämodynamische Kräfte. / In recent years, there have been significant advances in understanding how new vessels form during events like sprouting, lumen formation, and vessel stabilization. Yet, after the formation of a basic network, the crucial step of rearranging vessels into a mature structure, known as vascular pruning, needs further investigation. It's suggested that different blood flow profiles in nearby vessels create imbalances in shear stress, leading to cell migration toward higher flow regions, destabilizing low-flow segments, and causing the collapse of redundant segments. This study, in line with existing literature, proposes that functional vascular networks and remodeling result from the flow-driven migration of endothelial cells. However, how cells precisely sense physical forces to regulate their behavior and coordinate migration in response to flow remains unknown. I explore the regulation and coordination of Rho GTPases during collective endothelial migration under fluid forces. Rho GTPases' coordination allows long-term adaptation to flow and morphological remodeling. Impairments in Rho GTPases reveal defects in cell migration and collective coordination during free-edge and flow-driven migration. Finally, I explain how Rho GTPases' regulation influences junctional dynamics and actin organization, crucial for mechanical coupling and endothelial responsiveness to flow. Overall, this study emphasizes the importance of controlling Rho GTPases over time and maintaining mechanical coupling between flow and migration for collective coordination in response to fluid forces.

Über die letzten Jahre haben sich Einzelzelldaten als Trend in der Bioinformatik etabliert, was zu umfangreichen Datensätzen führte. Die Entwicklung von Analysemethoden für solche Daten hat jedoch nicht mit deren Produktion Schritt gehalten. Diese Arbeit befasst sich mit einigen Problemen, die beim Analysieren von Einzelzelldaten auftreten. Das zweite Kapitel enthält eine Analyse von scRNA-seq-Daten von Darmkrebspatienten und Organoiden. Es werden Entwicklungstrajektorien des Darms beschrieben. Anschließend werden Signalgradienten dieser Achsen charakterisiert, insbesondere MAPK- und WNT-Signale. Weiter wird gezeigt, wie RNA velocity basierend auf metabolischen labeling ähnliche Trajektorien in Organoiden aufzeigen kann. Schließlich werden Auswirkungen von Signalwegenhemmung auf die Entwicklungstrajektorien im Detail beschrieben. Das dritte Kapitel bietet einen noch nie dagewesenen Einblick in frühe Stadien von COVID-19 in der Lunge. Verwendete scRNA-seq Daten stammen aus Lungengewebeproben etablierter Hamstermodelle, die mehrere Spezies, SARS-CoV-2-Dosen und Zeitpunkte umfassen, und die ich mit entsprechenden Daten von menschlichen Patienten vergleiche. Für die Analyse zentraler Zelltypen, die den unterschiedlichen Krankheitsverläufen zugrunde liegen, wende ich post-hoc Interpretation auf sonst unzugängliche latent spaces von diffusionmaps an, die neue Einblicke in die zelluläre Pathogenese von COVID-19 bieten. Im letzten Kapitel stelle ich scperturb vor, die größte Sammlung von perturbierten Einzelzelldaten. Ich zeige, wie E-Statistik verwendet werden kann, um solche Daten auf statistisch fundierte Weise zu analysieren. Verzerrungen werden mittels eines neuen Term zur Korrektur der E-Distanz beseitigt. Anschließlich untersuche ich Robustheit der E-Statistiken für einige Analyseszenarien, wie die COVID-19 Daten aus vorherigen Kapitel. Schließlich leite ich Richtlinien für die experimentelle Planung von Einzelzell-Perturbationsstudien mit robuster Statistik ab. / In recent years, single-cell data has emerged as leading trend in bioinformatics, resulting in the generation of substantial datasets. However, development of analysis methods for single-cell data has not kept pace with its production, presenting challenges for analysts. This thesis addresses some of the most pressing issues encountered during the analysis of single-cell data. After a short introductory chapter, the second chapter deals with the problem of arranging single-cell transcriptomes based on biological trajectories, and how these correlate with signaling pathways, specifically those relevant as targets for potential treatments. This thesis demonstrates how RNA velocity based on metabolic labeling can recover similar trajectories in organoids, identifying WNT and MAPK as underlying signaling pathways for development in normal and colon cancer organoids. The third chapter provides an unprecedented view into early stages of COVID-19 in the lungs. For the analysis of key cell types underlying divergent COVID-19 outcomes I apply post-hoc interpretation methods to otherwise inaccessible latent spaces of diffusion maps, revealing new insights into the cellular pathogenesis of COVID-19. Used scRNA-seq data is derived from lung tissue samples of established hamster models, encompassing multiple species, varying SARS-CoV-2 doses, and time points, which I then compare to data from human patients. In the fourth chapter, I present scperturb, the largest collection of single-cell perturbation data. I show how E-statistics can be used to analyze such data in a statistically sound way. After introducing a new bias-correction term to the calculation of E-distances, I investigate the robustness of resulting E-statistics for various analysis scenarios, such as the COVID-19 data from the previous chapter. Finally, I derive guidelines for the experimental design of single-cell perturbation studies such that robust statistics can be achieved.

Das CCAAT/Enhancer-Binding-Protein α (C/EBPα) ist ein Transkriptionsfaktor, der das Zellschicksal des hämatopoetischen Systems bestimmt. C/EBPα reguliert die Selbsterneuerung hämatopoetischer Stammzellen und bestimmt die myelomonozytäre Zelldifferenzierung. C/EBPα besitzt zudem die Eigenschaft lymphoide Zellen in myeloischen Zellen zu transdifferenzieren. Die von C/EBPα induzierte lymphoid-myeloische Transdifferenzierung kann als Modellsystem dienen, um die Vorgänge der Linienfestlegung, der zellulären Plastizität sowie der Funktionen von C/EBPα in der Zelldifferenzierung und Leukämogenese zu untersuchen. C/EBPα ist ein unstrukturiertes Protein, das seine Funktionen durch wechselnde Proteininteraktionen ausübt. Intrinsisch unstrukturierte Proteine, wie C/EBPα, sind prädestiniert an schwachen, multivalenten und hochdynamischen Proteininteraktionen teilzunehmen. Solche Inter-aktionen werden hauptsächlich durch kurze lineare Motive der Protein-Primärstruktur vermittelt. Motiv-basierte Proteininteraktionen sind mit den herkömmlichen Methoden der Interaktom-Analyse schwer zu analysieren. Die Anwendung der neuartigen Biotin-Ligase basierten TurboID Methode mit schneller Enzym-Kinetik ermöglichte nun die Analyse eines dynamischen C/EBPα Interaktoms während der lymphoid-myeloiden Transdifferenzierung. Es wurde festgestellt, dass sich die Proteinexpression der meisten C/EBPα interagierenden Proteine während der Transdifferenzierung kaum änderte, trotz erheblicher Änderungen des C/EBPα Interaktoms, was eine Regulation durch alternative Mechanismen nahelegt. Es wurden mehrere epigenetische Komplexe gefunden, einschließlich Mediator, SWI/SNF und CAF-1, die als mögliche Verbindung zwischen Interaktom, Transkriptom, Chromatinstruktur und Phänotyp in Betracht gezogen werden können. / The CCAAT/enhancer binding protein α (C/EBPα) is a key lineage-instructive transcription factor in the haematopoietic system. C/EBPα regulates the self-renewal of haematopoietic stem cells and is one of the main determinants of myeloid commitment. C/EBPα induces transdifferentiation of B cells into myeloid cells. C/EBPα-induced lymphoid-myeloid transdifferentiation may serve as a model system to study lineage commitment and cellular plasticity as well as address open questions related to functions of C/EBPα in differentiation and leukaemogenesis. C/EBPα is an intrinsically disordered protein that exerts its functions through protein interactions. Intrinsically disordered proteins (IDPs) engage in highly dynamic, weak, and multivalent protein interactions, which are mediated by short linear motifs (SLiMs). SLiMs-based protein interactions are difficult to analyse by conventional methods of interactome analysis. However, to understand the connection between the C/EBPα interactome and its functions, analysis in the cellular context is required. The application of the novel biotin ligase TurboID with faster kinetics enabled the analysis of the dynamic interactome of C/EBPα in the process of lymphoid-myeloid transdifferentiation. For most of the interacting proteins, the protein level did not change, yet variable interactions were found, indicating regulated interactions. TurboID identified changes in the composition of the SWI/SNF complex during transdifferentiation, including the exchange of subunits specific for BAF and PBAF subcomplexes, Brg1 and Brm ATPases, and cell type-specific subunits. The analysis also identified the interaction pattern of the histone demethylase Kdm6b and functional assays confirmed its role in transdifferentiation. TurboID enabled the comparative analysis of the interactomes of C/EBPα isoforms and mutants, that alter the balance between differentiation and proliferation and its oncogenic functions.

Eukaryotische DNA ist in Chromatin verpackt, einem Komplex aus DNA und Proteinen. Das ermöglicht Transkriptionsregulation von Genen durch Modulation ihrer Zugänglichkeit. Histone sind evolutionär konservierte Chromatinproteine, die durch posttranslationale Modifikationen (PTMs) modifiziert sind. Das legt nahe, dass deren Primärstruktur und ihre PTMs funktionellen Beschränkungen unterliegen. Genetische Ansätze zur Entschlüsselung von Struktur-Funktions-Beziehungen für Histone waren auf Einzeller und D. melanogaster beschränkt. Das Histon-Ersatz-System in D. melanogaster, bei dem Histontransgene verwendet werden, um endogene Histone zu ersetzen, war nicht für systematische Untersuchung dieser Beziehungen ausgelegt. In meiner Arbeit habe ich die Funktion von Threonin 11 in Histon H3 (H3T11) untersucht, das phosphoryliert werden kann. Ich analysierte zwei Mutationen in H3T11 (H3T11A und H3T11E) und stellte fest, dass beide zur Derepression von Transposons führen. H3T11E hat in Gegenwart von Wildtyp-Histon H3 einen dominanten Phänotyp mit transkriptomweiten Folgen. Dazu gehören Induktion von Immun-Genen und Unterdrückung von mit DNA-Stoffwechsel in Verbindung stehenden Genen. Die Mutationen wurden unter der Prämisse charakterisiert, ein Analyse-Schema für eine große Anzahl von Histon-Ersatz-Stämmen zu entwickeln und Probleme zu identifizieren, die die Analyse beeinträchtigen. Dabei habe ich das Verfahren zur Erzeugung von Histon-Ersatz-Stämmen optimiert. Dazu gehören die optionale Verwendung größerer Histon-Transgene und zuverlässigere Produktion und optimierte Rekombinations-Strategie dieser. Ich habe das Klonierungsverfahren gestrafft und eine Plasmid-Bibliothek erstellt, die es erlaubt, 178 verschiedene mutierte Histon-H3-Transgene zu erzeugen. Mit den Änderungen am Produktionsschema, ist diese Bibliothek eine wertvolle Ressource und wird dazu beitragen, die Funktion von Histon H3 und seiner PTMs während der Entwicklung eines Vielzellers besser zu verstehen. / Eukaryotic DNA is packaged into chromatin, a complex composed of DNA and proteins. This enables transcriptional regulation of genes through modulation of their accessibility. Histones are chromatin proteins, modified by post-translational modifications (PTMs) and their sequences are conserved in evolution. This suggests functional constraints for the primary structure of histones and their PTMs. Genetic approaches to decipher structure-function relationships for histone proteins were restricted to unicellular organisms and D. melanogaster. The histone replacement system in D. melanogaster, which uses histone transgenes to replace endogenous histones, was not adapted for systematic interrogation of such relationships. Here, I investigated the function of threonine 11 in histone H3 (H3T11), which can be phosphorylated. I analyzed two mutations in H3T11 (H3T11A and H3T11E) and found that both lead to de-repression of transposable elements. I also found that H3T11E, has a dominant phenotype in the presence of wildtype histone H3 with transcriptome-wide consequences. These include induction of immune-related genes and repression of genes associated with DNA metabolism. I characterized both mutations under the premise of establishing an analysis scheme suitable for a large set of histone replacement strains and identifying problems that interfere with this analysis. As a consequence, I optimized the procedure to generate histone replacement strains. These include an option to incorporate larger histone transgenes, a more reliable production of transgenes and an optimized strategy to recombine them. I streamlined the cloning procedure and created a plasmid library allowing for the generation of 178 distinct mutant histone H3 transgenes. Together with my amendments to the production scheme, this library provides a valuable resource to the field and will help to better understand the function of histone H3 and its PTMs during the development of a multicellular organism.

Große Arterien spalten sich wiederholt und bilden so arterielle Bäume. Die Menge des Blutflusses bestimmt, welche Teilgefäße stabilisiert oder entfernt werden, weshalb arterielle Bäume normalerweise physisch voneinander getrennt sind. Manchmal formen sich aber kleine Gefäßverbindungen zwischen arteriellen Bäumen, Kollaterale, und bilden eine bedeutende Ausnahme vom Konzept der blutflussvermittelten Netzwerkoptimisierung. Die Funktion von Kollateralen und Mechanismen, die sie stabilisieren sind bisher nicht erforscht. Kollaterale sind von medizinischem Belang, da sie im Falle einer Gefäßverstopfung als natürlicher Bypass fungieren und so eine Ischämie effizient mildern. Ziel der vorliegenden Arbeit war, das grundlegende Verständnis über die Bildung und Stabilisierung von Kollateralen zu verbessern, indem die generelle Rolle von rabep2 während der Blutgefäßentwicklung untersucht wurde, einem Gen welches kürzlich mit unterschiedlicher Kollateraldichte und Schwere von Schlaganfällen bei Mäusen assoziiert wurde. In meinen Studien untersuchte ich auch RABEP1, ein Protein welches hohe strukturelle Ähnlichkeit mit RABEP2 aufweist, um zu verstehen ob beide Proteine ähnliche Funktionen in der Blutgefäßentwicklung haben. Ich nutzte Knock-downs von rabep1 und rabep2 im Zebrafisch und in HUVEC, um die Rollen der Gene in der Entwicklung und Stabilisierung vorhandener Gefäße zu untersuchen. Dabei fand ich heraus, dass beide Proteine für die ordnungsgemäße Bildung und den Erhalt von Blutgefäßen im Zebrafisch essenziell sind. Mithilfe des knock-down in HUVEC analysierte ich, welche zellulären Mechanismen des Endothels durch RABEP1 und RABEP2 kontrolliert werden und so die schweren vaskulären Defekte im Zebrafisch bedingen. Zusammenfassend zeigt meine Arbeit, dass ein penibles Gleichgewicht zwischen RABEP1 und RABEP2 Expression notwendig ist, um eine ordnungsgemäße Funktion der Endothelzellen und eine korrekte Entwicklung und Erhaltung des Blutgefäßsystems zu gewährleisten. / Major arteries form individual arterial trees by branching repeatedly. Vascular adaption through blood flow-mediated network remodelling removes vessel segments with poor flow, leading to physical separation of individual arterial trees. Sometimes small vessel connections between arterial trees, called collaterals, are formed and stabilized. Collaterals normally receive low levels of blood flow and therefore represent notable exceptions to the concept of blood-flow mediated network optimisation. The function of collaterals, and mechanisms that form and stabilize them, are not yet understood. Collaterals are of major clinical importance, as they can rapidly enlarge its diameter and act as natural bypass in case of occlusion, thereby efficiently temper the severity of ischemia. The present work aimed to advance the fundamental understanding of how collateral vessels are formed and stabilized, by investigating the role of rabep2 on the developing vasculature, a gene that has recently been associated with differences in collateral density and stroke severity in mice. In my approaches, I included RABEP1, which shares high structural similarity to RABEP2, to investigate whether both proteins share similar functions. I used knock-downs of rabep1 and rabep2, both in zebrafish and Human Umbilical Vein Endothelial Cell (HUVEC), to investigate their specific role during development and maintenance of blood vessels. With these approaches, I discovered that both proteins are essential for proper establishment and maintenance of the zebrafish vasculature. The knock-down in HUVEC helped me to dissect cellular mechanisms of endothelial cells in which RABEP1 and RABEP2 play crucial roles, in order to gain a deeper understanding of the mechanisms causing the severe defects in zebrafish vasculature. Together, I showed that a tight equilibrium of RABEP1 and RABEP2 expression is needed for proper function of endothelial cells and proper development and maintenance of the vasculature.

Dendritische Defekte vermitteln Störungen der Erregbarkeit, Modulation und Plastizität von Neuronen, die zur Entwicklung neurodegenerativer Krankheiten führen können. Eine Mutation des Transkriptionsregulators Zeb2 führt zur Entwicklung des Mowat-Wilson-Syndroms, einer Erkrankung, die mit kognitiven Störungen und einem erkennbaren Gesichtsphänotyp einhergeht. Obwohl kognitive Defekte häufig mit Defekten bei der Bildung des dendritischen Baums in Verbindung gebracht werden, wurde die Rolle von Zeb2 bei der dendritischen Entwicklung bisher nicht untersucht. Hier zeige ich, dass Zeb2-defiziente Neuronen in den oberen neokortikalen Schichten einen abnormalen dendritische Baum aufweisen. Außerdem führt der Verlust von Zeb2 zu einer Fehlorientierung des apikalen Dendriten in einer nicht senkrechten Ausrichtung zur Pia. Darüber hinaus habe ich die Signalwege analysiert, die an der Regulierung der Morphologie des Dendritenbaum stromabwärts von Zeb2 beteiligt sind, und zwar durch Deep Sequencing des Transkriptoms von Zeb2-defizienten und Wildtyp-Neokortices sowie durch Massenspektrometrie-Screens auf Veränderungen in der Expression von Zelloberflächenproteinen nach dem Verlust von Zeb2. Für die vielversprechenden Kandidaten habe ich ein in situ-Hybridisierungs-Screening bei E15,5 durchgeführt. Eine Reihe von Genen, die an der neuronalen Morphologie und an Membranproteinen beteiligt sind, darunter Neuropilin1 und Cadherin6, werden in Gehirnen mit Zeb2-Mangel überexprimiert. Insbesondere habe ich die Rolle der neuen nachgeschalteten Zielgene Nrp1, Cdh6 und Wnt5a analysiert. Ich verwendete shRNA von Nrp1, Cdh6 und Wnt5a in neuronale Zellkultur, um zu zeigen, dass Nrp1 und Wnt5a eine erhöhte dendritische Komplexität in den Zeb2-defizienten neuronalen Zellen fördern. Die Überexpression von Nrp1 in Neuronen der oberen Schicht in vivo mittels in utero Elektroporation ist ausreichend, um die dendritische Komplexität zu fördern. Darüber hinaus zeige ich durch in utero Elektroporation einer shRNA gegen Nrp1 in Zeb2-defiziente Tiere, dass die Unterdrückung von Nrp1 durch Zeb2 für die Unterdrückung exzessiver Verzweigungen während der Entwicklung erforderlich ist. Für die Ausrichtung des Dendritenbaum ist sie jedoch nicht erforderlich. Zusammengenommen zeigen diese Daten die wichtige Rolle des Zeb2-Gens bei der Entwicklung des korrekten Dendritenbaum von Neuronen und der Ausrichtung des apikalen Dendriten. / Dendritic defects mediate disturbances in the excitability, modulation and plasticity of neurons, which can lie at the cause of neurodegenerative diseases. Mutation of the transcriptional regulator, Zeb2, causes the development of Mowat-Wilson syndrome, a condition associated with cognitive defects and a recognizable facial phenotype. Although cognitive defects are often associated with defects in the formation of the dendritic tree, the role of Zeb2 in dendritic development had not been studied previously. Here, I show that Zeb2- deficient neurons in the upper neocortical layers have abnormal dendritic trees. Also, loss of Zeb2 results in the mis-orientation of the apical dendrite to a non-perpendicular orientation to the pia. Furthermore, I have analysed the signalling pathways involved in regulation of dendritic tree morphology downstream of Zeb2 by deep sequencing of the transcriptome of Zeb2-deficient and wildtype neocortices and mass spectrometry screens for changes in the expression of cell surface proteins upon loss of Zeb2. For the promising candidates, I have performed in situ hybridization screening at E15.5. A number of genes involved in neuronal morphology and membrane proteins, including Neuropilin1 and Cadherin6, become overexpressed in Zeb2- deficient brains. In particular, I analysed the role of the novel downstream target genes Nrp1, Cdh6 and Wnt5a. I used shRNA of Nrp1, Cdh6 and Wnt5a in cortical neuron cultures to demonstrate that Nrp1 and Wnt5a promote increased dendritic complexity in Zeb2-deficient neuronal cells. Overexpression of Nrp1 in upper layer neurons in vivo, using in utero electroporation, is sufficient to promote dendritic complexity. In addition, I show using in utero electroporation of an shRNA against Nrp1 into Zeb2-deficient animals, that repression of Nrp1 by Zeb2 is required for suppressing excessive branching during development. It is not needed however for the orientation of the dendritic tree. Taken together, these data show the important role of the Zeb2 gene in the development of the correct dendritic tree of neurons and the orientation of the apical dendrite.

Der adoptive Transfer von T-Zell-Rezeptor (TZR) modifizierten T-Zellen gegen krebsspezifische Antigene ist ein vielversprechender Ansatz in der Immuntherapie. Geeignete Zielmoleküle für diese Therapie sollten wichtig für das Überleben von Krebszellen sein und zudem in ausreichenden Mengen auf der Zelloberfläche exprimiert werden, um von T-Zellen erkannt zu werden. Die Identifizierung dieser Zielmoleküle ist jedoch eine Herausforderung und erfordert eine intensive Charakterisierung, um eine ausreichende Prozessierung und Präsentation auf den Tumorzellen zu validieren. Ziel dieser Arbeit war, HLA-A2-spezifische Neoepitope als Zielmoleküle für adoptive T-Zell-Therapie zu validieren. Dafür wurden erfolgreich Immunantworten in einem humanen transgenen Mausmodell nach Peptidimmunisierung induziert und TZRs mit hoher Affinität isoliert. Trotz einer hohen funktionellen Avidität von H3.3K27M-spezifischen T-Zellen wurde keine Erkennung von Tumorzellen erreicht. Zweitens wurden TZR-transduzierte T-Zellen gegen die häufige Melanommutation Rac1P29S isoliert, welche zytotoxisch gegen Melanomzelllinien waren. Letztlich wurde beobachtetet, dass TZRs mit hoher Affinität gegen gespleißte Kras und Rac2 Epitope, welche durch Proteasom-katalysiertes Peptidspleißen erzeugt wurden, keine Immunantwort gegen endogen exprimierte Mutationen hervorrufen konnten. Daraus lässt sich schließen, dass gespleißte Epitope wahrscheinlich seltener vorkommen als zuvor angenommen und daher möglicherweise irrelevant für die adoptive T-Zelltherapie sind. Diese Daten deuten darauf hin, dass die Auswahl von Zielmolekülen für die adoptive T-Zell-Therapie mit Hilfe reverser Immunologie auf der Grundlage von Bindungsalgorithmen und der Häufigkeit von Mutationen allein nicht ausreicht. Daher sind vor der Isolierung und Charakterisierung von TZRs zusätzliche Strategien wie z.B. die Analyse des MHC-Immunopeptidoms erforderlich, um die Auswahl geeigneter Zielmoleküle für die T-Zelltherapie zu verbessern. / Adoptive transfer of T cell receptor (TCR)-engineered T cells against tumour-specific neoantigens is a promising approach in cancer immunotherapy. Ideally, targeted antigens are crucial for cancer cell survival and are generated in sufficient amounts to be recognised by T cells. However, the identification of ideal targets remains challenging and requires intensive characterisation to validate sufficient antigen processing and presentation by the tumour cells. This thesis focused on the validation of HLA-A2 binding neoepitopes carrying the recurrent cancer mutations H3.3K27M, Rac1P29S, Rac2P29L or KrasG12V as targets for adoptive T cell therapy. After peptide immunisation, immune responses in a human transgenic mouse model were elicited and high-affinity TCRs successfully isolated. Although H3.3K27M-specific T cells showed high functional avidity, no recognition of cells endogenously expressing mutant H3.3 was achieved. Furthermore, a mechanism to target the common melanoma mutation Rac1P29S with a TCR raised against a heterologous mutation with higher peptide-MHC affinity was described. TCR-transduced T cells induced cytotoxicity against Rac1P29S expressing melanoma cell lines. Lastly, high-affinity TCRs specific for mutant Kras and Rac2 spliced epitopes generated by proteasome-catalysed peptide splicing were successfully isolated, however, TCR-transduced T cells did not induce an immune response against endogenously expressed mutant transgenes. The results indicate that spliced epitopes are probably less abundant than previously estimated and therefore may play a minor role in the generation of targets for adoptive T cell therapy. These data suggest that target selection using a reverse immunology approach based on binding algorithms and frequency of mutations alone is not sufficient. Thus, additional strategies to improve the selection of suitable targets such as the analysis of the MHC immunopeptidome are required prior to TCR isolation and characterisation.

Biolog:innen untersuchen häufig Pathways, Netzwerke von Interaktionen zwischen Proteinen und Genen mit einer spezifischen Funktion. Neue Erkenntnisse über Pathways werden in der Regel zunächst in Publikationen veröffentlicht und dann in strukturierter Form in Lehrbüchern, Datenbanken oder mathematischen Modellen weitergegeben. Deren Kuratierung kann jedoch aufgrund der hohen Anzahl von Publikationen sehr aufwendig sein. In dieser Arbeit untersuchen wir wie Text Mining Methoden die Kuratierung unterstützen können. Wir stellen PEDL vor, ein Machine-Learning-Modell zur Extraktion von Protein-Protein-Assoziationen (PPAs) aus biomedizinischen Texten. PEDL verwendet Distant Supervision und vortrainierte Sprachmodelle, um eine höhere Genauigkeit als vergleichbare Methoden zu erreichen. Eine Evaluation durch Expert:innen bestätigt die Nützlichkeit von PEDLs für Pathway-Kurator:innen. Außerdem stellen wir PEDL+ vor, ein Kommandozeilen-Tool, mit dem auch Nicht-Expert:innen PPAs effizient extrahieren können. Drei Kurator:innen bewerten 55,6 % bis 79,6 % der von PEDL+ gefundenen PPAs als nützlich für ihre Arbeit. Die große Anzahl von PPAs, die durch Text Mining identifiziert werden, kann für Forscher:innen überwältigend sein. Um hier Abhilfe zu schaffen, stellen wir PathComplete vor, ein Modell, das nützliche Erweiterungen eines Pathways vorschlägt. Es ist die erste Pathway-Extension-Methode, die auf überwachtem maschinellen Lernen basiert. Unsere Experimente zeigen, dass PathComplete wesentlich genauer ist als existierende Methoden. Schließlich schlagen wir eine Methode vor, um Pathways mit komplexen Ereignisstrukturen zu erweitern. Hier übertrifft unsere neue Methode zur konditionalen Graphenmodifikation die derzeit beste Methode um 13-24% Genauigkeit in drei Benchmarks. Insgesamt zeigen unsere Ergebnisse, dass Deep Learning basierte Informationsextraktion eine vielversprechende Grundlage für die Unterstützung von Pathway-Kurator:innen ist. / Biological knowledge often involves understanding the interactions between molecules, such as proteins and genes, that form functional networks called pathways. New knowledge about pathways is typically communicated through publications and later condensed into structured formats such as textbooks, pathway databases or mathematical models. However, curating updated pathway models can be labour-intensive due to the growing volume of publications. This thesis investigates text mining methods to support pathway curation. We present PEDL (Protein-Protein-Association Extraction with Deep Language Models), a machine learning model designed to extract protein-protein associations (PPAs) from biomedical text. PEDL uses distant supervision and pre-trained language models to achieve higher accuracy than the state of the art. An expert evaluation confirms its usefulness for pathway curators. We also present PEDL+, a command-line tool that allows non-expert users to efficiently extract PPAs. When applied to pathway curation tasks, 55.6% to 79.6% of PEDL+ extractions were found useful by curators. The large number of PPAs identified by text mining can be overwhelming for researchers. To help, we present PathComplete, a model that suggests potential extensions to a pathway. It is the first method based on supervised machine learning for this task, using transfer learning from pathway databases. Our evaluations show that PathComplete significantly outperforms existing methods. Finally, we generalise pathway extension from PPAs to more realistic complex events. Here, our novel method for conditional graph modification outperforms the current best by 13-24% accuracy on three benchmarks. We also present a new dataset for event-based pathway extension. Overall, our results show that deep learning-based information extraction is a promising basis for supporting pathway curators.