In der humanen Magenschleimhaut regulieren eine Vielzahl von Interaktionen zwischen verschiedenen Zellpopulationen die Verdauung und die Überwachung von Infektionen. Epithelzellen in der Schleimhaut differenzieren in spezialisierte Zelltypen, die schützenden Mukus, Magensäure, Verdauungsenzyme oder Hormone produzieren. Eine Infektion mit Helicobacter pylori kann die Gewebehomöostase fehlregulieren, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass an der Infektionsstelle ein Magengeschwür, ein Adenokarzinom oder letztendlich Magenkrebs auftritt. In dieser Arbeit wird die Entwicklung eines neuartigen in vitro Kulturmodells für humane primäre Magenepithelzellen, die sogenannte Mukosoidkultur, gezeigt. Die Mukosoidkulturen sind repräsentativ für Epithelbarrieren und rekapitulieren die meisten Funktionen der menschlichen Magenschleimhaut in vivo, einschließlich der Schleimproduktion, und ermöglichen eine langfristige und stabile Kultivierung von Epithelzellen sowie Infektionsstudien mit H.pylori. Mukosoidkulturen aus Corpus wurden verwendet, um die Nischenfaktoren zu untersuchen, die die Differenzierung von Oberflächenepithelzellen, Hauptzellen und Parietalzellen fördern. EGF erwies sich zusammen mit BMP/Noggin als ein wichtiger Regulator bei der Differenzierung. Stromazellen sind Teil der Lamina propria der Magenschleimhaut. Über die Wechselwirkung mit dem Epithel unter homöostatischen Bedingungen und bei bakteriellen Infektionen mit H.pylori ist nur sehr wenig bekannt. Die Co-Kultur von humanen primären Stromazellen des Magens mit Epithelzellen unter Verwendung des Mukosoidkultur-Modells zeigte die aktive Signalübertragung zwischen beiden Zelltypen auf. Darüber hinaus wurden Mukosoidkulturen erfolgreich mit H.pylori infiziert. Die Ergebnisse zeigen, dass Stromazellen aktiv mit Cytokin- und Chemokinexpression auf eine epitheliale Infektion reagieren. Gleichzeitig erhöhten Stromazellen die NFκB-gesteuerte Entzündungsreaktion in Epithelzellen. / In the human gastric mucosa, multiple interactions between different cell populations regulate digestion and surveillance of infections. Epithelial cells in the mucosa differentiate into specialized cell types to produce protective mucins, gastric acid, digestive enzymes or hormones. Infection with Helicobacter pylori dysregulates the tissue homeostasis increasing the chance to develop a gastric ulcer, adenocarcinoma or ultimately gastric cancer at the site of infection. In this thesis, the development of a novel in vitro culture model for human primary gastric epithelial cells, called the mucosoid culture, is shown. The mucosoid cultures are representative of epithelial barriers and recapitulate most of the functions of the human gastric mucosa in vivo, including mucus production, and allow long-term and stable cultivation of epithelial cells as well as infection studies with H.pylori. Corpus derived mucosoids were used to investigate the niche factors that promote the differentiation of foveolar cells, chief cells, and parietal cells. EGF was found to be a major regulator in differentiation together with BMP/Noggin. Stromal cells are part of the lamina propria of the gastric mucosa. Very little is known about the interaction with the epithelium under homeostatic conditions and during bacterial infections with Helicobacter pylori. The co-culture of human primary gastric stromal cells with epithelial cells using the mucosoid culture model demonstrated the active signaling between both cell types. Furthermore, mucosoid cultures were successfully infected with H. pylori. The results revealed that stromal cells actively respond to epithelial infection with cytokine and chemokine expression. Concurrently stromal cells increased the NFκB-driven inflammatory response in epithelial cells.

Die Haut ist das größte Organ des Menschen und stellt die primäre Barriere gegen Umwelteinflüsse und Pathogene dar. Eine Dysbalance der Hautbarriere birgt die Gefahr einer nachfolgenden Entzündungsreaktion. Bleibt diese bestehen, können sich Hautkrankheiten wie zum Beispiel die atopische Dermatitis (AD) entwickeln. Verschiedene Zytokine wie Thymic Stromal Lymphopoietin (TSLP) werden bei entzündlichen Hauterkrankungen eine bedeutende Rolle zugeschrieben. Die Bedeutung von TSLP wurde zunächst anhand mehrerer Knockout-Mausstämme untersucht. Hier zeigte sich, dass TSLPR-KO und TNF-TSLPR-DKO Mäuse im Gegensatz zu TNF-KO Mäusen keine bzw. weniger Zeichen einer Entzündungsreaktion in der Haut entwickeln. Die Rolle äußerer Einflüsse auf die TSLP-Produktion wurde anhand eines Irritationsmodells ebenfalls in Mäusen untersucht. Dabei führte die Hautirritation, ausgelöst durch Abtragen der oberen Hautschichten mittels eines Tesa-Abriss, zu einem signifikanten Anstieg von TSLP in der Haut?. Mit Hilfe von Agonisten und Inhibitoren konnte gezeigt werden, dass dieser Irritations-vermittelte TSLP-Anstieg über Interleukin-1 (IL-1) und Protease Activated Receptor 2 (PAR-2) vermittelt wird. In diesem Zusammenhang wurde auch gezeigt, dass die Aktivierung von IL-1- sowie PAR-2-abhängigen Signalwegen zu einer gesteigerten Aktivität des TSLP-Promotors führte. Die Untersuchung der Wirkung verschiedener Mastzellmediatoren auf die TSLP-Expression ergab, dass Tryptase, über die Aktivierung von PAR-2, der wichtigste Mediator für den Anstieg von TSLP nach der Degranulation von Mastzellen ist. Dieses Ergebnis wurde mittels verschiedener in vitro, in vivo und ex vivo Experimentalansätze belegt. So konnte in einem c48/80-abhängigen Degranulationsmodell in Mäusen gezeigt werden, dss PAR-2- sowie Mastzell-KO Mäuse im Vergleich zu Wildtypen nach Injektion von c48/80 signifikant weniger TSLP exprimierten. / The skin is the first line of defense against environmental or microbial pathogens. A deviation of the skin barrier homeostasis by any kind of insult can result in an inflammatory response. The inflammatory response in turn can promote the development of an eczemaincluding atopic eczema. Thymic stromal lymphopoietin (TSLP) due to its pleiotropic nature play an important role in inflammatory disorders. The major aim of this thesis was to better understand the underlying mechanisms of TSLP production in the context of skin irritation and mast cell (MC) mediators and their contribution in the development of atopic dermatitis (AD). The role of TSLP was studied using TSLPR-/- mice. The data show that TSLPR-/- and TNF-/-/TSLPR-/- mice were protected from AD development, by contrast TNF-/- mice exhibited severe AD. The role of exogenous triggers was studied using tape stripping mediated skin irritation mouse models. Skin irritation resulted in significant enhanced TSLP production. TSLP induction was identified to depend on interleukin (IL)-1 and protease activated receptor (PAR)-2 pathways proven by using exogenous activators or inhibitors of these pathways. Moreover, PAR-2 and IL-1 concomitantly promoted NF-κB binding to the human TSLP promoter which in turn resulted in an increased TSLP promoter activity. Additionally, the role of mast cell mediators in the context of TSLP induction was investigated. Tryptase turned out to be the trigger responsible for the enhanced TSLP response by activating the PAR-2 pathway. This finding was proven by employing in vitro, ex vivo and in vivo approaches. In detail PAR-2-/- and MC-/- mice were used in a compound 48/80 (C48/80) dependent MCs degranulation model. PAR-2-/- and MC-/- mice produced significantly less TSLP in comparison to control mice.

In der vorliegenden Arbeit sind unterschiedliche Kopplungsstrategien des natürlichen Photosystems I (PSI) aus Cyanobakterium Thermosynechococcus elongatus mit verschiedenen Elektrodenoberflächen sowie Interaktion mit Nanomaterialien und Enzymen bearbeitet worden. Zum einen wurde gezeigt, dass die Immobilisierung des PSI auf modifizierten mehr-wandigen Kohlenstoffnanoröhrchen zur funktionalen Photobiohybridelektrode führt. Dabei wurde das PSI mit der Elektrode elektrisch mit Hilfe eines Redoxproteins, Cytochrom c (cyt c), verknüpft. Das System (PSI-cyt c) wurde auch auf eine dreidimensionale Elektrodenoberfläche des Metaloxids Indiumzinnoxid (eng. ITO) übertragen. Hierbei wurde zusätzlich die TransparenzEigenschaft solcher Oberflächen ausgenutzt. Die Präparation solcher transparenter Elektroden wurde optimiert, um höhere Photoströme zu generieren. Weiterhin wurde eine neue Methode der elektrischen Kontaktierung des PSI mit der Elektrode etabliert. Hierfür wurden Fullerene eingesetzt. Durch erhöhte molekulare Effizienz wurde gezeigt, dass Fullerene effektivere Elektronvermittler zwischen PSI und der Elektrode sind als das cyt c. Zusätzlich wurden im Rahmen dieser Doktorarbeit die photokatalytischen Eigenschaften von PSI mit den biokatalytischen Eigenschaften des Enzyms humane Sulphit Oxidase (hSOx) kombiniert. Hierbei wurde das Enzym als ein alternativer und effizienter Elektronzulieferer für PSI eingesetzt. Ein drittes Protein, das cyt c, fungierte als elektrisches Bindeglied und sicherte die elektrische Kommunikation zwischen den katalytischen Proteinen im System und der Elektrode. Die Komplexität des PSI sowie seine Kommunikation mit anorganischen Nanomaterialien und anderen komplexen Biomolekülen, wie z.B. Enzymen, zeigt ein großes Potential des Einsatzes von PSI-basierter Biohybriden in den Biotechnologien der Zukunft. / In this thesis, different strategies for coupling of the natural complex photosystem I from the cyanobacterium Thermosynechococcus elongatus with different electrode surfaces, and the interaction of PSI with nanomaterials and enzymes has been investigated. First, it was shown that immobilization of PSI on modified multi-walled carbon nanotubes (MWNT) leads to a functional photobiohybrid electrode. Here, PSI has been electrically wired to the electrode via a redox-active protein, cytochrome c (cyt c). The system (PSI-cyt c) has been scaled up to the three-dimensional surface of a metal-oxide, indium tin oxide (ITO). Here, additionally the high transparency property of this material has been exploited. The new preparation procedure of such transparent electrodes has been optimized in order to achieve high pohotocurrents. Furthermore, a new method of electric wiring of the PSI with the electrode has been established. Here, fullerenes have been employed. The high molecular efficiency of such a system proves that fullerenes are more effective wiring agents between the PSI and the electrode as compared to the cyt c. Additionally, in this thesis the photocatalytic property of the PSI has been combined with the biocatalytic property of the enzyme human sulphite oxidase, hSOx. Here, the enzyme has been employed as an alternative electron supplier for PSI. The third protein, cyt c, acted as an electric wiring agent and ensured electric communication between both catalytic proteins of the system and the electrode. The versatility of the PSI as well as its communication with anorganic nanomaterials and biological molecules, e.g. such as enzymes, shows a great potential for use of PSI-based biohybrids in the future biotechnological applications.

Parasiten durchlaufen in ihrem Lebenszyklus morphologisch verschiedene Stadien. Die Kontrolle des Übergangs zwischen den Stadien kann die Transmission in einen neuen Wirt begünstigen. Bei vielen Parasiten ist unbekannt, welche Faktoren die Progression des Lebenszyklus beeinflussen. Der Ablauf kann genetisch prädeterminiert sein (kanalisiert) oder von äußeren Einflüssen abhängen (phänotypische Plastizität). Hier wurde die Progression des Lebenszyklus zweier Darmparasiten in Mäusen untersucht. Die Oozysten von Eimeria falciformis wurden quantifiziert und die Transkriptome von Parasit und Wirt wurden in Mäusen unterschiedlicher Immunkompetenz analysiert. Wenngleich erwartet wurde, dass die Immunantwort einen Stressor für das Pathogen darstellt, hatte die Immunkompetenz des Wirts keine Auswirkungen auf den Zeitpunkt der Oozystenausscheidung und das Transkriptomprofil des Parasiten. E. falciformis konnte nicht von der Immunschwäche des Wirtes profitieren; ist also hinsichtlich der Immunantwort des Wirts genetisch kanalisiert. In G. duodenalis wurde untersucht, inwiefern die Progression des Lebenszyklus, d.h die Trophozoitenreplikation bzw. die Zystenausscheidung, von Arginin abhängt. Die Replikation der Trophozoiten war nicht von Arginin aus der Nahrung abhängig; die Ausscheidung infektiöser Zysten war unter argininarmen Bedingungen jedoch verringert. Dies lässt vermuten, dass der Ablauf des Lebenszyklus von G. duodenalis, insbesondere die Enzystierung, an die Argininzufuhr gekoppelt ist. Die Umstellung des Metabolismus von G. duodenalis hin zur Produktion eines wichtigen Zystenwandbestandteils wird hier als mechanistische Verbindung zwischen ATP-Erzeugung aus Arginin in Nichtsäugetieren (Arginindihydrolase-Stoffwechselweg), verringerter Glykolyse und der Zystenwandsynthese erörtert. Somit könnte Arginin als Stimulus für phänotypische Plastizität bei der Enzystierung von G. duodenalis dienen. / Eukaryotic parasites have life cycles with morphologically distinct stages. Accurate timing of the conversion from one stage into another can be beneficial for transmission into a new host. Often little is known about determinants for such life cycle progression or the genes involved. Timing can be genetically pre-determined (canalized) or depend on exposure to a stimulus (phenotypic plasticity). Here, life cycle progression of two unicellular intestinal parasites was investigated in mice. For Eimeria falciformis, oocyst stage parasites were quantified, and parasite and host transcriptomes analyzed in differently immune competent hosts. Host immune response stimuli are expected to induce stress on the pathogen, but different host immune competences did not change the timing of oocyst shedding or influence parasite transcriptome profiles. E. falciformis was unable to benefit from hosts with weakened immune responses. It is therefore an example of a genetically canalized parasite with regards to host immune stimulus. In Giardia duodenalis, dependence on arginine for life cycle progression was investigated. The in vivo relevance for parasite replication is unknown. Trophozoite stage replication and cyst shedding were assessed in hosts fed normal and arginine-free diets. G. duodenalis did not depend on dietary arginine for trophozoite replication, but infective cysts were reduced in number under arginine-poor conditions. Dependence on arginine for life stage switching suggests that G. duodenalis could time progression by encysting upon arginine exposure. G. duodenalis metabolic reprograming to generate a major cyst wall component is discussed as a strategy to mechanistically link 1) non-mammalian ATP generation (arginine dihydrolase pathway) from arginine with 2) decreased glycolytic flux and 3) cyst wall generation. Therefore, arginine may be an external stimulus for phenotypic plasticity of encystation in G. duodenalis.

Eisen (Fe) liegt an vierter Stelle in der Fülle von Elementen in der Erdkruste, aber Fe-Mangel ist ein weit verbreitetes Problem bei Pflanzen und Tieren, da die Fe-Oxide unlöslich sind. Fe-Mangel führt zu einer Verringerung der Pflanzenproduktivität und am deutlichsten zu einer erhöhten Fe-induzierten Anämie beim Menschen. Es wurde angenommen, dass die Biofortifizierung von Fe ein praktischer Ansatz zur Verbesserung der Nährstoffqualität in Pflanzen und damit auch in Lebensmitteln oder Tierfutter ist. In dieser Arbeit wurden neue Strategien zur Erhöhung des Fe-Gehalts in der Modellpflanze Arabidopsis getestet. Vakuoläre Fe-Transportgene der VTL-Familie wurden in Kombination mit dem neu entdeckten Fe-Regulierungsprotein IMA1oder dem Fe-Bindungspeptid NAS3 überexprimiert. Zusammenfassend wurde gezeigt, dass die Überexpression von VTL1, 2, 3, 4 oder 5, IMA1 oder NAS3 mit erhöhtem Eisengehalt im Samen korreliert. Die Expression der Gene für die Aufnahme von Fe und die Homöostase bestätigten den erhöhten Fe-Gehalt in diesen überexprimierenden Pflanzen. Die doppelte Überexpression der VTL-Gene in Kombination mit IMA1 oder NAS3 führte zu keinem weiteren Anstieg des Fe-Gehaltes, der wahrscheinlich durch die Regulation der VTL-Gene durch IMA1-Expression und den Mangel an erhöhtem Nicotianamin im Fall von VTL5 / NAS3-Überexpressionpflanzen verursacht würde. Zukünftige Forschung sollte der Übertragbarkeit dieser Ergebnisse auf Kulturpflanzen gewidmet sein. / Iron (Fe) ranks fourth in an abundance of elements in the Earth’s crust, but Fe deficiency is a widespread problem in plants and animals because of the insolubility of Fe oxides. Fe deficiency leads to reduce plant productivity and most significantly to enhanced Fe-induced anemia in humans. Fe biofortification has been suggested to be a practical approach for improving the nutritional quality of plants for food or feed. In this work, we have tested new strategies for increasing Fe content in the model plant Arabidopsis. Vacuolar Fe transport genes of the VTL family (VIT1-like) were over-expressed in combination with the newly discovered Fe regulatory protein IMA1 (IronMan1) or the Fe-binding peptide NAS3. Over-expression of each of the five VTL genes (VTL1 – 5) led to an increased Fe content by 2- to 3-fold in Arabidopsis seeds. IMA1 was greatly induced under Fe deficiency. Over-expression of IMA1 resulted in an Fe deficiency response also in Fe-sufficient plants. Fe content was an increase by 3-fold in seed, leaves, roots, and seedlings of Arabidopsis. The expression of Fe uptake and homeostasis genes was greatly induced in over-expressing plants independent of the Fe supply compared to the wild type. Analyses of NAS3 OE plants showed that Fe content in seeds was increased approximately 2-fold compared to WT. In conclusion, we have demonstrated that single over-expression of VTL1, 2, 3, 4 or 5, IMA1 or NAS3 correlated with increased seed Fe. Expression of Fe uptake and homeostasis genes confirmed the increased Fe content in these over-expressing plants. Double over-expression of the VTL genes in combination with IMA1 or NAS3 resulted in no further increase in Fe likely caused by the regulation of the VTL genes by IMA1 expression and the lack of increased nicotianamine in the case of VTL5/NAS3 over-expressing plants. Future research should be dedicated to extending these findings to crop plants.

Der Herzmuskel muss sich einer dynamischen und sich mechanisch verändernden Umgebung anpassen. Die Mechanosignaltransduktion ermöglicht es Zellen mechanischen Kräfte zu erfassen und durch nachgeschaltete biochemische Signalkaskaden darauf zu reagieren. Obwohl verschiedene Gewebestrukturen und Proteine damit in Verbindung gebracht wurden, wie das Herz die mechanischen Kräfte wahrnimmt, ist unser Verständnis der kardialen Mechanosignaltransduktion unvollständig. Durch Dehnung aktivierte Ionenkanäle spielen eine wichtige Rolle bei der mechanosensitiven Autoregulation des Herzens. Um die funktionelle Rolle von PIEZO1 in Kardiomyozyten zu untersuchen, habe ich daher PIEZO1 in induzierten pluripotenten Stammzellen mittels Genomeditierung deletiert. Die PIEZO1-/- Zellen wurden dann in lebensfähige, herzähnlich schlagende Kardiomyozyten differenziert. In phänotypische Analysen der elektrophysiologischer Eigenschaften, Zellmorphologie und der herzähnlichen Schlagaktivität habe ich den Effekt der PIEZO1-deletion in genomeditierten Kardiomyozyten untersucht. Die Deletion von PIEZO1 zeigte zum ersten Mal, dass es PIEZO1-abhängige dehnungsaktivierte und Kalzium-Ströme in vom Menschen stammenden differenzierten Kardiomyozyten gibt. Dies legt nahe, dass PIEZO1 eine Rolle in der Mechanosignaltransduction in Herzzellen spielt. Darüber hinaus zeigte eine RNA-Sequenz Analyse, dass der Verlust von PIEZO1 in vom Menschen stammenden differenzierten Kardiomyozyten mit der Herunterregulation von Proteinen korreliert, die für die extrazellulärer Matrix von Bedeutung sind. Diese Daten unterstreichen die Rolle von PIEZO1 in Kardiomyozyten und legen seine Bedeutung für die Organisation und Struktur der extrazellulären Matrix nahe. / The cardiac muscle has to adapt in a highly dynamic mechanical environment. Mechanotransduction is the process that allows cells to sense the mechanical forces and respond by downstream biochemical signaling cascades. Although different tissue structures and proteins have been implicated in how the heart senses the mechanical forces, yet our understanding in cardiac mechanotransduction is incomplete. Stretch-activated channels (SACs) have been suggested to play an important role in the mechanosensitive autoregulation of the heart. PIEZO1 is a stretch-activated channel and has been involved in vascularization, erythrocyte volume homeostasis and regulation of the baroreceptor reflex, yet its role in cardiac mechanotransduction has not been described. To study the functional role of PIEZO1 in cardiomyocytes I have generated a PIEZO1 knockout (KO) human induced pluripotent cell (hiPSC) line using genome editing technology. The genome edited cells were then differentiated into viable, beating cardiomyocytes. Different phenotypic analyses were conducted, including the evaluation of electrophysiological characteristics, observation of cell morphology and beating activity of the genome edited hiPSC-derived cardiomyocytes. With this approach the aim was to gain more insight into PIEZO1 function in cardiomyocytes using a reliable, efficient and reproducible human cellular model system. For the first time PIEZO1-dependent calcium transients and stretch-activated currents were observed in hiPSC-derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs). This proposes a possible role of PIEZO1 as a cardiac mechanotransducer. Furthermore, RNA-seq analysis revealed that loss of PIEZO1 in hiPSC-CMs is associated with downregulation of the expression of extracellular matrix-associated proteins. These data highlight the role of PIEZO1 in cardiomyocytes and suggest its implication in extracellular matrix organization and structure.

Diese Arbeit untersucht die Auswirkungen von Cytochrom P450 (CYP)-produzierten Eicosanoiden auf das Pumpen des Pharynx im Nematoden Caenorhabditis elegans und deren funktionellen Vernetzung mit dem Wirken von Neurohormonen. Bei der Erforschung der CYP-Eicosanoid-Signalübertragung konzentrierte sich diese Arbeit hauptsächlich auf die Identifizierung und Charakterisierung von Schlüsselkomponenten, welche an der Regulation der pharyngalen Aktivität des Wurms beteiligt sind, insbesondere Regio- und Stereometaboliten von EPA und AA, Neurohormone (Serotonin und Octopamin) sowie relevante GPCR. Zunächst wurde der Einfluss einer Kurzzeitbehandlung mit CYP-Eicosanoiden und Neurohormonen auf die Bildung von freien CYP-Eicosanoiden im Wildtyp und in verschiedenen Mutantenstämmen analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass 17,18-EEQ die stimulierende Wirkung von Serotonin zeigt, während 20-HETE mit der hemmenden Wirkung von Octopamin überlappt. Darüber hinaus erhöhte Serotonin den freien 17,18-EEQ-Spiegel, während Octopamin selektiv die Synthese von Hydroxymetaboliten induzierte. Zweitens wurde die Stereodiskriminierung von 17,18-EEQ getestet, um das wirksame Enantiomer in der stimulierenden Funktion auf die Pharynxmuskelzellen zu identifizieren. Es wurde festgestellt, dass nur 17(R),18(S)-EEQ Beeinträchtigungen des pharyngalen Pumpens beheben konnte. Darüber hinaus wurden drei Mutantenstämme, die in verschiedenen Serotonin-GPCRs defekt sind, ser-1(ok345), ser-7(tm1325) und ser-7(tm1325)ser-1(ok345), ausgewählt, um zu entschlüsseln, welcher Rezeptor am CYP-Eicosanoid-Signaltransduktionsweg beteiligt sein könnte. Tatsächlich scheint SER-7 für die 17-18-EEQ-Effekte auf die Regulierung der pharyngalen Pumpaktivität von C. elegans erforderlich zu sein. Drittens wurde mit der Identifizierung eines GPCR des vorgeschlagenen Signaltransduktionsweges stromabwärts der CYP-Eicosanoid-Produktion begonnen. NMUR-2 wurde als potenzielles Kandidaten-GPCR-Gen ausgewählt. / This thesis investigated the effects of cytochrome P450 (CYP)-produced eicosanoids on the pharyngeal pumping in the nematode Caenorhabditis elegans and their cross-link with neurohormones. Within the framework of exploring CYP-eicosanoid signaling in C. elegans this work mainly focused on identifying and characterizing key components involved in worm’s pharyngeal activity, in particular regio- and stereoisomeric metabolites of EPA (eicosapentaenoic acid, 20:5 n-3) and AA (arachidonic acid, 20:4 n-6), neurohormones, (serotonin and octopamine) as well as the involvement of relevant GPCR (G protein-coupled receptors). Firstly, the impact of short-term treatment with CYP-eicosanoids and neurohormones on CYP-eicosanoid formation in wildtype and different mutant strains was analyzed. The results showed that 17,18-EEQ (17,18-epoxyeicosatetraenoic acid) mimics the stimulatory effect of serotonin while 20-HETE (20-hydroxeicosatetraenoic acid) overlapped with the inhibitory effect of octopamine. Moreover, serotonin increased free 17,18- EEQ levels, whereas octopamine selectively induced the synthesis of hydroxy-metabolites. Secondly, stereo-discrimination of 17,18-EEQ was tested to identify the effective enantiomer in the stimulatory function on pharyngeal muscle cells. Only 17(R),18(S)-EEQ was found to rescue impairments of pharyngeal pumping. Moreover, three mutant strains defective in different serotonin GPCRs, ser-1(ok345), ser-7(tm1325) and ser-7(tm1325) ser-1(ok345), were selected to decipher which receptor might be involved in the CYP-eicosanoid signaling transduction pathway. In fact, SER-7 seems to be required for the 17-18-EEQ effects on regulation of pharyngeal pumping activity in C. elegans. Third, the identification of a GPCR of the proposed signal transduction pathway down-stream of CYP-eicosanoid production was started. NMUR-2 was selected as a potential candidate GPCR gene.

Multi-Antigen-Komplexe wurden in der Vakzinologie als effizientes Modell genutzt, um eine breite Impfstoffabdeckung gegen mehrere Stämme desselben Pathogens zu erzielen. Hier werden die Ergebnisse zur menschlichen B-Zell-Reaktion auf einen Multi-Antigen-Komplex (Bexsero) in drei Impfstoffen (Vax1, Vax2 und Vax3) dargestellt. Bexsero ist ein Impfstoff, der aus vier Antigenen (fHbp-GNA2091, NHBA-GNA1030, NadA und OMV (NZ98-254)) für Neisseria meningitidis (Nm) B besteht. Bei allen drei Impfstoffen konnten außerordentlich diverse Immunglobuline (Ig) beobachtet werden, die als Reaktion auf Bexsero mit einzigartigen Ig-Genselektionsmustern erzeugt wurden. Die Daten zeigen auch Igs, die eine Reihe von Spezifitäten aufweisen (Bexsero-spezifisch-reaktive Igs (nur Vax3) oder polyreaktive Igs (Vax2, Vax3 und Vax4)) und Affinitäten (hochbindende, mäßig bindende, schwach bindende und nicht reaktive Igs). Es wurde keine eindeutige Korrelation zwischen spezifischen Ig-Genmerkmalen und Ig-Reaktivitätseigenschaften beobachtet, obwohl Igs von allen Impfstoffen kollektiv unterschiedliche Affinitäten innerhalb/zwischen Cluster-Igs und zwischen Nicht-Clustern von Bexsero aufweisen, was potenzielle Vorteile für einen breiten Schutz mit sich bringt. Ig-Gen-Merkmale und Antigen-Reaktivitätseigenschaften von Igs, die gegen NHBA (22 Igs), fHbp (2 Igs) und NadA (2 Igs) erzeugt wurden, sind ebenfalls gezeigt. Diese Ig zeigten schwache Bindungsaffinitäten, wenn sie an endogen exprimierten Antigenen auf Nm mc58 getestet wurden, möglicherweise aufgrund eines ungeordneten N-Terminus von NHBA. Es wurde eine Anreicherung von hochmutierten polyreaktiven Ig beobachtet. Es werden unterschiedliche Immunoselektivitätsgrade für die verschiedenen Antigene beobachtet, was auf eine Antigenimmunodominanz sowie auf Hinweise auf eine Epitopmaskierung hindeutet. Mit einem kontrollierbaren System von 4 Antigenen eröffnen die Daten die Möglichkeit die menschliche B-Zell-Reaktion auf Multi-Antigen-Komplexe zu verstehen und zeigen, dass ein umfassendes Verständnis über die feinen zellulären und humoralen Einzelheiten der Immunantworten des Impfstoffs während klinischer Studien erforderlich ist. / Multi-antigen complexes have been exploited in vaccinology as an efficient model, to achieve broad vaccine coverage against multiple strains of the same pathogen. Here, the findings on the human B cell response to a multi-antigen complex (Bexsero) in three vaccinees (Vax1, Vax2 and Vax3) are shown. Bexsero is a vaccine comprising of four antigens (fHbp-GNA2091, NHBA-GNA1030, NadA and OMV (NZ98-254)) for Neisseria meningitidis (Nm) B. Immensely diverse (isotype distribution, IgVH and IgJH gene usage, CDR3 length distribution and clonal selection) immunoglobulins (Igs) generated in response to Bexsero with unique Ig gene selection patterns in all three vaccinees was observed. The data also shows Igs that exhibit a range of specificities {Bexsero-specific-reactive Igs (Vax3 Only) or polyreactive Igs (Vax2, Vax3 and Vax4)} and affinities (highly binding, moderately binding, weakly binding and unreactive Igs). No unique correlation between specific Ig gene features and Ig reactivity properties was observed, albeit Igs from all vaccinees collectively exhibit varied affinities within/between cluster Igs, and amongst non-clusters to Bexsero, with potential advantages for broad protection. Ig gene features and antigen-reactivity properties of Igs generated against NHBA (22 Igs), fHbp (2 Igs) and NadA (2 Igs) are also shown. These Igs exhibited weak binding affinities when tested on endogenously expressed antigens on Nm mc58, potentially due to disordered N-terminal of NHBA. Enrichment of highly mutated polyreactive Igs was observed. Varying degrees of immunoselectivity to the different antigens, suggesting antigen immunodominance as well as evidence of epitope masking are observed. With a controllable system of 4 antigens, the data opens a potential window to understanding the human B cell response to multi-antigen complexes and evinces the need for expansive understanding of the fine cellular and humoral details of vaccine immune responses during clinical trials.

Der TGFβ-Signalweg ist ein multifunktionales System, das zelluläre Prozesse reguliert, die von Proliferation und Migration bis zu Differenzierung und Zelltod reichen. Nach Ligandenbindung und Rezeptoraktivierung translozieren SMAD-Proteine zum Zellkern und induzieren die Expression zahlreicher Zielgene. Während viele Komponenten des TGFβ-Signalweges identifiziert wurden, verstehen wir noch nicht genau, wie die Aktivierung des Signalwegs in verschiedene zelluläre Antworten übersetzt wird. Da die zelluläre Antwort auf einen gegebenen Stimulus oft sogar in genetisch identischen Zellen variiert, konzentrierte ich mich auf die Messung der Signalwegaktivität auf der Einzelzellebene. Durch die Kombination fluoreszierender Reporterzelllinien mit Zeitraffer-Lebendzellmikroskopie und automatisierter Bildanalyse beobachtete ich die zytoplasmatische und nukleäre Translokation von SMADs mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung in Hunderten einzelner Zellen. Unsere Experimente zeigten, dass die Signalwegaktivität in eine erste synchrone Phase der SMAD-Translokation, gefolgt von einer Adaption und einer zweiten Signalphase mit hoher Variabilität in Stärke und Dauer der nuklearen Akkumulation unterteilt werden kann. Darüber hinaus beobachtete ich, dass Zellen, die aufgrund ihrer dynamischen Eigenschaften in Subpopulationen gruppiert sind, unterschiedliche phänotypische Reaktionen zeigen. Ich war nun daran interessiert, die Netzwerkinteraktionen zu identifizieren, die diese Dynamiken formen und fokussierte mich auf den Crosstalk mit nicht-kanonischen Komponenten des TGFβ-Signalweges. Ich konnte zeigen, dass die Hemmung der MAP Kinasen p38 und ERK die zweite Signalphase spezifisch aufhebt. Diese dynamische Remodellierung führt zu Veränderungen in der Zielgenexpression und den Zellschicksalen. Dies wird zu einem tieferen Verständnis der molekularen Netzwerke führen, die die TGFβ-Signaltransduktion regulieren und Möglichkeiten eröffnen, es in erkrankten Zellen zu modulieren. / The TGFβ pathway is a multi-functional signaling system regulating cellular processes ranging from proliferation and migration to differentiation and cell death. Upon ligand binding and receptor activation, SMAD proteins translocate to the nucleus and induce expression of numerous target genes. While many components of the TGFβ pathway have been identified, we are still challenged to understand how pathway activation is translated into distinct cellular responses. As the cellular response to a given stimulus often varies even in genetically identical cells, I focused on measuring pathway activity on the single cell level. By combining fluorescent reporter cell lines with time-lapse live-cell microscopy and automated image analysis, I monitored the cytoplasmic to nuclear translocation of SMADs with high temporal and spatial resolution in hundreds of individual cells. Our experiments demonstrated that pathway activity can be divided into a first synchronous phase of SMAD translocation, followed by adaptation and a second signaling phase with high variability in the extent and duration of nuclear accumulation. Furthermore, I observed that cells clustered into subpopulations according to their dynamic features show different phenotypic responses. I was interested in identifying the network interactions that shape these dynamics and focus on crosstalk with non-canonical components of the TGFβ pathway. I could show that inhibition of the MAP kinases p38 and ERK specifically abrogates the second signaling phase. This dynamic remodeling led to changes in target gene expression and cell fate decisions. I explored the molecular mechanisms underlying this interaction of the canonical and non-canonical pathways. This will provide a deeper understanding of the molecular networks regulating TGFβ signaling and open opportunities to modulate it in diseased cells.

Angeborene lymphoide Zellen (ILCs) sind sich im Gewebe befindliche Zellen, die eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der Gewebehomöostase spielen. ILCs wurden in verschiedenen Organen untersucht. Ob ILCs im zentralen Nervensystem (ZNS) vorhanden sind und wenn ja, welchen ​​Phänotyp und welche funktionellen Eigenschaften sie in diesem Organ aufweisen, sind Fragen, die bisher unbeantwortet blieben. NK-Zellen sind die seit langem bekannten ILC-Mitglieder, die viele Merkmale mit ILC1s teilen. Im Zusammenhang mit der Autoimmunität wurde gezeigt, dass NK-Zellen eine immunmodulatorische Rollen spielen. Anhand des Tiermodells von Multiple Sklerose, der experimentellen autoimmunen Enzephalomyelitis, zeigte unsere Gruppe, dass reife NK-Zellen auf CX3CR1-abhängige Weise in das ZNS rekrutiert werden. Auf der Grundlage dieser Beobachtungen will ich in meinem PhD Projekt die Chemokinrezeptoren definieren, die die Rekrutierung der unreifen NK-Zellen in das entzündete ZNS vermitteln. Des Weiteren will ich herausfinden, ob die phänotypisch definierten NK-Zellen (CD3-NK1.1 + -Zellen) die im gesunden ZNS vorhanden sind, echte NK-Zellen sind, oder sie zu den ILC1s gezählt werden können. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass die im gesunden ZNS vorhandenen CD3-NK1.1+ -Zellen verschiedene Typ-1-ILC-Subsets umfassen: NK-Zellen, ILC1s, Intermediat-ILC1s und Ex-ILC3s. CXCR3 wurde auf ILC1s und einer Fraktion von unreifen NK-Zellen exprimiert, trug jedoch nicht zur Rekrutierung von NK-Zellen in das ZNS im EAE-Modell bei. Die Expression von CD49a, CD69, CXCR6, DNAM-1high, TRAIL und CD200R und das Fehlen von Eomes unterschieden die ILC1 von den NK-Zellen im ZNS. Zusätzlich ILC1s sezernierten mehr TNF-α als NK-Zellen. ILC1s waren die dominante Typ-1-ILC Subgruppe im Plexus choroideus und im Gehirnparenchym und waren auch in den Meningen vorhanden. Zusammenfassend bietet die vorliegende Arbeit zum ersten Mal eine umfassende Charakterisierung von ILCs des Typs I im ZNS. / Innate lymphoid cells (ILCs) are tissue resident cells that play important roles in the maintenance of tissue homeostasis. ILCs have been characterized in diverse organs like the gut and liver. However, whether ILCs are present in the central nervous system (CNS) and if so, what are their phenotype and function in this organ are questions that remain unanswered. NK cells are the longer-known ILC members that share many phenotypical and functional features with ILC1s. Using the animal model of MS, the experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), our group showed that protective mature NK cells are recruited to the CNS on an CX3CR1-dependent manner. Based on that observations, my PhD project aimed to 1) define the chemokine receptors that mediate the recruitment of the immature NK cells into the inflamed CNS and to 2) determine whether the phenotypically defined NK cells (CD3-NK1.1+ cells) that are present in the CNS during steady state constitute bona fide NK cells or constitute also other group 1 ILC subsets. The results of this work indicate that the CD3-NK1.1+ cells present in the healthy CNS comprise diverse group 1 ILC subsets that include conventional NK cells, ILC1s, intermediate-ILC1s and ex-ILC3s. CXCR3 was expressed on ILC1s and a fraction of immature NK cells, but did not contributed to the recruitment of NK cells into the CNS in the EAE model. In addition, the phenotypic and functional characterization of the newly identified CNS-ILC1s is described. The exclusive expression of CD49a, CD69, CXCR6, DNAM-1high, TRAIL and CD200R, and lack of Eomes distinguished the ILC1s from the NK cells in the CNS. IILC1s secreted IFN-γ and more TNF-α than NK cells upon stimulation in the healthy and EAE mice and were the dominant group 1 ILC subset in the choroid plexus and brain parenchyma and were also present in the meninges. In sum, the present work provides for the first time a comprehensive characterization of group 1 ILCs in the CNS.