Auf die Entwicklung der Hochdurchsatz-Sequenzierung (HTS) folgte eine Reihe von speziellen Erweiterungen, die erlauben verschiedene zellbiologischer Aspekte wie Genexpression, DNA-Methylierung, etc. zu messen. Die Analyse dieser Daten erfordert die Entwicklung von Algorithmen, die einzelne Experimenteberücksichtigen oder mehrere Datenquellen gleichzeitig in betracht nehmen. Der letztere Ansatz bietet besondere Vorteile bei Analyse von einzelligen RNA-Sequenzierung (scRNA-seq) Experimenten welche von besonders hohem technischen Rauschen, etwa durch den Verlust an Molekülen durch die Behandlung geringer Ausgangsmengen, gekennzeichnet sind. Um diese experimentellen Defizite auszugleichen, habe ich eine Methode namens netSmooth entwickelt, welche die scRNA-seq-Daten entrascht und fehlende Werte mittels Netzwerkdiffusion über ein Gennetzwerk imputiert. Das Gennetzwerk reflektiert dabei erwartete Koexpressionsmuster von Genen. Unter Verwendung eines Gennetzwerks, das aus Protein-Protein-Interaktionen aufgebaut ist, zeige ich, dass netSmooth anderen hochmodernen scRNA-Seq-Imputationsmethoden bei der Identifizierung von Blutzelltypen in der Hämatopoese, zur Aufklärung von Zeitreihendaten unter Verwendung eines embryonalen Entwicklungsdatensatzes und für die Identifizierung von Tumoren der Herkunft für scRNA-Seq von Glioblastomen überlegen ist. netSmooth hat einen freien Parameter, die Diffusionsdistanz, welche durch datengesteuerte Metriken optimiert werden kann. So kann netSmooth auch dann eingesetzt werden, wenn der optimale Diffusionsabstand nicht explizit mit Hilfe von externen Referenzdaten optimiert werden kann. Eine integrierte Analyse ist auch relevant wenn multi-omics Daten von mehrerer Omics-Protokolle auf den gleichen biologischen Proben erhoben wurden. Hierbei erklärt jeder einzelne dieser Datensätze nur einen Teil des zellulären Systems, während die gemeinsame Analyse ein vollständigeres Bild ergibt. Ich entwickelte eine Methode namens maui, um eine latente Faktordarstellungen von multiomics Daten zu finden. / The development of high throughput sequencing (HTS) was followed by a swarm of protocols utilizing HTS to measure different molecular aspects such as gene expression (transcriptome), DNA methylation (methylome) and more. This opened opportunities for developments of data analysis algorithms and procedures that consider data produced by different experiments. Considering data from seemingly unrelated experiments is particularly beneficial for Single cell RNA sequencing (scRNA-seq). scRNA-seq produces particularly noisy data, due to loss of nucleic acids when handling the small amounts in single cells, and various technical biases. To address these challenges, I developed a method called netSmooth, which de-noises and imputes scRNA-seq data by applying network diffusion over a gene network which encodes expectations of co-expression patterns. The gene network is constructed from other experimental data. Using a gene network constructed from protein-protein interactions, I show that netSmooth outperforms other state-of-the-art scRNA-seq imputation methods at the identification of blood cell types in hematopoiesis, as well as elucidation of time series data in an embryonic development dataset, and identification of tumor of origin for scRNA-seq of glioblastomas. netSmooth has a free parameter, the diffusion distance, which I show can be selected using data-driven metrics. Thus, netSmooth may be used even in cases when the diffusion distance cannot be optimized explicitly using ground-truth labels. Another task which requires in-tandem analysis of data from different experiments arises when different omics protocols are applied to the same biological samples. Analyzing such multiomics data in an integrated fashion, rather than each data type (RNA-seq, DNA-seq, etc.) on its own, is benefitial, as each omics experiment only elucidates part of an integrated cellular system. The simultaneous analysis may reveal a comprehensive view.

Präzise regulierte Genexpression, ist der Schlüssel zu erfolgreicher Embryonal-entwicklung. Die Expression von Zelltyp-spezifischen Transkriptionsfaktoren kann durch räumliche Interaktionen von Promotoren und Enhancern im Nukleus kontrolliert werden, aber auch durch 3D Faltung der DNA in größere organisatorische Einheiten wie “Topologically Associating Domains” (TADs) oder “A/B compartments”. Um die 3D Faltung in den Zelltypen des prä-implantations Embryos zu untersuchen, nutze ich ES und XEN Zellen, die stark dem Epiblast und dem primitiven Endoderm in der inneren Zellmasse des E4.5 Embryos ähneln. Um den Zusammenhang zwischen 3D DNA Faltung und zellulärer Identität zu erforschen, habe ich GAM, ATAC-seq und RNA-seq Daten von ES und XEN Zellen produziert. Um die Genom-Architektur im Embryo zu untersuchen, habe ich außerdem die GAM Methode an den Mausembryo angepasst und kann dadurch erstmals genomweit DNA-Faltung in den spezifischen Zelltypen der inneren Zellmasse des prä-implantations Embryos zeigen. ES und XEN Zellen zeigen viele differentiell exprimierte Gene, sowie starke Veränderungen in der Chromatin-Organisation, beispielweise in der Bildung von reprimierten Chromatinnetzwerken in ESCs, die wichtige XEN Gene wie Gata6 und Lama1 enthalten, während diese nicht aktiv sind. XEN-spezifische Genexpression ist oft mit der Präsenz von XEN-spezifischen “TAD boundaries” gekoppelt. Der Sox2 Locus zeigt eine ESC-spezifische Organisation mit aktiven Genen, und Regionen die von den Transkriptionsfaktoren SOX2, NANOG und OCT4 gebunden sind. Die starke Reorganisation der Genom-Architektur in wichtigen Loci wie Gata6 und Sox2 konnte ich mit in vivo GAM Daten bestätigen und finde ähnliche Unterschiede zwischen den beiden Zelltypen der inneren Zellmasse wie im in vitro Model. Diese Ergebnisse zeigen, wie wichtig es ist, Zelltypen getrennt zu untersuchen und, dass eine Verbindung zwischen zellulärer Identität und der Faltung des Genoms in der Embryonalentwicklung besteht. / Tightly controlled gene regulation is key to functional metazoan embryonic development. The expression of cell-fate determining transcription factors orchestrates the establishment of the various lineages of the embryo. Gene expression is often regulated via specific chromatin organisation. To investigate cell type-specific differences in chromatin folding in early embryonic development, I used in vitro models of the two distinct cell populations in the blastocyst ICM. In mouse ES and XEN cells, I mapped 3D genome conformation using Genome Architecture Mapping (GAM), chromatin accessibility using ATAC-seq, and gene expression using total RNA-seq. To enable the mapping of 3D genome folding directly in the blastocyst ICM, I adapted GAM for cell type-specific selection of nuclei, by integrating immunofluorescence detection of markers, and generated the first genome-wide chromatin contact maps that distinguish ICM cell types. I report that the ES and XEN cell lineages undergo abundant large scale rearrangements of genome architecture and exhibit high numbers of differentially expressed genes. For example, extra-embryonic endoderm genes, such as Lama1 and Gata6, form silent hubs in ESCs, potentially connecting maintenance of pluripotency to 3D structure of the genome. Further, I show that the expression of XEN cell-specific genes relates to the formation of XEN cell-specific TAD boundaries. Chromatin contacts at the Sox2 locus exhibit an ESC-specific organisation around binding of pluripotency transcription factors OCT4, NANOG and SOX2, into hubs of high gene activity. The observations detected in in vitro models, were investigated in smaller GAM datasets produced using the in vivo counterparts in the ICM. Overall, in vivo data confirmed the high degree of chromatin rearrangement among the two cell types, specifically in loci of lineage driving genes. The findings from in vivo data further underscore the connection of genome topology and cellular identity.

Die Aktivität des Hippocampus im Tiefschlaf ist geprägt durch sharp wave-ripple Komplexe (SPW-R): kurze (50–100 ms) Phasen mit erhöhter neuronaler Aktivität, moduliert durch eine schnelle “Ripple”-Oszillation (140–220 Hz). SPW-R werden mit Gedächtniskonsolidierung in Verbindung gebracht, aber ihr Ursprung ist unklar. Sowohl exzitatorische als auch inhibitorische Neuronpopulationen könnten die Oszillation generieren. Diese Arbeit analysiert Ripple-Oszillationen in inhibitorischen Netzwerkmodellen auf mikro-, meso- und makroskopischer Ebene und zeigt auf, wie die Ripple-Dynamik von exzitatorischem Input, inhibitorischer Kopplungsstärke und dem Rauschmodell abhängt. Zuerst wird ein stark getriebenes Interneuron-Netzwerk mit starker, verzögerter Kopplung analysiert. Es wird eine Theorie entwickelt, die die Drift-bedingte Feuerdynamik im Mean-field Grenzfall beschreibt. Die Ripple-Frequenz und die Dynamik der Membranpotentiale werden analytisch als Funktion des Inputs und der Netzwerkparameter angenähert. Die Theorie erklärt, warum die Ripple-Frequenz im Verlauf eines SPW-R-Ereignisses sinkt (intra-ripple frequency accommodation, IFA). Weiterhin zeigt eine numerische Analyse, dass ein alternatives Modell, basierend auf einem transienten Störungseffekt in einer schwach gekoppelten Interneuron-Population, unter biologisch plausiblen Annahmen keine IFA erzeugen kann. IFA kann somit zur Modellauswahl beitragen und deutet auf starke, verzögerte inhibitorische Kopplung als plausiblen Mechanismus hin. Schließlich wird die Anwendbarkeit eines kürzlich entwickelten mesoskopischen Ansatzes für die effiziente Simulation von Ripples in endlich großen Netzwerken geprüft. Dabei wird das Rauschen nicht im Input der Neurone beschrieben, sondern als stochastisches Feuern entsprechend einer Hazard-Rate. Es wird untersucht, wie die Wahl des Hazards die dynamische Suszeptibilität einzelner Neurone, und damit die Ripple-Dynamik in rekurrenten Interneuron-Netzwerken beeinflusst. / Hippocampal activity during sleep or rest is characterized by sharp wave-ripples (SPW-Rs): transient (50–100 ms) periods of elevated neuronal activity modulated by a fast oscillation — the ripple (140–220 Hz). SPW-Rs have been linked to memory consolidation, but their generation mechanism remains unclear. Multiple potential mechanisms have been proposed, relying on excitation and/or inhibition as the main pacemaker. This thesis analyzes ripple oscillations in inhibitory network models at micro-, meso-, and macroscopic scales and elucidates how the ripple dynamics depends on the excitatory drive, inhibitory coupling strength, and the noise model. First, an interneuron network under strong drive and strong coupling with delay is analyzed. A theory is developed that captures the drift-mediated spiking dynamics in the mean-field limit. The ripple frequency as well as the underlying dynamics of the membrane potential distribution are approximated analytically as a function of the external drive and network parameters. The theory explains why the ripple frequency decreases over the course of an event (intra-ripple frequency accommodation, IFA). Furthermore, numerical analysis shows that an alternative inhibitory ripple model, based on a transient ringing effect in a weakly coupled interneuron population, cannot account for IFA under biologically realistic assumptions. IFA can thus guide model selection and provides new support for strong, delayed inhibitory coupling as a mechanism for ripple generation. Finally, a recently proposed mesoscopic integration scheme is tested as a potential tool for the efficient numerical simulation of ripple dynamics in networks of finite size. This approach requires a switch of the noise model, from noisy input to stochastic output spiking mediated by a hazard function. It is demonstrated how the choice of a hazard function affects the linear response of single neurons and therefore the ripple dynamics in a recurrent interneuron network.

In der Dissertation wird der Frage nachgegangen, welche kognitiven Prozesse der Informationsverarbeitung von wissenschaftlichen Daten beim konzeptuellen Lernen von biologischen Inhalten eine Rolle spielen. Dafür wird ein theoriebasiertes Modell des data-based scientific reasoning beschrieben, welches ebenfalls Aspekte der visuellen Wahrnehmung einbezieht. Dabei kann eine Synthese sogenannter bottom-up- und top-down-Effekte die visuelle Wahrnehmung der dargestellten Daten beeinflussen. Von Interesse sind hierbei Charakteristika der Repräsentation der Daten, sowie die individuellen Vorstellungen zum Kontext und ob, die Daten diese stützen oder widerlegen (anomale Daten). Weiterhin wird in der Arbeit die Rolle von data-based scientific reasoning auf wissenschaftliche Modellierungsprozesse untersucht, da Modellieren als übergreifende wissenschaftliche Praxis gesehen werden kann. In vier empirischen Studien wurden kognitive Prozesse beim Umgang mit Daten bei angehenden Biologielehrkräften, mit Fragebögen, Eye Tracking und lautem Denken untersucht. Die Ergebnisse der durchgeführten Studien heben die Rolle der visuellen Wahrnehmung als entscheidenden Schritt beim data-based scientific reasoning hervor. In Bezug auf Charakteristika der Repräsentation erscheint es notwendig, die visuelle Aufmerksamkeit der Lernenden auf spezifische Merkmale zu lenken und mit entsprechendem konzeptuellem Wissen zu verknüpfen. Die Ergebnisse legen nahe, dass anomale Daten zwar mit wissenschaftlich adäquatem Wissen erklärt werden, dies aber nicht automatisch zur Änderung ursprünglicher Vorstellungen bezüglich des Kontexts führt. Diese Tendenz scheint mit Unsicherheit gegenüber den Daten verbunden zu sein. Darüber hinaus spielen anomale Daten eine zentrale Rolle in wissenschaftlichen Modellierungsprozessen. Die Ergebnisse der entsprechenden Studie deuten darauf hin, dass hoch ausgeprägte Kompetenzen des data-based scientific reasoning mit elaborierten Modellierungsprozessen zusammenhängen. / The thesis focusses on the relevance of reasoning with scientific data for conceptual learning in biology. It aims to contribute to the question which cognitive processes are involved when learners encounter data sets that support or contradict their individual expectations. Therefore, a theoretical model of data-based scientific reasoning is described that is grounded on a general model of information processing. In this model, aspects of visual perception are emphasized. However, visual perception is influenced by a synthesis of so-called bottom-up and top-down effects. Furthermore, the theoretical perspective on the role of responses to anomalous data for scientific practices was extended by investigating how learners react and integrate anomalous data during modeling processes. In four empirical studies cognitive processes leading to responses to anomalous data in science education were investigated by applying a mixture of questionnaires, eye tracking techniques, and think aloud. The findings of the conducted studies highlight the role of perceptual processes as a key step during data-based scientific reasoning. Regarding representational characteristics it seems necessary to guide learners´ visual attention and connect specific features with corresponding conceptual knowledge. However, the findings suggest that a use of adequate scientific knowledge for explaining anomalous data does not lead to a change in initial conceptions regarding the context, since participants of the studies still tended to maintain their initial expectations. This tendency seems to be linked to a high need for encompassing information and a connected uncertainty towards the perceived data. Furthermore, anomalous data play a central role during modelling processes. The results of the corresponding study, indicate that sophisticated competencies of data-based reasoning with anomalous data relate to elaborate modeling processes.

Modularität ist ein wiederkehrendes Thema in biologischen Netzwerken, in denen sich unabhängige Elemente wiederholen und neu zusammensetzen, um neue Funktionen zu erzeugen. In der angeborenen Immunität sind supramolekular organisierende Zentren (SMOCs) ein Beispiel für Modularität, die durch eine ligandeninduzierte komplexe Selbstassemblierung gekennzeichnet sind und deren Signalkomponenten in ihrer lokalen Konzentration zunehmen. Das Myddosom ist ein SMOC, das sich als Reaktion auf den Liganden IL-1, ein wichtiges proinflammatorisches Zytokin, zusammensetzt. Der Myddosom-vermittelte IL-1-Signalweg wurde mit biochemischen Methoden umfassend charakterisiert, doch Informationen zur Dynamik sind weiterhin begrenzt. Es gibt widersprüchliche Berichte darüber, wie die Proteine des IL-1-Signalwegs zusammengesetzt werden, und es ist nicht bekannt, ob die Komplexe des IL-1-Signalwegs wieder abgebaut werden. In dieser Arbeit wurde die Dynamik der Myddosom-vermittelten IL-1-Signaltransduktion untersucht, wobei eine völlig neue Hochdurchsatz-Bildanalyse-Pipeline, eine Phasenporträtanalyse, ein neuartiger Mikroskopie-Assay und CRISPR/Cas9-editierte lebende Lymphomzelllinien kombiniert wurden. Hier zeige ich, dass der Aufbau des IL-1-Signalwegs sequenzielle Schritte, eine ligandeninduzierte De-novo-Oligomerisierung, Proteine, die die Oligomergröße regulieren, und zwei Module umfasst: das Myddosom und die NF-κB-Signalosome. Das stromaufwärts gelegene Myddosom-Signalosom (MyD88, IRAK4, IRAK1, TRAF6, TAB2) erscheint zuerst, zeigt keine Erholung in FRAP-Experimenten und zeigt eine positive interne Rückkopplung. Das nachgeschaltete NF-κB-Signalosom (HOIL1, NEMO, RelA, A20) erscheint später, erholt sich nach FRAP und reguliert das Myddosom-Signalosom negativ. Ich zeige auch zum ersten Mal, dass sich der IL-1-Signalweg nach Überschreiten eines kritischen stöchiometrischen Verhältnisses auflöst und dass dynamische Gleichungen den Zusammenbau und den Abbau nachbilden können. Diese Ergebnisse zeigen, wie ein SMOC-abhängiger Signalweg Modularität zur Regulierung einsetzt. Das Verständnis von Signalisierungsmodulen ist von großer Bedeutung für die Aufklärung der regulatorischen Schaltkreise in biologischen Netzwerken. Meine Hochdurchsatz-Pipeline bietet einen vielversprechenden Ansatz, um dieses Ziel zu erreichen. / Modularity is a recurring theme in biological networks where independent elements repeat and shuffle to produce novel functions. In innate immunity, supramolecular organizing centers (SMOCs) are an example of modularity, characterized by ligand-induced complex self-assembly, and signaling components increase in local concentration. The Myddosome is a SMOC that assembles in response to the ligand IL-1, a vital proinflammatory cytokine. The Myddosome-mediated IL-1 signaling pathway has been extensively characterized using biochemical methods, yet dynamic information remains limited. There are conflicting reports of how the IL-1 pathway proteins assemble, and it is unknown whether IL-1 pathway complexes disassemble. This thesis investigated the Myddosome-mediated IL-1 signal transduction dynamics, combining a completely new high-throughput image analysis pipeline, phase portrait analysis, a novel microscopy assay, and CRISPR/Cas9-edited live lymphoma cell lines. Here, I show that the IL-1 pathway assembly has sequential steps, ligand-induced de novo oligomerization, proteins regulating oligomer size, and two modules: the Myddosome and NF-κB signalosomes. The upstream Myddosome signalosome (MyD88, IRAK4, IRAK1, TRAF6, TAB2) appears first, has no FRAP recovery, and shows positive internal feedback. The downstream NF-κB signalosome (HOIL1, NEMO, RelA, A20) appears later, recovers after FRAP, and negatively regulates the Myddosome signalosome. I also show, for the first time, that the IL-1 pathway disassembles after crossing a critical stoichiometric ratio, and that dynamical equations can recapitulate assembly-disassembly. These results demonstrate how a SMOC-dependent pathway uses modularity to achieve regulation. Understanding signaling modules holds significant implications for elucidating the regulatory circuitry in biological networks. My high-throughput pipeline offers a promising approach to achieving this objective.

Die adoptive T-Zell-Therapie (ATT) ist eine sich schnell entwickelnde Immuntherapie, die bei Patienten, die an verschiedenen Krebsarten leiden, eine positive klinische Reaktion anzeigt. Eine Variante der ATT ist eine T-Zellen-Rezeptor (TCR)-Gentherapie, bei der Patienten-T-Zellen mit krebsspezifischen TCRs ausgestattet werden. Die Herstellung der TCR-erzeugten T-Zellen ist schnell und robust und erfordert eine geringe Anfangsmenge an Patienten-T-Zellen. Der Mangel an verfügbaren krebsspezifischen TCRs, die auf verschiedene Moleküle des menschlichen Leukozytenantigens (HLA) der Klasse I beschränkt sind, schließt jedoch viele Patienten von der Krebsbehandlung aus. Die Generierung einer krebsspezifischen TCR-Bibliothek, die aus gut definierten TCRs besteht, könnte die Zahl der Patienten, die an klinischen Studien teilnehmen, erhöhen. Das Ziel dieser Doktorarbeit war es, Epstein-Barr-Virus (EBV)-spezifische TCRs zu identifizieren und zu isolieren, um eine EBV-spezifische TCR-Bibliothek als ein nützliches Werkzeug der TCR-Gentherapie bei der Behandlung von EBV-bedingten Krebserkrankungen zu generieren. Insgesamt wurden neun EBV-spezifische TCRs von EBV-positiven Spendern isoliert und charakterisiert, die verschiedene pHLA-Komplexe von EBV-Latentmembranproteinen (LMP1, LMP2A) und Kernprotein (EBNA3C) erkannten. Zusätzlich wurde ein neuartiges immunogenes LMP1-Epitop (QQNWWTLLV) entdeckt, das auf HLA-C*15:02 beschränkt ist. Definierte EBV-spezifische TCRs können als Grundlage für die EBV-spezifische TCR-Bibliothek verwendet werden, die eine wertvolle Quelle von TCRs für die schnelle Generierung von EBV-spezifischen T-Zellen zur Behandlung von Krebspatienten mit verschiedenen HLA-Typen darstellt. / Adoptive T cell therapy (ATT) is a fast developing immunotherapy indicating positive clinical response in patients suffering from different type of cancers. One type of the ATT is a T cell receptor (TCR) gene therapy, which involves endowing patient T cells with cancer-specific TCRs. Manufacturing of the TCR-engineered T cells is fast and robust, requiring small initial amount of patient T cells. However, lack of available cancer-specific TCRs restricted to various human leukocyte antigen (HLA) class I molecules eliminates many patients from cancer treatment. Generation of a cancer-specific TCR library consisting of well-defined TCRs could increase the number of patients enrolled in clinical trials. The aim of this PhD thesis was to identify and isolate Epstein-Barr virus (EBV)-specific TCRs in order to generate the EBV-specific TCR library as a useful tool of the TCR gene therapy for treatment of EBV-related malignancies. In total, nine EBV-specific TCRs of EBV-positive donors that recognized various pHLA complexes of EBV latent membrane proteins (LMP1, LMP2A) and nuclear protein (EBNA3C) were isolated and characterized. Additionally, a novel immunogenic LMP1 epitope (QQNWWTLLV) restricted to a HLA-C*15:02 was discovered. Defined EBV-specific TCRs can be used as a basis for the EBV-specific TCR library, which provides a valuable source of TCRs for rapid generation of EBV-specific T cells to treat cancer patients with different HLA types.

Eine der häufigsten viralen Infektionskrankheiten im Kindesalter ist gegenwärtig die Parotitis epidemica. Mit dem Auftreten einer abakteriellen Meningitis bei Kindern als Folge einer Mumpsvirusinfektion ist in über 80% der Fälle zu rechnen. 1. In serologisch bestätigten Mumpsfällen wurden Liquorproben von Kindern mit einer Meningitis immunfluoreszenzoptisch untersucht. In den lympho-monozytären Liquorzellen konnte das Mumpsantigen in 64% der Fälle nachgewiesen werden. 2. Der immunfluoreszenzoptisch Nachweis des Mumpsantigens in Liquorzellen stellt eine Erweiterung der diagnostischen Möglichkeiten bei serösen Meningitiden des Kindes unklarer Äthiologie dar. 3. Während der Prüfung von Mumpsviren reagieren intracerebral infizierte Affen mit einer statistisch gesicherten Erhöhung der Liquorzellzahl. Bei Affen, die mit einer neuropathogenen Variante infiziert waren, sind die Liquorzellzahlen auch 28 Tage p.i. signifikant höher im Vergleich zu mit Impfstoff infizierten Tieren. Der Nachweis des Mumpsantigens in den Liquorzellen beweist die Spezifität der experimentellen Mumpsmeningitis bei Affen. Das virale Antigen wird nur innerhalb der ersten Versuchswoche in den Liquorzellen detektiert, nach 3 – 4wöchiger Versuchsdauer ist das Mumpsvirus im Liquor der Affen nicht mehr nachweisbar. Diese Befunde sind mit den Befunden bei natürlichen Mumpsmeningitiden der Kinder vergleichbar. 4. Minischweine und Katzen reagieren auf intracerebral appliziertes Mumpsvirus mit charakteristischen liquorzytologischen Veränderungen, die mit den Befunden beim Affen korrelieren. Sie reagieren auf intracerebral inokuliertes Mumpsvirus bereits in der ersten Woche mit einer deutlichen Liquorpleozytose. Die Höhe der Zellzahl im Liquor ist bei Mumpswildviren (α = 0,05) bedeutend größer als bei den Impfviren. Die Zellzahlerhöhung ist nach 8 Wochen nicht auf die Normalwerte zurückgegangen. 5. Der immunfluoreszenzoptische Nachweis des Mumpsantigens in den Liquorzellen der Minischweine und Katzen ist zeitlich begrenzt. Es ergaben sich Unterschiede zwischen Mumpsviren vom Wild- und Impftyp. Der Nachweis des viralen Antigens in den Liquorzellen war 4 Wochen p.i. nicht mehr möglich. 6. Das Differentialzellbild des Liquors ist bei allen Tiermodellen durch lympho-monozytäre Zellen gekennzeichnet, wobei monozytäre Zellformen zu jedem Zeitpunkt der Infektion überwiegen. 7. Vor der Anwendung von Lebendimpfstoffen beim Menschen ist eine tierexperimentelle Sicherheitsprüfung notwendig. Die Einbeziehung der Liquordiagnostik (Verlauf der Pleozytose und der fluoreszenzoptische Antigennachweis in den Liquorzellen) ist eine wesentliche Ergänzung zur Charakterisierung der neurotropen Eigenschaften des viralen Mumpsantigens. / One of the most common viral infectious diseases in childhood is currently parotitis epidemica. The occurrence of abacterial meningitis in children as a result of mumps virus infection can be expected in more than 80% of cases. 1. In serologically confirmed mumps cases, cerebrospinal fluid samples from children with meningitis were examined by immunofluorescence. Mumps antigen was detected in the lympho-monocytic cerebrospinal fluid (CSF) cells in 64% of cases. 2. Immunofluorescence detection of mumps antigen in CSF cells represents an extension of diagnostic possibilities in serous meningitis of the child of unclear etiology. 3. During mumps virus testing, intracerebrally infected monkeys respond with a statistically confirmed increase in CSF cell count. In monkeys infected with a neuropathogenic variant, CSF cell counts are significantly higher even 28 days p.i. compared with vaccine-infected animals. Detection of mumps antigen in CSF cells demonstrates the specificity of experimental mumps meningitis in monkeys. The viral antigen is detected in the CSF cells only within the first week of the experiment; after 3 - 4 weeks of the experiment, the mumps virus is no longer detectable in the CSF of the monkeys. These findings are comparable to the findings in natural mumps meningitis of children. 4. Minipigs and cats respond to intracerebrally applied mumps virus with characteristic liquor cytologic changes that correlate with the findings in monkeys. They respond to intracerebrally inoculated mumps virus with marked CSF pleocytosis as early as the first week. The level of cell number in CSF is significantly greater in wild mumps virus (α = 0.05) than in vaccine virus. The cell count increase did not return to normal values after 8 weeks. 5. Immunofluorescence detection of mumps antigen in CSF cells of minipigs and cats is temporal. Differences were found between wild-type and vaccine-type mumps viruses. Detection of viral antigen in CSF cells was no longer possible 4 weeks p.i.. 6. The differential cell pattern of CSF is characterized by lympho-monocytic cells in all animal models, with monocytic cell forms predominating at each time point of infection. 7. Animal safety testing is required prior the use of live vaccines in humans. The inclusion of CSF diagnostics (course of pleocytosis and fluorescence antigen detection in CSF cells) is an essential addition to characterize the neurotropic properties of the viral mumps antigen.

Die embryonale Gonade ist bei Säugetieren das einzige bipotente Organ, das sich während der Geschlechtsbestimmung in Hoden oder Eierstock differenziert. Nach der Spezifikation produziert sie geschlechtsspezifische Hormone, die wichtige morphologische, physiologische und Verhaltensänderungen auslösen und schließlich zu reifen Fortpflanzungsorganen führen, die für die Fortpflanzung der Art unerlässlich sind. Trotz der evolutionären Bedeutung der Gonadenfunktion gibt es erhebliche Entwicklungsunterschiede zwischen den Arten, deren molekulare Mechanismen weitgehend unerforscht sind. Zur Untersuchung dieser Mechanismen wurden Einzelzell-Omics-Techniken (scRNA- und scATAC-seq) an sich entwickelnden Gonaden eingesetzt, um molekulare Faktoren für interspezifische Unterschiede während der Geschlechtsdifferenzierung zu analysieren. Bekannte Zelltypen wurden in Hoden und Eierstöcken von Schweinen (mit medullären Strängen), Mäusen (ohne medulläre Stränge), Kaninchen (mit verzögerter Meiose der Keimzellen) und Maulwürfen (mit Ovotestes) zu geschlechtsdimorphen Zeitpunkten charakterisiert. Interartspezifische Vergleiche zeigten sowohl konservierte als auch artspezifische Ereignisse auf den Ebenen der dynamischen Genexpression, Co-Expressionsnetzwerke und zellulären Kommunikation. Expressionsdaten wurden mit epigenomischen Daten integriert, um genregulatorische Netzwerke (GRNs) abzuleiten und die regulatorischen Mechanismen zu klären. Analysen zeigten die Einbeziehung artenspezifischer Transkriptionsfaktoren in konservierte GRNs und identifizierten mutmaßliche cis-regulatorische Elemente, die mit artspezifisch exprimierten Genen verknüpft sind. Die Studie legt nahe, dass unterschiedliche Kontrollmechanismen die Meiose in ovariellen Keimzellen über Arten hinweg initiieren und dass der Metabolismus steroidogener Enzyme zu einzigartigen Entwicklungsmerkmalen bei Kaninchen beitragen könnte. / In mammals, the embryonic gonad is the only bipotential organ, differentiating into either testis or ovary during sex determination. Once specified, it produces sex-specific hormones that induce key morphological, physiological, and behavioral changes, leading to mature reproductive organs essential for species perpetuation. Despite the evolutionary importance of gonadal function, significant developmental plasticity exists across species, with underlying molecular mechanisms largely unexplored. To address this, single-cell omics techniques (scRNA- and scATAC-seq) were employed on developing gonads to investigate molecular contributors to interspecies differences during sex differentiation. Known cell types were characterized in testes and ovaries of pigs (exhibiting medullary cords), mice (lacking medullary cords), rabbits (displaying delayed meiosis of germ cells), and moles (forming ovotestes) at sexually dimorphic time points. Interspecies comparative analyses revealed both conserved and species-specific events at the levels of dynamic gene expression, co-expression networks, and cellular communication. Expression data were integrated with epigenomic data to infer gene regulatory networks (GRNs), clarifying regulatory mechanisms governing these events. Analyses revealed species-specific transcription factors in conserved GRNs and identified putative cis-regulatory elements linked with species-specific expressed genes. The study suggests diverse controls initiate meiosis in ovarian germ cells across species and that steroidogenic enzyme metabolism may contribute to unique developmental features in rabbits. Overall, this study advances the understanding of mammalian gonad differentiation and highlights how gene expression program evolution has contributed to mammalian phenotype diversity.

Die myeloische Entwicklung wird durch die Familie der Transkriptionsfaktoren CCAAT/Enhancer-Binding-Protein (C/EBP) reguliert. Eine aberrante Expression oder Funktion von C/EBPs stört die normale myeloische Differenzierung und wird bei vielen Arten hämatopoetischer Malignome beobachtet. Mutationen von CEBPA führen zu einem veränderten Expressionsanteil der verkürzten Isoform C/EBPa p30 und werden bei etwa 15% der AML-Patienten (akute myeloische Leukämie) nachgewiesen. Obwohl die verkürzte Isoform C/EBPα p30 als Onkogen identifiziert wurde da sie die Proliferation myeloischer Vorläufer fördert, behält sie dennoch eine Differenzierungsfunktion. Unser Interesse gilt der Frage, wie diese beiden Funktionen von C/EBPα p30 reguliert werden. Die C/EBP-Familie gehört der Gruppe intrinsisch ungeordneter Proteine an, die zudem viele posttranslationale Modifikationen (PTMs) aufweisen. PTMs auf C/EBPα verändern seine biologische Funktionsweise stark. Frühere Forschungsarbeiten haben drei Argininreste am N-Terminus von C/EBPα p30 identifiziert, die aufgrund des Methylierungsstatus differentiell mit anderen Proteinen interagieren. In dieser Arbeit untersuchen wir den Einfluss der C/EBPα p30 Arginin-Methylierung auf seine pro-leukämische Aktivität sowie dessen Fähigkeit zur Neuausrichtung der hämatopoietischen Differenzierungslinie. Mit Hilfe von Aminosäuresubstitutionen fanden wir heraus, dass C/EBPα p30 Mutanten der Methylierungsmimesis oder Ladungsabschaffung die myeloische Differenzierung verstärkt, während Ladungserhalt-Mutanten die Erneuerung und Proliferation hämatopoetischer Stamm-/Vorläuferzellen unterstützt. Transkriptionelles Profiling von Zellen, die mutierte C/EBPα -p30-Varianten exprimieren, deutet auf potenzielle Ziele der methyliertem bzw. unmethyliertem C/EBPα p30 hin. Die Ergebnisse legen nahe, dass der Arginin-Methylierungsstatus das Leukämie- und Differenzierungs-Potenzial von C/EBPα p30 verändert und somit ein neues Ziel der Leukämietherapie darstellen könnten. / Myeloid development is regulated by the family of transcription factors CCAAT/enhancer-binding-protein (C/EBP). Aberrant expression or functioning of C/EBPs disturbs normal myeloid differentiation and is found in many types of hematopoietic malignancies. Mutations of CEBPA lead to imbalanced expression of the truncated isoform C/EBPα p30 and are found in approximately 15% of AML (acute myeloid leukemia) patients. Yet, how C/EBPα participates in leukemic progression remains to be discovered. More specifically, the truncated isoform C/EBPα p30, although being identified as an oncogenic isoform that promotes proliferation of myeloid progenitors, still retains differentiation function. The question of how both functions of C/EBPα p30 are regulated, is of our interest. C/EBP family also represents a group of intrinsically disordered proteins, which contain many post-translational modifications (PTMs). PTMs on C/EBPα greatly alter its functioning. Previous works have identified three arginine residues at the N-terminus of C/EBPα p30 that interact differently with others protein dependent on their methylation status. We hypothesize, that methylation of these arginine residues plays important roles in the biology of C/EBPα p30. In this study, we used a lymphoid-to-myeloid transdifferentiation (LMT) system to investigate the influence of arginine-methylation on C/EBPα-induced lineage switch and its pro-leukemic activity. Using amino acid substitution, we found that C/EBPα p30 mutants that resemble arginine-methylated p30 enhanced myeloid differentiation, while the charge-retention mutant, resembling arginine-unmethylated p30, supported renewability and proliferation of hematopoietic progenitors. Transcriptional profiling of cells expressing C/EBPα p30 variants suggested potential targets of either methylated or unmethylated p30. The results implied that arginine methylations alter C/EBPα p30’s leukemic potential and might comprise novel targets of leukemia therapy.

Die Selektion klonal expandierender Zellen mit einzigartigen, somatisch rekombinierten Anti-gen-Rezeptoren und die Langlebigkeit der daraus hervorgehenden Gedächtniszellen sind definierende Eigenschaften adaptiver Immunität. Dahingegen ist das angeborene Immunsystem da-rauf programmiert, mittels einer breiten Palette konservierter Rezeptoren möglichst schnell auf Pathogene zu reagieren und wird dabei auf Populationsebene epigenetisch geprägt. In dieser Arbeit möchte ich dieses Paradigma auf der Basis von Natürlichem Killer (NK) Zell-Gedächtnis an das humane Zytomegalievirus (HCMV) als Beispiel für Pathogen-spezifische Anpassung innerhalb des angeborenen Immunsystems herausfordern. Indem wir multiparametrische Einzel-zellanalysen zur Kartierung von ex vivo NK Zellen mit endogenen Barcodes in Form von soma-tischen Mutationen in mitochondrialer DNA (mtDNA) verknüpfen, können wir drastische klonale Expansionen adaptiver NK Zellen in HCMV+ Spendern nachweisen. NK-Zell-Klonotypen waren durch eine ihnen gemeinsame, inflammatorische Gedächtnissignatur mit AP1 Motiven gekennzeichnet, die eine Reihe einzigartiger Chromatin-Regionen mit Klon-spezifischer Zugänglichkeit überlagerte. NK-Zell-Klone wurden über einen Zeitraum von bis zu 19 Monaten stabil aufrechterhalten und behielten dabei ihre charakteristischen, Klon-spezifischen epigenetischen Signaturen, was die entscheidende Rolle klonaler Vererbung von Chromatin-Zugänglichkeit für die Prägung des epigenetischen Gedächtnis-Repertoires unterstreicht. Insgesamt identifiziert diese Arbeit zum ersten Mal klonale Expansion und Persistenz innerhalb des angeborenen Immunsystems im Menschen und deutet daraufhin, dass diese zentralen Mechanismen zur Ausbildung von immunologischem Gedächtnis evolutionär unabhängig von diversifizierten Antigen-Rezeptoren entstanden sind. / A hallmark of adaptive immunity is the clonal selection and expansion of cells with somatically diversified receptors and their long-term maintenance as memory cells. The innate immune system, in contrast, is wired to rapidly respond to pathogens via a broad set of germline-encoded receptors, acquiring epigenetic imprinting at the population level. The presented work challenges this paradigm by studying Natural Killer (NK) cell memory to human Cytomegalovirus (HCMV) infection as an example of pathogen-specific adaptation within the innate immune system. Leveraging single-cell multi-omic maps of ex vivo NK cells and somatic mitochondrial DNA (mtDNA) mutations as endogenous barcodes, we reveal drastic clonal expansions of adaptive NK cells in HCMV+ individuals. NK cell clonotypes were characterized by a convergent inflammatory memory signature driven by AP1 transcription factor activity, superimposed on a private set of clone-specific accessible chromatin regions. Strikingly, NK cell clones were stably maintained in their specific epigenetic states for up to 19 months, revealing that clonal inheritance of chromatin accessibility shapes the epigenetic memory repertoire. Together, this work presents the first identification of clonal expansion and persistence within the human innate immune system, suggesting these central mechanisms of immune memory have evolved independently of antigen-receptor diversification.