Zu den höheren kognitiven Fähigkeiten des menschlichen Neokortex gehören abstraktes Denken, komplexes Verstehen, Sprache und Lernfähigkeit. Die Bildung der Großhirnrinde beginnt in der mittleren Phase der Embryogenese und ist ein hochgradig organisierter und streng regulierter Prozess. Durch asymmetrische Teilung neuronaler Stammzellen entstehen unreife Neuronen, die im Anschluss an ihre Migration ihre spezifische Position innerhalb des Cortex einnehmen. Der korrekte Erwerb der axonalen Morphologie und die Spezifizierung des Dendritenbaums bilden die Grundlage für die Etablierung der kortikalen Konnektivität. Diese morphologischen Merkmale werden durch intrinsische genetische Programme der postmitotischen Differenzierung kodiert sowie durch entwicklungsbedingte Einflüsse im extrazellulären Milieu reguliert. Das im endoplasmatischen Retikulum lokalisierte Inositol-Requiring Enzyme 1α (Ire1α) ist einer der Hauptregulatoren der entfalteten Proteinantwort. In dieser Studie zeigen wir, dass Ire1α für die Spezifizierung der Neurone der oberen Cortexschichten sowie den Erwerb der neuronalen Morphologie von zentraler Bedeutung ist, indem es mRNA-Translationsraten reguliert. Diese Arbeit zeigt auch, dass frühe und späte kortikale neuronale Vorläuferzellen sowie früh und spät geborene postmitotische Neurone unterschiedliche Translationsraten aufweisen, was auf differenzierte Anforderungen an die Proteom-Synthesemaschinerie bezüglich der Entwicklung der kortikalen Schichten hinweist. Störungen in allen Phasen der kortikalen Entwicklung, welche entweder auf Umweltfaktoren oder Genmutationen zurückzuführen sind, können zu einer abweichenden Physiologie der kortikalen Schaltkreise führen. Eine große Anzahl solcher Anomalien kann zu schweren neurologischen Erkrankungen wie Epilepsie oder komplexen Störungen mit Epilepsie wie Rett-Syndrom, Angelman-Syndrom, Mowat-Wilson-Syndrom, Lafora-Krankheit und/oder Kaufman-Okulozerebrofazial-Syndrom führen. / Higher cognitive abilities of human neocortex comprise abstract thinking, complex comprehension, language and learning capacity. Formation of the cerebral cortex begins in the middle of embryogenesis and is a tightly organized and highly regulated process. Asymmetric divisions of neuronal stem cells give rise to immature neurons that migrate to consequently assume their specific position in the cortical plate. Correct acquisition of a single-axon morphology and specification of the dendritic tree complexity sets grounds for establishment of cortical connectivity. These morphological characteristics are encoded by intrinsic genetic programs of postmitotic differentiation and regulated by developmental cues in the extracellular milieu. Endoplasmic Reticulum resident Inositol-Requiring Enzyme 1α (Ire1α) is one of the main regulators of the unfolded protein response. In this study, we demonstrate that Ire1α is pivotal for specification of upper layer cortical neurons and the acquisition of the neuronal morphology by regulating mRNA translation rates. This work also shows that early and late cortical neuronal progenitors and early- and late-born postmitotic neurons exhibit different translation rates, indicative of the specific requirements for the proteome synthesis machinery for the development of cortical layers. Disturbances of any cortical developmental milestones due to either environmental factors or gene mutations may result in aberrant physiology of cortical circuits. High number of such abnormalities can lead to serious neurological diseases such as epilepsy or complex disorders with epilepsy such as Rett syndrome, Angelman syndrome, Mowat-Wilson syndrome, Lafora disease and/or Kaufman oculocerebrofacial syndrome. One major hypothesis of the causes of epilepsy links its molecular pathology to alterations in excitation/inhibition (E/I) balance in the neuronal networks.

Die mitotische Spindel ist ideal für die Erforschung der Selbstorganisation und Plastizität molekularer Kollektive im Zytoplasma. Die Geometrie der Spindel ist entscheidend für die korrekte Chromosomentrennung, muss sich aber an die Zellgröße anpassen. Es ist unbekannt, ob und wie Zellen während ihrer Differenzierung die Spindelarchitektur anpassen, was insbesondere während der Gehirnentwicklung relevant ist. Wir untersuchten dies mit Maus-Embryonalstammzellen, die in frühe neuronale Vorläuferzellen differenziert wurden. Wir entwickelten ein automatisiertes Mikroskopieprotokoll um einen umfassenden Datensatz von mitotischen Zellen zu generieren. Außerdem entwickelten wir Spindle3D, ein Werkzeug zur dreidimensionalen Analyse von Spindeln. Überraschenderweise waren die Spindelvolumina in differenzierenden Zellen bis zu 24% kleiner als in pluripotenten Zellen. Während die Wachstumsgeschwindigkeit der Mikrotubuli unverändert blieb, verschob sich in sich differenzierenden Zellen die Nukleation von Mikrotubuli zugunsten der astralen Population. Diese Veränderung der Spindelarchitektur basierte auf der differenzierungsbedingten Verdünnung des Zytoplasmas. Dies aktivierte CPAP, ein Protein, das die Zentrosomenreifung reguliert, was zur Superskalierung des perizentriolären Materials und verstärkte Rekrutierung von gamma-Tubulin an den Zentrosomen und somit zur Umlagerung von Mikrotubuli innerhalb der Spindel führte. Diese Veränderungen der mitotischen Architektur konnten durch externe osmotische Einwirkung in undifferenzierten Zellen nachgestellt werden. Insgesamt verbinden unsere Ergebnisse zelltypspezifische zytoplasmatische Materialeigenschaften mit der Spindelarchitektur. / The mitotic spindle provides an excellent system in which to study the plasticity of molecular collectives. To segregate chromosomes accurately, the spindle’s geometry must be adaptive to changes in cell size. It is unknown whether and how differentiating cells adjust spindle architecture, specifically during brain development when spindle defects have severe pathological consequences. Using murine embryonic stem cells, we recapitulated the transition from pluripotency to early neural cell identities in vitro. Aiming at a systematic exploration of spindle and cell morphology throughout this process, we developed an automated microscopy protocol and Spindle3D, a morphometric tool for the analysis of spindles in confocal images. Intriguingly, in cells with comparable cell volume, spindle volumes were up to 24% smaller in cells undergoing differentiation. While microtubule growth speed remained equal, we measured increased nucleation of astral microtubules at the expense of the spindle bulk in differentiating cells. The shift in spindle architecture was explained by the differentiation-driven cytoplasmic dilution. This activated the centrosomal regulator CPAP, causing the superscaling of the pericentriolar material and the concomitant increased recruitment of gamma-tubulin to the centrosomes, redistributing microtubule numbers within the spindle. Mimicking the dilution effect by osmotic challenge reproduced the same mitotic architecture in undifferentiated cells. Collectively, our results link cell state-specific cytoplasmic material properties to spindle architecture.

Die Geschlechtsbestimmung bei Säugetieren erfolgt über gegensätzliche Netzwerke von ovariellen und testikulären Genen, die recht gut charakterisiert sind. Die epigenetischen Mechanismen, insbesondere diejenigen, die die 3D-Chromatinorganisation beeinflussen, sind jedoch größtenteils unbekannt. Ich habe die 3D-Chromatinlandschaft der Geschlechtsbestimmung in vivo untersucht, indem ich FACS-sortierte embryonale Mausgonadenpopulationen vor und nach der Geschlechtsbestimmung in beiden Geschlechtern analysierte. Dabei wurde eine begrenzte Variation in der dreidimensionalen Chromatindynamik beobachtet, insbesondere bei den Topologically Associating Domains (TADs). Konventionelle Hi-C-Analysemethoden sind hauptsächlich auf vordefinierte 3D-Strukturen ausgerichtet und könnten potenziell andere Veränderungen in der Chromatinorganisation übersehen, die für die Genregulation relevant sein könnten. Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurde METALoci eingesetzt - ein innovatives Werkzeug, das Hi-C- und ChIP-seq-Daten integriert und räumliche Autokorrelationsanalyse nutzt, um dreidimensionale Enhancer-Hubs im gesamten Genom zu identifizieren. METALoci zeigte eine deutliche Umverdrahtung von Chromatininteraktionen während der Geschlechtsbestimmung, die die regulatorischen Landschaften von Hunderten von Genen beeinflusste. Darüber hinaus führte die Vorhersagekraft von METALoci in Kombination mit funktionalen Validierungen an transgenen Mäusen zur Identifizierung eines neuen Fgf9-regulatorischen Hubs. Die Deletion dieses Hubs führte zu teilweisem Geschlechtsumkehr von männlich zu weiblich, mit einer Hochregulierung ovarieller spezifischer Marker und der Einleitung der Meiose. So erweist sich die räumliche Autokorrelationsanalyse als eine effektive Strategie zur Identifizierung von regulatorischen Netzwerken, die mit biologischen Prozessen verbunden sind, und zur anschließenden Charakterisierung der funktionalen Rolle des dreidimensionalen Genoms. / Mammalian sex is determined by opposing networks of ovarian and testicular genes that are relatively well characterized. Yet, the epigenetic mechanisms governing sex determi- nation, in particular those involving 3D chromatin organization, remain largely unknown. This gap of knowledge constrains our understanding of a fundamental process for species reproduction and perpetuation. Here, I explored the 3D chromatin landscape of sex deter- mination in vivo, by profiling FACS-sorted embryonic mouse gonadal populations, prior and after sex determination, in both sexes. Using conventional Hi-C analysis tools, limited variation in the 3D chromatin dynamics was observed, especially at the level of Topolog- ically Associating Domains (TADs). This contrasts with the broad transcriptional differ- ences occurring during sex determination. Yet, conventional Hi-C analysis methodologies are largely focused on predefined 3D structures, potentially overlooking other types of changes in chromatin organization that might be relevant for gene regulation. To ad- dress these limitations, METALoci was applied- an innovative tool that integrates Hi-C and ChIP-seq data and relies on spatial auto-correlation analysis to identify 3D enhancer hubs distributed throughout the genome. METALoci uncovered a prominent rewiring of chromatin interactions during sex determination, affecting the regulatory landscapes of hundreds of genes. Furthermore, METALoci ’s predictive capacity, in combination with functional validations in transgenic mice led to the identification of a novel Fgf9 regulatory hub, which deletion resulted in partial male-to-female sex reversal with the upregulation of ovarian-specific markers and the initiation of meiosis. Thus, spatial auto-correlation anal- ysis proves to be an effective strategy to identify regulatory networks linked to biological processes and to subsequently characterize the functional role of the 3D genome.

Etliche Membran Transport Proteine (MTP) sind essentiell in den Plasmodium Blutstadien, und geraten zunehmend in den Fokus der Wirkstoffentwicklung. Die physiologischen Rollen der Transporter sind jedoch oft ungeklärt. In dieser Arbeit wurden mittels experimenteller Genetik funktionelle Charakteristika der MTPs untersucht. Am Maus Parasiten Plasmodium berghei und der Plasmodium falciparum Blutstadien-Kultur wurden vier MTPs ausgewählt: ein konservierter Folat Transporter (FT2), sowie eine P. falciparum-spezifisches P-Typ ATPase und zwei essentielle MTPs (CRT und ATP4). Diese Auswahl verkörpert ein breites Spektrum an MTP Kandidaten und reflektieren zudem das Potenzial und die Grenzen funktioneller Analysen von Plasmodium MTPs mittels reverser Genetik. Für den Folat Transporter 2 (FT2) wurde eine Kombination von transgenen Strategien auf P. berghei angewandt. Durch ein endogenes tag von FT2 wurde die Lokalisierung im Apicoplast, sowie dessen Expression über fast den kompletten Zyklus hinweg gezeigt. Nach der Deletion von FT2, wiesen die Parasiten einen Defekt während der Sporulation auf. Demzufolge bilden sich nur nicht infektiöse Sporozoiten, was letztendlich zur Unterbrechung des Lebenszyklus der Parasiten führt. Eine Aminophospholipid P-Typ ATPase, wurde mittels CRISPR/Cas9 in P. falciparum genetisch deletiert und die Mutante analysiert. Im Gegensatz zu den meisten vitalen P-Typ ATPasen erweist sich das Gen in den asexuellen Blutstadien als entbehrlich. Des Weiteren bilden die MTPs ATP4 und CRT einen einflussreichen Faktor bei Malaria-Therapien. Eine umfassende Analyse von räumlichen und zeitlichen Expressionsmustern von transgenen Parasiten mit mCherry-getaggten Proteinen zeigt ein Expression der beiden MTPs über die Blutstadien hinaus, was auf zusätzliche Funktionen in den jeweiligen Stadien verweist. Diese Studie trägt, basierend auf Lokalisation, Expression und funktioneller Deletion, zur funktionellen Entschlüsselung der vier untersuchten MTPs bei. / Many membrane transport proteins (MTP) are essential for Plasmodium infection and gain importance as candidate drug targets in malaria therapy, whereas the physiological functions often remain enigmatic. In this thesis, we applied experimental genetics to determine key characteristics of four Plasmodium MTPs. We employed the murine malaria model parasite Plasmodium berghei and in vitro blood cultures of Plasmodium falciparum. We selected one conserved MTP called FT2, which was previously shown to transport folate, a P-type ATPase that is specific for P. falciparum as well as two essential MTPs, CRT and ATP4. These targets exemplify the range of druggable candidates and illustrate the potential and limitations of reverse genetics to decipher their physiological roles. A combination of transgenic and knockout strategies was applied to the P. berghei folate transporter 2 (FT2). We show that endogenously tagged FT2 localises to the apicoplast membranes, and is broadly expressed throughout the parasite’s life cycle. Analysis of FT2-deficient parasites revealed a severe sporulation defect in the vector; the vast majority of ft2– oocysts form large intracellular vesicles which displace the cytoplasm. Very few sporozoites are generated and these are non-infectious to the mammalian host, resulting in a complete arrest of Plasmodium transmission. A candidate aminophospholipid P-type ATPase, was assessed by a CRISPR/Cas9-mediated gene disruption. Compared to many vital P-type ATPases this gene is dispensable for asexual blood replication. Two MTPs, ATP4 and CRT are prime targets for antimalarial therapies. A comprehensive spatio-temporal expression analysis of transgenic parasites expressing mCherry-tagged proteins revealed expression beyond blood infection, indicative of functions in additional parasite stages. The findings of this study contribute towards a better understanding of the roles of the four MTPs based on localisation, expression and functional deletion.

Malariakontrolle ist von Resistenzen gegen Malariamedikamente wie Chloroquin (CQ) und Artemisininderivaten (ART) bedroht. Hier untersuchten wir das Ausmaß dieser Resistenzen in Fünf Feldstudien in Nigeria, Ruanda und Südwestindien unter Beurteilung der Prävalenzen Arzneimittelresistenz-assoziierter Mutation der Plasmodium-Parasiten (P. falciparum: K13, dhps, dhfr, mdr1 und P. vivax: mdr1) z.T. in Korrelation mit klinischen Patientendaten und ex-vivo Überlebensraten (ÜLR) unter Zugabe von ART. K13 wurde in 360 zwischen 2010-2018 gesammelte ruandischen P. falciparum Isolaten genotypisiert. Erstmals fanden wir dort niedrige Frequenzen der mit ART-Resistenz assoziierten K13-Mutation. Jedoch lassen Mutation mit niedrigen ÜLR, sowie ein Isolat mit hohen ÜLR aber ohne K13-Mutation eines Patienten der die Infektion unter Therapie nicht eliminieren konnte, Fragen offen. Ca.100 indische P. falciparum und P. vivax Isolaten aus 2015 wurden auf Mutationen in P. falciparum Markern für die Resistenz gegen Sulfadoxin-Pyrimethamin (SP) (d.h. pfdhps/pfdhfr), Artesunat (AS) (d.h. K13) und Lumefantrin (d.h. pfmdr1) sowie P. vivax Marker für CQ-Resistenz (pvmdr1) untersucht. Der Großteil der Isolate zeigt Mutationen die SP-Resistenz hervorrufen, daher könnte die Effizienz der AS+SP-Therapie begrenzen sein. Außerdem eignet sich Lumefantrin nicht als alternatives Medikament auf Grund der beobachteten Dominanz des pfmdr1-Haplotyps „NFD“. Die Abwesenheit der pvmdr1-Mutation Y976F und erfolgreiche Behandlungen zeigen, die Wirksamkeit von CQ gegen vivax Malaria im Studiengebiet. Auch Isolate von nigerianischen Schwangeren mit asymptomatischer P. falciparum Infektion zeigten hohe Prävalenzen von pfdhfr/pfdhps Vier- und Fünffachmutanten darum ist die Wirksamkeit der präventiver Therapie Schwangerer mit SP in Nigeria ernsthaft gefährdet. Die Daten spiegeln die Häufigkeit der Resistenzen gegen Malariamittel in diesen Gebieten wieder mit großen Unterschieden zwischen Regionen und Medikamenten. / The spread of resistance to antimalarial drugs such as chloroquine (CQ) and artemisinins (ART) is a great threat to malaria control. Here, we investigated the extent of such resistance in Nigeria, Rwanda and south-western India. We assessed the prevalence of mutations in few Plasmodium parasites’ markers of resistance, namely P. falciparum genes K13 (ART), pfdhps/pfdhfr (sulfadoxine-pyrimethamine, SP) and pfmdr1 (lumefantrine) as well as P. vivax gene pvmdr1 (CQ) in 5 field studies conducted in 2010-2018, and partially correlated the results to patients’ clinical outcome. Few isolates from Rwanda, were also evaluated for their parasite ex vivo survival rates (SR) upon exposure to ART. We tracked ART resistance in Rwanda by genotyping K13 in 360 P. falciparum isolates from 2010-2018. We showed for the first time that K13 mutations associated with ART resistance are present here, thus in Africa, at a low frequency. However, mutations occurred in patients who recovered and/or had low SR. Of note, one patient with high SR but no K13 mutation was still parasitemic after ART treatment. Moreover, we assessed the presence of mutations in K13, pfdhps/pfdhfr, pfmdr1 and pvmdr1 in ca 100 P. falciparum and 100 P. vivax isolates from south-western India. Most of P. falciparum isolates carried pfdhfr/pfdhps mutations conferring SP resistance, menacing the efficacy of SP-ART treatment. Also, the high prevalence of pfmdr1 haplotype “NFD” advised against the introduction of lumefantrine. The low rates of P. vivax pvmdr1 Y976F and patients’ successful parasite clearance, indicated that CQ remains effective in the area. Finally, a high rate of pfdhfr/pfdhps quadruple and quintuple mutant was observed in Nigerian pregnant women with asymptomatic P. falciparum infection, hence the effectiveness of preventive treatment with SP in pregnancy might be threatened. The data reflected the abundance of antimalarials resistance in these areas with important differences between regions and drugs.

Bis heute sind die beiden Ratten-Cytomegalovirus (RCMV)-Isolate RCMV-England (RCMV-E) und RCMV-Berlin (RCMV-B) die einzig bekannten Viren, die ein Homolog von XCL1 kodieren, einem g-Chemokin, das vom Virus kopiert wurde um das Chemokin-Netzwerk des Wirts zu beeinträchtigen. Wie das Wirtshomolog lockt vXCL1 ausschließlich dendritische Zellen (DC) an, die den XC-Chemokinrezeptor 1 (XCR1) exprimieren. In dieser Arbeit wurde untersucht, inwieweit RCMV die XCL1-XCR1-Achse nutzt, um DC zu infizieren und sich im Wirt auszubreiten. In der Ratte konnten zwei DC-Hauptpopulationen identifiziert werden, XCR1+ CD4- und XCR1- CD4+ DC. Es konnte gezeigt werden, dass Überstände von RCMV-infizierten embryonalen Rattenfibroblasten ausschließlich die XCR1+ CD4- Population anlocken. Darüber hinaus konnte nachgewiesen werden, dass RCMV DC infiziert. Durch die Anreicherung wurden DC aktiviert. Während der Infektion inhibierte RCMV die Hochregulation von Reifungsmarkern, einschließlich CD40, CD86 und CCR7. Unabhängig von vXCL1 scheint RCMV die DC-Funktionalität durch das Herunterregulieren von Reifungsgenen zu lähmen. Um die Rolle von XCR1 und die Funktion von vXCL1 in vivo zu analysieren, wurden Xcr1+/+ und Xcr1-/- Ratten mit RCMV-B wt und RCMV-B D-vxcl1 infiziert. Während das XCR1- Expressionsniveau einen Einfluss auf die Geschwindigkeit der RCMV-Verbreitung in den Speicheldrüsen hatte, führte das Fehlen von vXCL1 zu einer starken Abnahme der Virusausbreitung. Die DC-Migration in die Speicheldrüsen war sowohl von vXCL1 als auch von XCR1 abhängig und war reduziert, wenn vXCL1 und XCR1 nicht vorhanden waren. Während der Infektion wurden CD8+ T-Zellen in die Speicheldrüsen rekrutiert. Diese Migration blieb jedoch aus, wenn Xcr1+/+ Ratten mit RCMV-B D-vxcl1 infiziert wurden. Zusammenfassend besitzt RCMV die Fähigkeit DC unabhängig von der vXCL1-Expression zu infizieren. RCMV verwendet vXCL1, um XCR1+ DC anzulocken, was entscheidend für die Virusausbreitung in die Speicheldrüsen zu sein scheint. / To date, the two Rat Cytomegalovirus (RCMV) isolates RCMV-England (RCMV-E) and RCMV-Berlin (RCMV-B) are the only known viruses that encode a homolog of XCL1, a gamma- chemokine adopted by viral piracy to interfere with the host’s chemokine network. Like its host homolog, vXCL1 exclusively attracts dendritic cells (DC) that express the XC chemokine receptor 1 (XCR1). In this work, it was investigated whether RCMV misuses the XCL1-XCR1 axis to infect DC in order to disseminate within the host. Initially, rat DC phenotyping revealed two major DC populations, XCR1+ CD4- DC and XCR1- CD4+. It could be shown that supernatants of RCMV-infected rat embryonic fibroblasts solely attracted the XCR1+ CD4- population. Moreover, RCMV was able to infect and replicate in DC. Due to digestion of the spleen and leukocyte enrichment DC became activated leading to full maturation 24 h after cell isolation. During infection, RCMV inhibited the upregulation of several maturation markers including CD40, CD86 and CCR7 and also led to reduced expression of MHCII, CD4 and XCR1. Regardless of vXCL1, RCMV appears to paralyze DC functionality by downregulating maturation genes. In order to analyze the role of XCR1 and vXCL1 function in vivo, Xcr1+/+ and Xcr1-/- rats were infected with RCMV-B wt and RCMV-B delta-vxcl1. Whereas the XCR1 expression level had an influence on the pace of RCMV-B wt dissemination to the salivary glands, the absence of vXCL1 led to a strong decrease in viral spread. DC migration to the salivary glands was dependent on vXCL1 as well as XCR1 and was markedly reduced when vXCL1 and XCR1 were not present. During infection, CD8+ T cells were recruited to the salivary glands, however, this migration was missing when Xcr1+/+ rats were infected with RCMV-B delta-vxcl1. In conclusion, RCMV has the ability to infect DC regardless of vXCL1 expression. RCMV uses vXCL1 to attract XCR1+ DC which appears to be important for viral dissemination to the salivary glands.

Atherosklerose ist eine verbreitete Krankheit deren Pathogenese unzureichend erforscht ist. Bekannt ist jedoch, dass externe und interne Faktoren eine Rolle spielen. Die zugrunde liegenden Prozesse müssen genauer untersucht werden, um neue Therapieansätze zu entwickeln. Als Allroundtalent könnte Serotonin (5-HT) ein Kandidat sein, der eine entscheidende Rolle bei der atherosklerotischen Pathogenese spielt. Ob und wie dieses Hormon die Bildung atherosklerotischer Plaques, Makrophageninvasion, Verkalkung und Fibrose beeinflusst, war Gegenstand dieser Studie. Die vorliegende Studie ist die erste ihrer Art, die den neuartigen Ansatz von transgenen Doppel-Knockout-Mäusen verwendet, denen das Apolipoprotein E (ApoE) fehlt und, die das Schlüsselenzym für die periphere 5-HT-Synthese, Tryptophanhydroxylase 1 (Tph1), oder den primären 5-HT-Transporter (SERT) nicht bilden. Physiologie, Stoffwechselparameter und atherogene Prozesse wurden in ApoE/Tph1-/- und ApoE/Sert-/- Tieren mithilfe eines breiten Methodenspektrums untersucht und resultierten in einem umfassenden Überblick über die Wirkungsweisen von 5-HT auf Atherosklerose. Die 5-HT-Rezeptorverteilung ist unterschiedlich in Gefäßen von verschiedenen Mauslinien und in denen von Tieren mit Tph1-Defizienz, die in diesen Linien erzeugt wurden. Ferner weisen ApoE/Tph1-/- und ApoE/Sert-/- verschiedene Phänotypen auf: Tph1-Defizienz führt zu verminderter Zunahme des Körpergewichts, niedrigerem Plasmacholesterin und Leberparametern und erhöhtem Lebergewicht. Sert-Defizienz bedingt erhöhten Blutzucker, Plasmacholesterin und die Ausbildung größerer Plaques, sowie vermehrte Kollagenakkumulation. Die Langzeitgabe einer Western-Diät zeigte, dass Tph1-Defizienz schützende Wirkung auf den Lipidstoffwechsel hat, ein klarer Effekt auf die Atherogenese konnte nicht ermittelt werden. Zusammenfassend hebt diese Studie die komplexen Beziehungen vieler Faktoren während der Krankheit hervor. 5-HT spielt bei vielen dieser Faktoren eine Rolle, scheint jedoch nur eine schwache aber protektive Wirkung auf Atherogenese selbst zu haben. / Atherosclerosis is a common disease and its pathogenesis is only poorly understood. It’s known that external and internal factors play a role, but the exact processes need to be investigated more intensively to develop novel therapy approaches. As an all-round talent, serotonin (5-HT) might be a promising candidate to play a crucial role in atherosclerosis. If and how 5-HT affects atherosclerotic plaque formation, macrophage invasion, calcification and fibrosis was focus of this study. This study is the first of its kind using the novel approach of transgenic double knockout mice lacking the apolipoprotein E (ApoE, atherosclerosis model) and either the key enzyme in peripheral 5-HT synthesis, tryptophan hydroxylase 1 (Tph1) or the major 5-HT transporter, SERT. Physiology, metabolic parameters and atherogenic processes in ApoE/Tph1-/- and ApoE/Sert-/- animals were examined using a broad spectrum of methods and resulted in an extensive overview of how 5-HT might influence the pathogenesis of atherosclerosis. Most striking results of this study: 5-HT receptor distribution is altered in vessels of different background strains, and also in Tph1 deficient animals generated in these strains. Further, the examination of ApoE/Tph1-/- and ApoE/Sert-/- mice elucidated that both double knockouts exhibit different phenotypes: While Tph1 deficiency resulted in decreased bodyweight, plasma cholesterol and liver parameters and increased liver weight, Sert deficiency caused increases in blood glucose, plasma cholesterol, plaque size and collagen in plaques. Long term Western Diet application confirmed that Tph1 deficiency decreases weight gain and has protective effects on lipid metabolism, but a clear effect on atherogenesis could not be reported. Concluding, this study highlights the complex relationship between many factors acting on atherosclerotic pathogenesis. 5-HT plays a role in many of those factors, but seems to have only minor but protective effects on atherogenesis itself.

Die Signalwege des transformierenden Wachstumsfaktors β (TGF-β) spielen eine entscheidende Rolle bei der Zellproliferation, -migration und -apoptose durch die Aktivierung von Smad-Proteinen. Untersuchungen haben gezeigt, dass die biologischen Wirkungen des TGF-β-Signalwegs stark vom Zellkontext abhängen. In dieser Arbeit ging es darum zu verstehen, wie TGF-β-Signale Zielgene unterschiedlich regulieren können, wie unterschiedliche Dynamiken der Genexpression durch TGF-β-Signale induziert werden und auf welche Weise Smad-Proteine zu unterschiedlichen Expressionsmustern von TGF- β-Zielgenen beitragen. Der Fokus dieser Studie liegt auf den transkriptionsregulatorischen Effekten des Nodal / Activin-Liganden, der zur TGF-β-Superfamilie gehört und ein wichtiger Faktor in der frühen embryonalen Entwicklung ist. Um diese Effekte zu analysieren, habe ich kinetische Modelle entwickelt und mit den Zeitverlaufsdaten von RNA-Polymerase II (Pol II) und Smad2-Chromatin-Bindungsprofilen für die Zielgene kalibriert. Unter Verwendung des Akaike-Informationskriteriums (AIC) zur Bewertung verschiedener kinetischer Modelle stellten wir fest, dass der Nodal / Activin-Signalweg Zielgene über verschiedene Mechanismen reguliert. Im Nodal / Activin-Smad2-Signalweg spielt Smad2 für verschiedene Zielgene unterschiedliche regulatorische Rollen. Wir zeigen, wie Smad2 daran beteiligt ist, die Transkriptions- oder Abbaurate jedes Zielgens separat zu regulieren. Darüber hinaus werden eine Reihe von Merkmalen, die die Transkriptionsdynamik von Zielgenen vorhersagen können, durch logistische Regression ausgewählt. Der hier vorgestellte Ansatz liefert quantitative Beziehungen zwischen der Dynamik des Transkriptionsfaktors und den Transkriptionsantworten. Diese Arbeit bietet auch einen allgemeinen mathematischen Rahmen für die Untersuchung der Transkriptionsregulation anderer Signalwege. / Transforming growth factor-β (TGF-β) signaling pathways play a crucial role in cell proliferation, migration, and apoptosis through the activation of Smad proteins. Research has shown that the biological effects of TGF-β signaling pathway are highly cellular-context-dependent. In this thesis work, I aimed at understanding how TGF-β signaling can regulate target genes differently, how different dynamics of gene expressions are induced by TGF-β signal, and what is the role of Smad proteins in differing the profiles of target gene expression. In this study, I focused on the transcriptional responses to the Nodal/Activin ligand, which is a member of the TGF-β superfamily and a key regulator of early embryonic development. Kinetic models were developed and calibrated with the time course data of RNA polymerase II (Pol II) and Smad2 chromatin binding profiles for the target genes. Using the Akaike information criterion (AIC) to evaluate different kinetic models, we discovered that Nodal/Activin signaling regulates target genes via different mechanisms. In the Nodal/Activin-Smad2 signaling pathway, Smad2 plays different regulatory roles on different target genes. We show how Smad2 participates in regulating the transcription or degradation rate of each target gene separately. Moreover, a series of features that can predict the transcription dynamics of target genes are selected by logistic regression. The approach we present here provides quantitative relationships between transcription factor dynamics and transcriptional responses. This work also provides a general computational framework for studying the transcription regulations of other signaling pathways.

Für die E. coli K12 Biofilmbildung ist die Expression des Masterregulators CsgD essentiell. Dies erfordert das Signalmolekül c-di-GMP, dessen Auf- und Abbau durch 12 Diguanylatzyklasen (DGCs mit GGDEF-Domänen) und 13 Phosphodiesterasen (PDEs mit EAL-Domänen) erfolgt. DgcE ist mit einer MASE1-umfassenden Transmembranregion (TM), drei PAS-, einer GGDEF- und einer degenerierten EAL-Domäne die strukturell komplexeste DGC und notwendig für die Biofilmbildung. Diese Arbeit zeigt, dass die Aktivität von DgcE einer hoch komplexen Regulation unterliegt. Einzelnen DgcE-Domänen konnten aktivierende bzw. inhibierende Rollen hinsichtlich der Biofilmmatrixsynthese zugeordnet werden. Die Biofilmbildung hängt von DgcE-produziertem c-di-GMP ab, wobei die DgcE-Dimerisierung v.a. durch die PAS-Region vermittelt wird. Die EAL-Domäne wirkt einer aktiven DgcE-Form entgegen. Für die DgcE-vermittelte Matrixproduktion sind die GTPase YjdA und sein Partnerprotein YjcZ nötig. Über Interaktionen mit YjcZ und der TM von DgcE vermittelt YjdA eine Komplexbildung. Die Interaktion von YjdA und DgcE sowie die Matrixproduktion hängen von der GTPase-Aktivität von YjdA ab. GTP wird daher als intrazelluläres Signal vorgeschlagen, das die Aktivierung von DgcE durch YjdA/YjcZ reguliert. Die MASE1-umfassende TM agiert als Zentrale der Signalintegration. Einerseits ist sie nötig für die DgcE-Aktivität und andererseits ist sie an einem massiven Abbau von DgcE beteiligt. Zudem wurden neu identifizierte Curli-regulierende Gene (rbsK, rbsR, ydcI, yieP, puuR) untersucht, wobei keines über das PdeR/DgcM/MlrA-Modul in die c-di-GMP-vermittelte CsgD-Expression eingreift. Flagellare Verknotungen in der unteren Schicht von E. coli Makrokolonien tragen zur Morphogenese dieser Makrokolonien bei. Diese Arbeit zeigt, dass Flagellenverknotungen zu einer verminderten Expression der Master-PDE PdeH beitragen, wodurch vermutlich die zelluläre c-di-GMP-Konzentration steigt und somit die Biofilmbildung begünstigt wird. / Biofilm formation of E. coli K12 requires the expression of the biofilm master regulator CsgD. This process depends on the signaling molecule c-di-GMP, which is synthesized by 12 diguanylate cyclases (DGCs with GGDEF domains) and degraded by 13 phosphodiesterases (PDEs with EAL domains). DgcE is the most complex DGC with a MASE1-containing transmembrane region (TM), three PAS, a GGDEF and a degenerate EAL domain, and it is essential for biofilm formation. This work shows that the regulation of the DgcE activity is highly complex. It was possible to assign activating and inhibitory roles to single domains of DgcE with regard to the expression of biofilm matrix components. C-di-GMP produced by DgcE is necessary for biofilm matrix production. The dimerization of DgcE is mainly mediated by the PAS region, whereas the EAL domain counteracts an active form of DgcE. DgcE-mediated matrix synthesis requires the activating signal input of the GTPase YjdA and its partner protein YjcZ. DgcE, YjdA and YjcZ form a protein complex in which YjdA directly interacts with YjcZ and the TM of DgcE. The interaction between DgcE and YjdA as well as the matrix expression depend on the GTPase activity of YjdA. Thus, it is proposed that GTP serves as an intracellular signal regulating the activation of DgcE by YjdA/YjcZ. The MASE1-containing TM proved to be a central hub for signal integration. It is both required for DgcE activity and for a massive degradation of DgcE. Furthermore, newly discovered curli-regulating genes (rbsK, rbsR, ydcI, yieP, puuR) have been analyzed. None of those gene products act on CsgD expression via the PdeR/DgcM/MlrA module. Flagellar entangling within the bottom layer of E. coli macrocolonies determines morphogenesis of macrocolonies. The data presented here suggest that the master PDE PdeH is somehow down-regulated by flagellar entangling, which probably results in a higher cellular c-di-GMP concentration, thereby promoting biofilm formation.

Für die meisten Säugetiere ist Navigation eine essentielle kognitive Fähigkeit. Im Bereich der Neurowissenschaften gab es immense Fortschritte im Verständnis neuronaler Grundlagen von Navigation. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der neuronalen Grundlage von Navigation im Hinblick auf Hirnstruktur (d.h. Parasubikulum) und ethologisch relevante Verhaltensweisen (d.h. Heimkehr und Spielverhalten). Im ersten Kapitel konzentriere ich mich auf das Verhältnis von Struktur und Funktion im Parasubikulum. Wir postulieren, dass das Parasubikulum durch seine selektive Vernetzung mit dem entorhinalen Kortex, durch seine starke interne Konnektivität, sowie wegen dem hohen Grad räumlich selektiver Aktivitätsmuster seiner Neurone im Bezug auf die Kontrolle von Gitterzellaktivität und räumlicher Navigation eine herausragende Stellung einnimmt. Im zweiten Kapitel untersuche ich die neuronale Grundlage von Heimkehr. Wir nutzen die starke Verbundenheit von Laborratten zu ihrem Zuhause. Wir zeigen, dass das Parasubikulum und der entorhinale Kortex keinen expliziten Heimvektor besitzen und dass die Präsenz des Zuhauses keine globale Veränderung der neuralen Repräsentation des Raums hervorruft. Allerdings führte die Präsenz des Zuhauses oder anderer geometrischer Objekte zu einer Verzerrung von Gitterzellen. Im dritten Kapitel unteruche ich Navigation im Hinblick auf Spielverhalten. Ratten erlernen das Versteckspiel schnell und verhalten sich erstaunlich regelkonform. Zeigen Ratten spielspezifische Vokalisationen. Gleichzeitige Ableitungen neuronaler Aktivität im medialen präfrontalen Kortex offenbarten starke und spezifische Antworten der meisten Nervenzellen auf verschiedene Phasen des Spiels des spezifischen Spielkontextes wiederspiegeln. Diese Arbeit liefert durch ihren ethologischen Ansatz und durch Verhaltensanalysen von sich frei verhaltenden Tieren einen wichtigen Beitrag zum besseren Verständnis neuronaler Grundlagen von Navigation im Säugetiergehirn. / Navigation is an essential cognitive skill in the life of most animals. Animals move along space to procure the advantages of different places in the environment, and to adapt to ever changing resources, dangers and needs. This thesis addresses the neural bases of navigation in the context of brain structure (i.e. the parasubiculum) and ethologically relevant behaviors (i.e. homing and playing). In the first chapter I focus on the structure function relation of the parasubiculum: an understudied area of the rat’s parahippocampal cortex. We performed the most comprehensive study of the parasubiculum up to date and propose that, because of its selective connectivity with the medial entorhinal cortex, its internal connectivity, and the high spatial and head directional tuning of its neurons, the parasubiculum sits in remarkable position to control grid cell activity and navigation. In the second chapter, I study the neural bases of homing. We use the lab-rat' s strong attachment to its home cage to study whether brains maintain an online home vector. We show, that the parasubiculum and medial entorhinal cortex do not have an explicit home vector representation, and that the presence of home did not affect global encoding of space. However, we do find that grid cells are distorted by the home or other geometrical features affecting the internal environment. In the third chapter, I study navigation in an interspecies role-playing game. We played 'Hide and Seek' with rats and found that they acquired the game easily and played by the rules. Rats were strategic and developed game specific vocalizations patterns. We recorded from the medial prefrontal cortex and found that neurons respond sharply to different phases of the game, and may encode as well the context in which this events take place. By emphasizing ethological approaches and free behaviors this thesis contributes to an increased understanding of the neural underpinnings of navigation in the mammalian brain.