Mitglieder der CCC1 like Proteinfamilie sind Metalltransportproteine und Homologe zum vakuolären Eisen- und Mangantransporter CCC1 aus S. cerevisiae. VIT1-Homologe als CCC1-like Proteine pflanzlicher Herkunft können eine Anwendung in der Eisen-Biofortifikation finden. Bei der Überexprimierung von TaVIT2 in Weizen wurde von der 4 fachen Erhöhung des Eisen- und Mangangehalts im Mehl berichtet (Connorton et al., 2017). Die Überexprimierung von OsVIT1 oder OsVIT2 in Reis hat zur Erhöhung sowohl vom Eisengehalt als auch von Zink- und Mangangehältern geführt (Zhang et al., 2012). In dieser Arbeit wurden 6 CCC1-like Proteine aus A. thaliana bezüglich ihrer Substratspezifität untersucht. VIT1 und fünf VIT-Like Proteine (VTLs) wurden an ihren N- und C Termini modifiziert und im Hefekomplementationsverfahren auf ihre Fähigkeit Eisen, Mangan oder Zink zu transportieren untersucht. Ein einfacher Algorithmus zur Modifizierung von Membranproteinen durch Entfernung mehrerer AS-Reste vom N- bzw. vom C-Terminus ist beschrieben. Es sollte untersucht werden, ob diese Modifizierung einen Einfluss auf die Hefekomplementation hat. Native und modifizierte VTLs wurden mittels GFP-Fusion in den Zelllokalisierungsstudien untersucht. Es sollte festgestellt werden, ob Modifikationen die Zelllokalisierung beeinflussen. Eine Lokalisierung an der Vakuolenmembran wurde für VIT1, VTL1-4 und für einige modifizierte VTL4-Konstrukte nachgewiesen. Dagegen zeigte das VTL5-Konstrukt vorwiegend eine Plasmamembranlokalisierung. Die Entfernung von 21 AS vom N Terminus von VTL4 bzw. von 23 AS vom N-Terminus von VIT1 hatten keinen Effekt auf die Komplementation der Δccc1 Mutante. Dagegen zeigten die entsprechenden Konstrukte keine Komplementation der Δpmr1 Mutante. Es wurden modifizierte Konstrukte von AtVIT1 und AtVTL4 gefunden, die nicht in der Lage waren Mangan und Zink zu transportieren und dadurch für Eisen spezifisch gewesen wären. Diese wären gute Kandidaten für eine eisenselektive Biofortifikation. / CCC1 like protein family are metal transport proteins with high homology to the S. cerevisiae vacuolar iron and manganese transporter CCC1. The plant members of this family such as VIT1-homologue might find an application in iron biofortification of crops. An almost 4-fold increase in the iron content in flour of TaVIT2 overexpressing wheat was demonstrated (Connorton et al., 2017), but the overexpressing plants showed a significant increase in manganese content as well. OsVIT1 or OsVIT2 overexpressing in rice (Zhang et al., 2012) lead to increased iron, zinc and manganese. In this thesis six member of A. thaliana CCC1-like proteins were investigated for their substrate specificity. VIT1 itself and five other VIT1-like proteins (called VTLs) were modified at their N- and C-termini and investigated for iron, manganese and zinc transport capacity via a yeast complementation assay. A simple algorithm to modify membrane proteins by removing AA rests from their N- and / or C-terminal regions is presented, and the effects of these modifications on the functionality of the modified protein by the yeast complementation test are reported. The cell localization of native and modified VTLs was studied using fusion to GFP to determine if modifications would alter the subcellular localization in yeast. VTL1-4 as well as VIT1 were localized to the vacuolar membrane of yeast cell. VTL5 was predominantly localized to the plasma membrane of the yeast cell. Some modified VTL4 constructs could still be localised to the vacuolar membrane. Removal of 21 AA from the N-terminus of AtVTL4 as well as removal of 23 AA from the N-terminus of AtVIT1 didn't affect the complementation of the Δccc1 mutant. In contrast no complementation of Δpmr1 mutant was seen with the same constructs. Certain modified forms of AtVIT1 and AtVTL4 were unable to transport either manganese or zinc. We propose that they might be iron-specific, and thus would be candidates for a selective iron biofortification.

Direkte zelluläre Reprogrammierung wird durch den Einsatz von Transkriptionsfaktoren (TFs) erreicht, die das Zellschicksal induzieren und die Umwandlung in einen gewünschten Zelltyp direkt einleiten. Die Fähigkeit der TFs, die Identität von Zelltypen umzuprogrammieren, wird jedoch durch den zellulären Kontext bestimmt und ist durch hemmende Mechanismen eingeschränkt. Diese hemmenden Mechanismen schützen und erhalten das Zellschicksal und wirken daher als Barrieren für die Reprogrammierung. Ein Faktor, der als Barriere der Reprogrammierung fungiert, ist das Histon-Chaperon FACT. Es ist jedoch nicht bekannt, wie FACT das Zellschicksal sichert. Dieses Projekt entschlüsselt die zugrundeliegenden Reprogrammierungsmechanismen bei der Deletion von FACT in C. elegans. Das Aurora-Kinase B kodierende Gen air-2 wurde als Promotor der Reprogrammierung identifiziert. Aurora-Kinase B fördert die Umwandlungdes Zellschicksals, indem sie das Chromatin durch Phosphorylierung von H3S10-Resten umgestaltet. Darüber hinaus identifiziere ich die Histon-Acetyltransferase CBP-1 als Promotor der Reprogrammierung durch die Acetylierung von H3K18 und H3K27. Die Deletion des Cytochrom c-Oxidase - 1 kodierenden Gens cco-1, einer Untereinheit des mitochondrialen Atmungskettenkomplexes, ermöglicht eine von CBP-1 abhängige Reprogrammierung von Darmzellen zu Neuronen. Diese Beobachtung wirft ein neues Licht auf die Art und Weise, wie zelluläre Störungen, die in verschiedenen Kompartimenten durch die Deletion zellulärer Schutzmechanismen entstehen, zu ähnlichen Effekten bei der Reorganisation des Chromatins führen können, welche die Reprogrammierung vorantreiben. Darüber hinaus beschreibe ich eine mögliche Rolle der mitochondrialen Funktion bei der durch FACT-Deletion vermittelten Reprogrammierung durch die Induktion des mitochondrialen Chaperons HSP60. Schließlich kläre ich auf, wie FACT zelluläre Schicksale schützt, indem es die Integrität des Chromatins während der Transkription bewahrt. / Direct cellular reprogramming is achieved by using cell fate-inducing transcription factors (TFs) that directly induce conversion to a desired cell type. However, the ability of TFs to reprogram cells is defined by cellular context and is usually restricted by inhibitory mechanisms. Studying barriers of cellular reprogramming in vivo is a crucial step to attaining its therapeutic potential and provides important insights into the basic biology of cell fate regulation. One factor that acts as a barrier of reprogramming is the histone chaperone FACT. However, how FACT safeguards cellular fate is not yet known. Here, we unravel the underlying reprogramming mechanisms upon FACT depletion in C. elegans. To this end, an enhancer/suppressor screen with epigenetic regulators was performed. This screen identified the kinase Aurora B encoding gene air-2 as a promotor of reprogramming, promoting cell fate conversion by remodelling chromatin through the phosphorylation of H3S10. Additionally, I identify the histone acetyltransferase CBP-1 as a promotor of cell fate conversion through the acetylation of H3K18 and H3K27. Moreover, I characterize another reprogramming event where CBP-1 promotes reprogramming. Depleting the cytochrome c oxidase – 1 encoding gene cco-1, a subunit of the mitochondrial respiratory chain complex, allows for gut-to neuron reprogramming that is dependent on CBP-1. FACT and cco-1-depletion-mediated reprogramming show an overlap in reprogramming pathways. This observation sheds new light on how cellular perturbations originating in different compartments through depletion of cellular safeguards can produce similar effects on chromatin reorganization that drive reprogramming. I describe a potential role for mitochondrial function in FACT-depletion-mediated reprogramming through the induction of the mitochondrial chaperone HSP60. Lastly, I elucidate how FACT protects cellular fates through its role as a safeguard of chromatin integrity during transcription.

Die Berlin Fett Maus Inzuchtlinie (BFMI) ist ein Modell für jugendliche Fettleibigkeit, die natürliche Mutationen aufweist, welche uns helfen können, die genetischen Mechanismen zu verstehen, die zu Fettleibigkeit führen. Bei früheren Untersuchungen, von Kreuzungen zwischen BFMI und B6N, wurde ein rezessiver Defekt auf Chromosom 3 (jObes1) identifiziert, der juvenile Fettleibigkeit verursacht. Die Feinkartierung engte den jObes1-Lokus, mit Hilfe einer fortgeschrittenen Kreuzungslinie auf das Bardet-Biedl-Syndrom 7 - Gen (Bbs7), das wahrscheinlichste Kandidatengen für den Phänotyp der juvenilen Fettleibigkeit in BFMI ein. Die Genexpressionsanalyse des gesamten Gehirns von BFMI- und B6N-Mäusen zeigte, dass die Expression des Gens Bbs7 bei BFMI-Mäusen im Vergleich zu den B6N-Referenzmäusen deutlich reduziert war. Sequenzvergleiche zwischen den beiden Linien BFMI und B6N zeigten zwei wesentliche Unterschiede zwischen ihnen: (1) eine 1.578 bp Deletion im Intron 8 von Bbs7 in BFMI-Mäusen, die einen CCCTC-bindenden Faktor (CTCF-Element) enthält (2) 16 Sequenzvarianten, die in der Bbs7-Promotorregion (36. 613.319 - 36.614.267, Ensembl release 102) in den BFMI-Mäusen, im Vergleich zur B6N-DNA-Sequenz, für die Unterschiede in der Bbs7-Genregulation verantwortlich sein könnten. Mit dieser Studie sollten zwei Hauptfragen beantwortet werden: (1) Hat die gelöschte Intron-8-Region von Bbs7, die ein CTCF-Element enthält, einen teilweisen oder vollständigen Einfluss auf die Entwicklung von juveniler Adipositas bei BFMI-Mäusen? (2) Was ist die ursächliche Variante in der Promotorregion des Bbs7-Gens, die zu Expressionsunterschieden des Bbs7-Gens zwischen BFMI und B6N führt? Sowohl der einzelne 5'-UTR-SNP, als auch die Deletion im Intron 8 von Bbs7, können zu dem beobachteten Phänotyp der BFMI-Mäuse beitragen, indem sie höchstwahrscheinlich die Bbs7-Expression verringern und den Fettanteil erhöhen. / The Berlin Fat Mouse Inbred (BFMI) line is a model for juvenile obesity which harbors natural mutations that can help us understand the genetic mechanisms leading to obesity. Previous research on crosses between BFMI and B6N identified a recessive defect causing juvenile obesity on chromosome 3 (jObes1). This explains around 40% of the bodyweight differences in an F2 cross between BFMI and the reference B6N mouse. Fine mapping, using an advanced intercross line, of the jObes1 locus, revealed the Bardet-Biedl syndrome 7 (Bbs7) gene as the most likely candidate gene for the juvenile obesity phenotype in the BFMI. Gene expression analysis on the whole brain of BFMI and B6N mice showed that the expression of the Bbs7 gene in BFMI mice was reduced significantly compared to the B6N reference mice. Sequence comparisons between the two lines BFMI and B6N showed two major differences between them: (1) a 1,578 bp deletion in intron 8 of Bbs7 in BFMI mice harboring a CCCTC-binding factor (CTCF-element) which works as a transcriptional activator, a repressor, or an insulator, located within the deletion, and (2) 16 sequence variants identified in the Bbs7 promoter region (36.613.319 – 36.614.267, Ensembl release 102) in the BFMI mice compared to the B6N DNA sequence which can be responsible for differences in Bbs7 gene regulation. This study aimed to answer two main questions: (1) Does the deleted intron 8 region of Bbs7 which includes a CTCF-element have any partial or complete impact on the development of juvenile obesity in BFMI mice and what is the explanation for that? (2) What is the causal variant in the promoter region of the Bbs7 gene that leads to expression differences of the Bbs7 gene between BFMI and B6N? Both, the single 5’ UTR-SNP and the deletion in intron 8 of Bbs7 can contribute to the observed phenotype in the BFMI mice most likely by reducing Bbs7 expression and increasing fat accumulation.

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.