Es stellt sich die Frage, wie diese Zellen im entzündeten Gewebe überleben können und wie sie ihren Stoffwechsel an die dortigen Bedingungen anpassen. Diese Arbeit beschreibt am Beispiel der Juvenilen Idiopathischen Arthritis (JIA) die Analyse des Stoffwechsels von CD4+ T Lymphozyten, die chronische Entzündungen antreiben undim entzündeten Gewebe lange Zeit persistieren. Pathogene CD4+ CD45RO+ PD1+ CXCR5-T Zellen wurden hierfür aus Synovialflüssigkeit von Patienten mit JIA isoliert und gezeigt, dass auch bei diesen Zellen der Stoffwechsel auf Fettsäureoxidation beruht. Wurde die Fettsäureoxidation durch Etomoxir blockiert, starben die Zellen. Die Störung des Stoffwechsels dieser Zellen könnte somit eine Option für einen neuen Therapieansatzdarstellen. Zusätzlich war die Expression des Transkriptionsfaktors Twist 1 in diesen CD4+CD45RO+ PD1+ CXCR5- T Zellen hochreguliert. Twist 1 ist ein Marker für T Lymphozyten, die in entzündetem Gewebe von Patienten mit chronisch-entzündlichen Erkrankungen der Gelenke oder des Darmes persistieren. Untersuchung in vitro ergaben außerdem, dass Twist 1 spezifisch von Th1 Lymphozyten exprimiert wird, die mehrfach restimuliert wurden. Dieser Transkriptionsfaktor wirkt einerseits der Gewebszerstörung, die von T Zellen verursacht wird, entgegen, und unterstützt anderseits die Persistenz der Zellen im Gewebe durch die Induktion der microRNA148a, die die Expression des pro-apoptotischen Proteins Bim reguliert. In dieser Arbeit zeigen wir dessen Einfluss auf die Regulation des Metabolismus von CD4+ T Lymphozyten bei chronischen Entzündungen. Dabei wird die Glycolyse verringert und vermehrt Fettsäuren synthetisiert, um die Zellen vor reaktiven oxidierenden Spezies (ROS) zu schützen. Zusätzlich konnten wir nachweisen, dass mehrfach re-stimulierte, Twist-defizienteTh1 Zellen unfähig sind, durch Fettsäureoxydation zu überleben, sondern den Stoffwechsel auf Lipid- Peroxidierung umstellen / How do CD4+ T cells adapt their metabolism for survival in the inflamed tissue? This thesis describes analysis of the metabolism of CD4 T lymphocytes driving chronic inflammation and persisting at the site of inflammation, exemplified by cells that reside in the inflamed tissue of patients with the rheumatic disease juvenile idiopathic arthritis. To specifically take aim at the CD4+ T lymphocytes persisting at the site of inflammation, it is important to determine how these cells adapt their metabolism. We show that pathogenic CD4+ CD45RO+ PD1+ CXCR5- T cells that were isolated from the synovial fluid of patients with juvenile idiopathic arthritis are dependent on a fatty acid oxidation for survival ex vivo. Their survival can be blocked by blocking FAO with Etomoxir, pointing to the option of targeting such cells by metabolic interference. Furthermore, CD4+ CD45RO+ PD1+ CXCR5- T cells had upregulated expression of Twist1, a hallmark transcription factor of T lymphocytes persisting in the inflamed tissues of patients with chronic-inflammatory diseases of joints or the gut. Expression of Twist1 is specific for Th1 lymphocytes which have repeatedly been re-stimulated in vitro, or isolated from inflamed. This transcription factor dampens immunopathology caused by the T cells and supports their persistence, by inducing microRNA148a, which regulates expression of the proapoptotic protein Bim. This thesis shows, through conditional genetic inactivation of Twist1 in CD4+ T lymphocytes, that Twist1 regulates the metabolism ofCD4 T lymphocytes of chronic inflammation, by downregulating glycolysis, promoting fatty acid synthesis and protecting the cells from ROS. Additionally, we show that Twist1 deficient repeatedly reactivated murine Th1 cells are unable to survive on fatty acid oxidation and have increased levels of lipid peroxidation.

Während der Entwicklung des Organismus führen naive Zellen aufgrund eines streng regulierten Transkriptionsprogramms zu differenzierten Zelltypen und Geweben. Obwohl viele Aspekte dieses Differenzierungsprozesses noch wenig verstanden sind, ist allgemein anerkannt, dass Transkriptionsfaktoren (TFs), die mit cis-regulatorischen Modulen (CRMs), nämlich Enhancern, interagieren, einen wesentlichen Beitrag zur Regulierung der räumlich-zeitlichen Genexpression leisten. Um die regulatorischen Wechselwirkungen von Enhancern zu verstehen, verwendete ich eine Technik namens inSTEP, von zwei wichtigen neurogenen Enhancern und einem mesodermalen Enhancer zu entschlüsseln. inSTEP ist eine Abkürzung für in vivo Spatio-Temporal Enhancer Proteomics und beinhaltet die Präzipitation eines ausgewählten Enhancers zusammen mit all seinen gebundenen Elementen aus einem bestimmten Gewebe zur Identifizierung durch Massenspektrometrie (MS), wodurch die Identifizierung von regulatorischen Kandidaten ermöglicht wird, die die Neurogenese vorantreiben. Das Herunterfallen von mindestens zwei der mutmaßlichen Regulierungskandidaten CG4707 und CG2962 führte zu einem veränderten Reportergen-Expressionsmuster, das vom vndenhancer gesteuert wurde, was darauf hindeutet inSTEP ist in der Lage, neue regulatorische Proteine zu identifizieren, die an der Regulation der Genexpression im sich entwickelnden Nervensystem beteiligt sind. Einer der Enhancer, an denen ich am meisten interessiert bin, ist ein Enhancer für das Gen vnd, das einen entscheidenden TF für die Neurogenese codiert. Ich habe mein Projekt daher über die Frage hinaus erweitert, wie vnd-Expression reguliert wird, um auch die Rolle einzubeziehen, die Vnd selbst bei der Neurogenese spielt. Ich habe ChIP-seq-Experimente durchgeführt, um die genomweiten Bindungsprofile von Vnd aufzuklären, und ich habe Werkzeuge entwickelt, die die isoformspezifische Rolle von Vnd aufklären. / During organismal development, naive cells give rise to differentiated cell types and tissues as a result of a tightly regulated transcriptional programs. Although many aspects of this differentiation process are still poorly understood, it is widely accepted that transcription factors (TFs) interacting with cis-regulatory modules (CRMs), namely enhancers, are major contributors to regulate spatio-temporal gene expression. In order to understand the regulatory interactions of enhancers, I used a technique called inSTEP to unravel the enhancer-protein interactions on two major neurogenic enhancers (for the vnd and rho genes) and one mesodermal enhancer (1070enhancer), for which no target genes are known. inSTEP is an acronym for in vivo Spatio-Temporal Enhancer Proteomics and entails precipitation of a chosen enhancer together with all its bound elements from a specific tissue, for identification by mass spectrometry (MS), thus enabling the identification of regulatory candidates driving neurogenesis. I have identified candidate regulators in the ventral column and selected ten to do follow-up experiments The knock down of at least two of the vndenhancer putative regulators, CG4707 and CG2962, led to an altered reporter gene expression pattern driven by the vndenhancer, suggesting that inSTEP is able to identify new regulatory proteins involved in the regulation of gene expression in the developing nervous system. One of the enhancers I am most interested in is an enhancer for the gene vnd, which encodes a crucial TF for neurogenesis. I have therefore expanded my project beyond the question of ‘how’ vnd expression is regulated, to also include the role Vnd itself plays in neurogenesis. I have conducted ChIP-seq experiments to elucidate the genome-wide binding profiles of Vnd and I have developed tools that will elucidate the isoform-specific role of Vnd.

Die exzitatorische Neurotransmission im gesamten Zentralnervensystem (ZNS) der Wirbeltiere wird weitgehend durch die α-Amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolpropionsäure-Rezeptoren (AMPARs) vermittelt. AMPARs sind Glutamat-gesteuerte Ionenkanäle, die sich an der postsynaptischen Membran befinden, wo sie den Kern makromolekularer Komplexe mit einer Reihe von Hilfsproteinen bilden, die die Rezeptorfunktion konzertiert regulieren. Die bekanntesten dieser Proteine sind die transmembranen AMPA-Rezeptor-Regulierungsproteine (TARPs). TARPs zeigen eine verwirrende Reihe von Effekten auf den Handel, die synaptische Verankerung, die Gate-Kinetik und die Pharmakologie von AMPARs. Über die strukturellen Merkmale des AMPAR-TARP-Komplexes wurde zunehmendes Wissen gesammelt. Die molekularen Mechanismen, die der TARP-Modulation der AMPARs zugrunde liegen, sind jedoch noch nicht vollständig aufgeklärt. In der vorliegenden Studie wurden die AMPAR-TARP-Interaktionen mit Hilfe der Elektrophysiologie in 293 Zellen der menschlichen embryonalen Niere (HEK) untersucht. Die Rolle der extrazellulären TARP-Schleifen, Loop1 (L1) und Loop2 (L2), bei der Modulation der AMPAR-Ansteuerung wurde analysiert. Es wurde ein Modell für die TARP-Modulation vorgeschlagen, das auf vorhergesagten zustandsabhängigen Wechselwirkungen von TARP L1 und L2 mit dem AMPAR basiert. Da die nativen AMPARs im Gehirn hauptsächlich aus heterotetrameren Zusammensetzungen von vier verschiedenen Untereinheiten (GluA1-4) bestehen, wurden außerdem verschiedene Zusammensetzungen von AMPAR-Untereinheiten getestet. Es wurden sowohl gemeinsame als auch von den Untereinheiten abhängige Mechanismen der AMPAR-Modulation durch TARPs beobachtet. Zusammenfassend liefern diese Experimente den Nachweis, dass TARP L1 und L2 nicht an der Assoziation von AMPAR-TARP-Komplexen beteiligt sind und die Modulation der AMPAR-Ansteuerung durch TARPs vollständig erklären können. / Excitatory neurotransmission throughout the vertebrate central nervous system (CNS) is largely mediated by the α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptors (AMPARs). AMPARs are glutamate-gated ion channels located at the postsynaptic membrane, where they compose the hub of macromolecular complexes with a number of auxiliary proteins that concertedly regulate the receptor function. Among these proteins the most known ones are the transmembrane AMPA receptor regulatory proteins (TARPs). TARPs show a bewildering array of effects on the trafficking, synaptic anchoring, gating kinetics and pharmacology of AMPARs. Growing knowledge has been gathered about the structural features of the AMPAR-TARP complex. However, the molecular mechanisms underlying TARP modulation of AMPARs have not been fully revealed yet. Given that higher brain functions rely upon AMPAR activity and dysregulation of AMPARs has been associated to life-threatening CNS disorders, big efforts are being made to unravel the molecular machinery behind AMPAR regulation and to identify AMPAR auxiliary proteins as potential pharmacological targets. In the present study, AMPAR-TARP interactions were investigated using electrophysiology in human embryonic kidney (HEK) 293 cells. The role of TARP extracellular loops, Loop1 (L1) and Loop2 (L2), in the modulation of AMPAR gating was analysed. A model for TARP modulation has been proposed, based on predicted state-dependent interactions of TARP L1 and L2 with the AMPAR. Moreover, considering that native AMPARs in the brain mainly consist of heterotetrameric assemblies of four distinct subunits (GluA1-4), different AMPAR subunit compositions were tested. Common as well as subunit-dependent mechanisms of AMPAR modulation by TARPs have been observed. In summary, these experiments provided evidence that TARP L1 and L2 are not involved in association of AMPAR-TARP complexes and can entirely account for the modulation of AMPAR gating by TARPs.

Die Ausbildung und der Schweregrad einer Anaphylaxie kann durch verschiedene Co-Faktoren beeinflusst werden. Zu diesen zählen die nichtsteroidalen Antiphlogistika (NSAIDs), die ihre Wirkung über die Inhibition der COX entfalten. Wie NSAIDs den Schweregrad der Anaphylaxie beeinflussen, ist bisher nicht genau bekannt. Interessanterweise zeigen Anaphylaxie-Patienten mit einer NSAID-Hypersensibilität niedrige Konzentrationen des regulatorischen Prostaglandins E2 (PGE2). Zudem zeigen ASA-tolerante und –intolerante Asthma-Patienten variable anaphylaktische Sensitivitäten. Anhand der vorliegenden Arbeit sollte untersucht werden, ob sich eine PGE2-Dysregulation auf die Ausbildung und den Schweregrad der Anaphylaxie auswirkt und ob diese durch genetische Prädispositionen gefördert werden kann. Dazu wurden zunächst die PGE2 Konzentration im Serum von ANA-Patienten und gesunden Individuen gemessen. ANA-Patienten zeigten reduzierte PGE2 Level, die invers mit dem Schweregrad der ANA korrelierten. Unterstützend weisen zwei in der Allergieforschung häufig verwendete Mauslinien, Balb/c und C57BL/6, unterschiedliche PGE2 Level auf, die wiederum invers mit dem ANA-Schweregrad korrelierten. Eine Stabilisierung der PGE2 Konzentration mittels eines pharmakologischen Inhibitors der Hydroxyprostaglandin-Dehydrogenase (15-PGDH-I) in vivo führte zu einer Verbesserung des ANA Schweregrades. Um in diesem Zusammenhang den Einfluss von ASA und PGE2 besser zu verstehen, wurde das Model der systemisch passiven ANA im Mausmodel eingesetzt. ASA verschlimmerte den Schweregrad der ANA durch die Inhibition der COX1/2. PGE2 konnte diese Verschlimmerung über die EP Rezeptoren 2, 3 und 4 reduzieren. Um die zugrundeliegenden Mechanismen der Wirkweise von exogenem PGE2 und EP-Agonisten besser zu verstehen, wurden diese Zusammenhänge in murinen und humanen Mastzellen untersucht. PGE2 reduzierte die Schwere der ANA durch Inhibition der Mastzell-Aktivität in diesem System über die Rezeptoren EP2 und EP4. Anhand der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass bereits homöostatische PGE2 Konzentrationen die Aktivität der Mastzelle verändern und vor einer schweren ANA schützen. Zudem kann der Grad der ANA und der Einfluss des PGE2 auf die Mastzellantwort durch genetische Prädisposition beeinflusst werden. Die pharmakologische Stabilisierung des PGE2 könnte daher eine vielversprechende, therapeutische wie auch vorbeugende Strategie zur Behandlung risikoreicher ANA- Patienten sein. / The clinical outcome of anaphylaxis (ANA) can be affected by several co-factors. Non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) are well-known co-factors of ANA acting via COX-inhibition. The NSAIDs-mediated mechanisms altering the severity of ANA are not well-defined. It is reported that patients of ASA (NSAID)-hypersensitivity show low levels of the regulatory prostaglandin E2 (PGE2). Moreover, the effectiveness of PGE2 administration in such patients suggests a critical role of PGE2 in ASA hypersensitivity. In addition, patients of ASA-tolerant and ASA-intolerant asthma show variable ANA sensitivities suggesting a role of genetic variation in susceptibility. The aim of this thesis was to study whether and how PGE2 dysregulation predisposes to ANA and whether genetic pre-dispositions affect the PGE2 system and therefore ANA susceptibility. First, sera from ANA patients and healthy individuals were analyzed for PGE2 levels. ANA patients were characterized by reduced PGE2 levels which inversely correlated with the severity of ANA. This disparity was confirmed by differential PGE2 levels between Balb/c and BL/6 strains, two genetic mouse strains frequently employed in allergy research. PGE2 levels in these mice were again inversely related with the severity of ANA. Results were confirmed by in vivo PGE2 stabilization using 15-hydroxyprostaglandin dehydrogenase inhibitor (15-PGDH-I). Pharmacological PGE2 stabilization ameliorated ANA severity in mice. A passive systemic ANA (PSA) model was applied to study the impact of ASA on ANA severity and the role of PGE2 in this context. ASA aggravated ANA by inhibiting COX-1/COX-2, while PGE2 reduced the aggravation through EP receptors 2, 3 and 4. To delineate the underlying mechanisms, murine and human mast cells were used to study the impact of exogenous PGE2 and EP agonists. PGE2 attenuated ANA severity by inhibiting MC activation through EP2 and EP4 receptors and interfering with MC signaling. In summary, this thesis demonstrates that homeostatic levels of PGE2 modulate MC activation and protect against ANA severity. The impact of PGE2 on MC responses and ANA susceptibility is governed by genetic variation. Pharmacological stabilization of PGE2 may prove to be a therapeutic or preventive strategy in the management of high-risk ANA patients.

Ein vielversprechender Ansatz zur Verhinderung von Infektionen mit Influenzavirus ist die kompetitive Inhibition der Virusanhaftung an die Wirtszellen durch Behinderung der Bindung des viralen Hemagglutinin (HA) an sialylierte Glykanrezeptoren. Allerdings erschwert die hohe Variabilität des HA die Entwicklung von universellen Sialinsäure (SA)-basierten Virostatika. In dieser Arbeit wurde der antivirale Effekt von mit SA funktionalisierten Polyglycerolen (PGs) auf Influenza A Viren (IAV) evaluiert. SA-basierte PGs waren nur bei der Inhibition einer geringen Anzahl an IAV Stämmen effektiv. Um die molekulare Basis für diese Beschränkung zu ergründen, wurden mittels Serienpassagen IAV Mutanten selektiert, die gegen sialyliertes PG resistent waren. Es entwickelten sich drei unabhängige resistente Virusvarianten, die einen einfachen bzw. doppelten Aminosäuren-Austausch in der HA RBS aufwiesen. Durch Hemagglutinations-Elution, Einzel-Virus Kraft-Untersuchungen und Glykanarray Analysen konnte eine verringerte Rezeptorbindungsstabilität sowie ein verändertes Rezeptorbindeprofil für diese Virusvarianten gezeigt werden. Interessanterweise wurden drei unterschiedliche Fälle von Virusbindung und Inhibition beobachtet: 1) Virales HA wurde vom PG gebunden und die Virusreplikation inhibiert, 2) virales HA wurde vom PG gebunden ohne Inhibition der Virusreplikation und 3) Virales HA wurde nicht vom PG gebunden und es gab keine Inhibition. Diese Ergebnisse suggerieren, dass es eine Mindestanforderung an die Affinität oder Avidität für eine effektive kompetitive Inhibition von HA gibt. Durch modifizierte PGs, die Sialyllaktose statt SA und einen Amidlinker enthielten, konnte das Potential von PGs als breite IAV Inhibitoren demonstriert werden. Zusammenfassend bieten die Ergebnisse dieser Arbeit wertvolle Einblicke in die Entwicklung von Resistenzen in IAV gegen Inhibitoren des HA-Attachment und in das strategische Design von sialylierten mutlivalenten Inhibitoren gegen IAV. / A promising approach to block influenza virus infections is competitive inhibition of virus attachment to host cells by interfering with binding of the viral surface protein hemagglutinin (HA) to sialylated glycan receptors. However, the high structural and genetic variability of the viral HA has hampered the development of universal sialic acid (SA)-based antivirals. Here, the antiviral effect of biocompatible Polyglycerols (PGs) functionalized with SA on influenza A virus (IAV) was evaluated. PG compounds were only effective at inhibiting a narrow spectrum of IAV strains. To elucidate the molecular basis for this restriction, PG-resistant IAV mutants were selected using serial passaging. Three independent resistant variants developed with single or double amino acid changes mapping to the HA RBS. By employing hemagglutination elution, single-virus force measurements and glycan array analyses, a reduced receptor binding stability as well as an altered receptor binding profile of mutant viruses was shown. Intriguingly, three different cases of virus binding and inhibition were observed using Cy3-labeled compound: 1) viral HA was bound by the compound and resulted in inhibition of replication, 2) viral HA was bound by the compound but replication was not inhibited and 3) viral HA was not bound by the compound and no inhibition occurred. These results suggest that there is an affinity or avidity requirement for effective competitive inhibition of HA attachment. The suitability of PGs as IAV inhibitors with potential for broad activity was demonstrated by a modified PG incorporating sialyllactose instead of SA and an amide linkage covering an extended spectrum of inhibited IAV strains. Taken together, results described in this thesis provide valuable insights into the development of resistance against inhibitors of HA attachment in IAV and into the strategic design of sialylated, multivalent inhibitors aiming at broad activity against influenza viruses.

Influenzavirus (IV)-Infektionen der unteren Atemwege induzieren virale Pneumonien, die häufig in akutem Lungenversagen resultieren. Merkmale einer IV-induzierten Pneumonie sind Schädigungen des Alveolarepithels und eine Ansammlung von Ödemflüssigkeit im Alveolarraum, wodurch der Gasaustausch beeinträchtigt wird. In Abhängigkeit eines Natriumgradienten, aufgebaut durch die basolaterale Na,K-ATPase (NKA) und den apikalen epithelialen Natriumkanal (ENaC), wird unter normalen Bedingungen die Ödemflüssigkeit aus dem Alveolarraum entfernt. In Folge einer IV-Infektion werden verschiedene Membranionenkanäle dysreguliert und eine verringerte alveoläre Flüssigkeitsresorption (AFC) beobachtet. Eine IV-Infektion führt u.a. zu einer reduzierten NKA-Expression in nicht-infizierten Nachbarzellen, sowie zu einer Dislokation der NKA zur apikalen Zellmembran in infizierten Zellen. Co-Immunopräzipitationsstudien identifizierten das virale M2-Protein als NKA-Bindepartner. Mittels Mutationsanalyse konnten drei Aminosäuren im zytoplasmatischen Teil von M2 als kritisch für die NKA-Bindung identifiziert werden. Rekombinante IV mit gestörter NKA Bindung zeigten im Vergleich zu IV WT in polarisierten Calu 3 Zellen in vitro sowie in Mäusen in vivo eine verbesserte AFC. Eine mutationsbedingte Glykosylierung des M2-Proteins führte jedoch unerwartet zu einer verstärkten Immunantwort in vivo, die trotz verbesserter AFC zu einem schwereren Krankheitsverlauf führte. Grund dafür könnte eine Aktivierung der Unfolded Protein Response aufgrund der Glykosylierung sein. Die Erkenntnis, dass M2 ein wichtiger Modulator in der Regulation der alveolären Flüssigkeitshomöostase ist, könnte dennoch helfen, neue therapeutische Ansätze für IV-induzierte Pneumonien zu definieren. Darüber hinaus unterstreicht es die Relevanz einer in der vorliegenden Arbeit durchgeführten Surfactome-Analyse zur Identifizierung neuer potentieller Angriffspunkte an der Zelloberfläche IV-infizierter Zellen, die in der antiviralen Therapie von Bedeutung sein könnten. / Influenza Virus (IV) infections of the lower respiratory tract can induce viral pneumonia resulting in acute lung injury (ALI/ARDS) with fatal outcome. Characteristics of an IV-induced pneumonia are alveolar epithelial cell (AEC) damage and accumulation of protein-rich edema fluid in the alveolar compartment impairing gas exchange. Depending on a sodium gradient established by the basolateral Na,K-ATPase (NKA) and the apical epithelial sodium channel (ENaC) edema fluid is removed from the alveolar space under normal conditions. However, after IV-infection various ion channels are dysregulated and reduced alveolar fluid clearance (AFC) is observed. An IV-infection leads to a reduced NKA expression in the non-infected neighbouring cells and to a mistargeting of the NKA to the apical cell membrane in IV-infected cells. Co immunoprecipitation (co-IP) studies identified the viral M2 protein as NKA binding partner and mutational analysis presented three amino acids in the cytoplasmic tail of M2 directly abutting the transmembrane domain as critical for NKA binding. A recombinant IV mutant with disrupted NKA binding showed in comparison to IV WT an increased fluid transport in polarized Calu 3 cells in vitro as well as in mice in vivo. However, mutation-induced glycosylation of the M2 protein unexpectedly led to an enhanced immune response in vivo, resulting in a more severe disease course despite improved AFC. The reason for this could be an activation of the unfolded protein response by the glycosylation of M2. Nevertheless, the finding that M2 appears to be an important modulator in the regulation of alveolar fluid homeostasis might provide new potential approaches for therapeutics of an IV induced pneumonia. Moreover, it highlights the relevance of a surfactome analysis performed in the present work to identify novel potential targets on the cell surface of IV-infected cells which could play an important role in antiviral therapy.

Ionotrope Glutamatrezeptoren steuern exzitatorische Prozesse im Gehirn. Der AMPA-Rezeptor ist der schnellste Glutamatrezeptor und reguliert die Signaltransduktion in hochfrequenten Bereichen. Um die Konformationen des Rezeptors für die Aktivierung aufzuschlüsseln, wurden die Ligandenbindedomänen (LBD), mit künstlichen Metallbrücken verlinkt. Die tetramerische LBD-Schicht hat mehrere Freiheitsgrade. Sie reichen vom Schließen der LBD durch Ligandenbindung, bis hin zu den verschiedenen Konformationsmöglichkeiten innerhalb des Tetramers. Die bereits publizierte T1-Mutante wurde verlinkt und auf Einzelkanalebene elektrophysiologisch untersucht. Anschließend wurde T1 mit einer Mutante (DKD-3H) verglichen die durch molekulardynamische Simulationen identifiziert wurde. Die Eigenschaften von T1 und DKD-3H wurden mit einem natürlich vorkommenden AMPAR-Linker, namens Con ikot ikot, verglichen. Meeresschnecken der Gattung Conus setzen das Polypeptid zur Fischjagd ein. Zur Analyse wurde eine Software entwickelt, speziell für Ströme von ligandengesteuerten Ionenkanälen mit multiplen Leitfähigkeiten (www.github.com/AGPlested/ASCAM). Durch Verlinkung in T1 konnten drei präaktive Konformationen aufgeschlüsselt werden und die schnelle Aktivierung im sub-Millisekundenbereich verschwindet ganz. Obwohl die Metall-koordinierenden Residuen von T1 und DKD-3H nah beieinander liegen, konnte für DKD-3H nur eine einzelne präaktive Konformation gefunden werden. Es deutet darauf hin, dass die LBD-Schicht von AMPA-Rezeptoren hochdynamisch ist da die geringe Abweichung große Auswirkungen auf den Phänotypen des Rezeptors hat. LBD-Verlinkung mit Con-ikot-ikot ergab einen EC50 von ~5 nM. Alle drei Verlinkungsarten resultierten in einer reduzierten Offenwahrscheinlichkeit. Einzelkanalanalysen von T1 und Con-ikot-ikot-gebundenen AMPA-Rezeptoren unterstützen die Hypothese, dass die veränderten Phänotypen aus dem Wechselspiel der LBDs innerhalb der LBD-Schicht resultieren. / Ionotropic glutamate receptors (iGluRs) mediate excitatory neurotransmission in the mammalian brain. The AMPA-type receptor is the fastest iGluR member, activating at the sub-millisecond time scale. In this study, ligand-binding domains (LBDs), where AMPAR activation is initialised, were cross-linked with artificially introduced metal bridges to trap and investigate conformational states of the receptor before- and during activation. The tetrameric LBD layer has multiple degrees of freedom, from closure of individual clamshells and their conformational arrangement within the dimers and the tetramer. The previously studied T1 mutant was cross-linked at the single-channel level and compared to a second cross-linking mutant (DKD 3H) that was predicted on a molecular dynamics approach. T1 and DKD 3H were to the effects of a naturally occurring AMPAR-specific LBD cross-linker (Con ikot ikot) from a fish-hunting snail of the genus Conus. Single-channel recordings were analysed with a newly developed software dedicated to ligand-gated ion channels with conductances in the low pA range and multiple subconductance levels (www.github.com/AGPlested/ASCAM). Trapping of the T1 mutant revealed three pre-active conformational states that were not described for AMPARs before. Fast activation in the sub-millisecond range disappears fully indicating that these conformations proceed too fast in non-restricted wild-type receptors to be resolved. Although the metal-coordinating residues of T1 and DKD 3H are in close proximity, DKD 3H yielded one single pre-active state. A slightly distinct register of the bridge results in largely different phenotypes. Cross-linking with con ikot ikot identified an EC50 of ~5 nM. All three cross-linking approaches reduced open probability. The results support the hypothesis that the altered phenotypes are not a result of singly restricted LBDs but the dynamics of the tetrameric LBD-layer as one unit.

Der menschliche Neokortex wird als Hauptsitz kognitiver Funktionen höherer Ordnung angesehen. Das Verständnis der neokortikalen Entwicklung anderer Säugetierarten ist von wesentlicher Bedeutung, um die menschliche Gehirnorganisation im Allgemeinen und neurologische Entwicklungsstörungen im Speziellen besser zu verstehen. In dieser Arbeit habe ich die Rolle des mit dem Mowat-Wilson-Syndrom assoziierten Transkriptionsfaktors Zeb2 in der neokortikalen Entwicklung der Maus untersucht. Ich habe nachgewiesen, dass Zeb2 die Adhäsion neugeborener kortikaler Neurone sowohl vor als auch nach der radialen Migration über zwei unabhängige molekulare Wege reguliert. Hierbei konnte ich zeigen, dass die Adhäsion im Vorfeld der radialen Migration über den molekularen Zeb2-Nrp1-Itgβ1- Weg reguliert wird. Zeb2 unterdrückt zell-intrinsisch die neuronale Adhäsion an die extrazelluläre Matrix und kontrolliert dadurch den Beginn der radialen Migration, die Dauer des multipolaren Stadiums sowie die Motilität multipolarer Neurone, ohne die radiale Migration selbst oder das spätere Zellschicksal innerhalb der kortikalen Schichten zu beeinflussen. Hierbei sind die apikalen Dendriten der Neurone normalerweise parallel zueinander und senkrecht zur Hirnhautoberfläche ausgerichtet. Ich habe gezeigt, dass die Ausrichtung der Neurone im Anschluss an ihre Migration von der Adhäsion der Zellen untereinander sowie zur extrazellulären Matrix abhängt und dieser Prozess unabhängig von der radialen Migration erfolgt. Zeb2 koordiniert das gesamt e Repertoire dieser postmigratorischen Adhäsion über den molekularen Zeb2-Cdh6-Itgβ1-Weg. Zusammenfassend zeigt diese Studie die Bedeutung der neuronalen Adhäsion während der neokortikalen Entwicklung auf und entschlüsselt die Regulationsmechanismen für die Initiierung der radialen Migration sowie für die postmigratorische Orientierung der Neurone der oberen kortikalen Schichten. / The human brain is a highly sophisticated biological structure and its formation is a highly orchestrated process. The human neocortex, in particular, is the main place of higher-order cognitive functions. Understanding the neocortical development of other mammalian species is essential for understanding brain organisation in common neurodevelopmental disorders in particular. Here I studied the role of Mowat-Wilson syndrome-associated transcription factor Zeb2 in mouse neocortical development. I have shown in this study that Zeb2 regulates adhesion of new born cortical neurons both before and after radial locomotion via two independent molecular pathways. I have shown that adhesion prior to radial locomotion is tightly regulated via Zeb2-Nrp1-Itgβ1 molecular pathway. Zeb2 cell-intrinsically suppresses adhesion of neurons to the extracellular matrix and therefore restricts the initiation of radial locomotion, multipolar stage duration and motility of multipolar neurons without affecting radial locomotion itself and layer cell fate acquisition. Once radial migration is finished neurons have to form apical dendrite and establish contact with the meningeal surface. Normally, apical dendrites of neurons are oriented parallel to each other and perpendicular to the meningeal surface. I have shown that postmigratory orientation of neurons is dependent on cell-to-cell and cell-to-extracellular matrix adhesion and occurs independently from radial migration. Zeb2 orchestrates the whole repertoire of adhesion of neurons completed radial migration via Zeb2-Cdh6-Itgβ1 molecular pathway. I have demonstrated that Cadherin 6 balance is crucial for establishment of postmigratory neuronal orientation under normal conditions. Taken together, this study has revealed the importance of neuronal adhesion during neocortical development and separated the regulation mechanisms for initiation of radial migration and postmigratory orientation of upper layer neurons.

Cyanobakterien zŠhlen zu den Šltesten Lebewesen auf der Erde. Diese Bakterien, auch Blaualgen genannt, trugen wesentlich zur Sauerstoffanreicherung der Erde bei, da sie eine ausgeprŠgte FŠhigkeit zur Photosynthese besitzen. Der produzerte Sauerstoff der Photosynthese hemmt jedoch eine weitere AktivitŠt von Cyanobakterien, die Stickstofffixierung. Um die Hemmung zu vermeiden, werden diese AktivitŠten zeitlich getrennt und optimal dem tŠglichen Hell-Dunkel-Rhythmus angepasst. Ein evolutionŠrer Vorteil wird erzielt, wenn der Organismus diesen Rhythmus antizipiert und sich darauf vorbereitet. Aus diesem Grund haben Cyanobakterien eine innere Uhr entwickelt, deren Rhythmus zirkadian ist, ãzirka diemÒ bedeutet ãungefŠhr ein TagÒ. Cyanobakterien der Spezies Synechococcus elongatus PCC 7942 haben sich als Modellorganismus etabliert, weil in ihnen die ersten bakteriellen zirkadianen Oszillationen auf molekularer Ebene entdeckt worden sind. Ihre zirkadiane Uhr entspringt dreier, auf der DNS beieinanderliegenden, Gene (kaiA, kaiB, kaiC) und ihrer dazugehšrigen Proteine. Phosphorylierte KaiC-Proteine Ÿben eine RŸckkopplung auf die Transkription von kaiB und kaiC aus, wodurch die AktivitŠt des kaiBC-Promotors zirkadian oszilliert. Eines der wichtigsten Experimente der letzten Jahre hat gezeigt, dass dieser Transkriptions-Translations-Oszillator mit einem weiteren Oszillator gekoppelt ist, der nicht von Transkription und Translation abhŠngt. Das Experiment des Kondo Labors rekonstruiert zirkadiane Oszillationen mit nur drei Proteinen KaiA, KaiB, KaiC und ATP. Die Proteine bilden Komplexe verschiedener Stoichiometrie, die durchschnittliche Phosphorylierung des Proteins KaiC zeigt stabile Oszillationen mit einer zirkadianen Periode. Da ein Entfernen von einem der Proteine zum Verlust der Oszillationen fŸhrt, wird dieser Post-Translations-Oszillator auch als Kernoszillator bezeichnet. Der Phosphorylierungszyklus von KaiC wird bestimmt durch fortlaufende Phosphorylierung und Dephosphorylierung an zwei Positionen des Proteins, den AminosŠuren Serin 431 und Threonin 432. Die Phase des Kernoszillators kann an der Verteilung der vier PhosphorylierungszustŠnde (nicht-, serin-, threonin- und doppeltphosphoryliert) abgelesen werden. KaiC wechselwirkt mit KaiA und KaiB, damit verschieden phosphorylierte KaiC synchronisieren und die Uhr Ÿber mehrere Tage konstante Oszillationen zeigt. Die Details dieser Wechselwirkung sind jedoch unbekannt. In dieser Dissertation erstelle ich ein mathematisches Modell des Kernoszillators und simuliere die vorliegenden Experimente des O''Shea Labors. Die Simulation reproduziert den KaiC Phosphorylierungszyklus der Uhr quantitativ. Um die wichtigsten experimentellen Nebenbedingungen zu erfŸllen, muss das theoretische Modell zwei molekulare Eigenschaften von KaiC berŸcksichtigen, wodurch ich wichtige Vorhersagen treffe. Die erste Nebenbedingung ist durch die Robustheit des Systems gegeben. Die KaiC-Phosphorylierung Šndert sich nicht, wenn die Gesamtkonzentrationen der drei Proteine in gleicher Weise variiert werden. Um diese Bedingung zu erfŸllen, muss das Modell zwei verschiedenartige Komplexe von KaiA und KaiC berŸcksichtigen. ZusŠtzlich zu einem KaiAC Komplex, der die Autophosphorylierung von KaiC unterstŸtzt, muss KaiC den grš§ten Teil von KaiA unabhŠngig vom Phosphorylierungszustand sequestrieren. Diese zweite Bindestelle ist meine erste theoretische Vorhersage. Die zweite Nebenbedingung ist durch das Ÿbergangsverhalten nach Hinzugabe von KaiB gegeben. KaiB induziert eine Dephosphorylierung von KaiC, die abhŠngig vom Phosphorylierungsniveau ist. Ein Umschalten zwischen phosphoylierendem und dephosphorylierendem KaiC ist deshalb nur in bestimmten Zeitfenstern mšglich. Um die gemessenen Zeitfenster in der Simulation zu reproduzieren, postuliere ich im Modell, dass sechsfach Serin phosphorylierte KaiBC Komplexe KaiA inaktivieren. Diese hochgradig nichtlineare RŸckkopplung ist meine zweite theoretische Vorhersage. Die beiden Vorhersagen werden anschlie§end experimentell ŸberprŸft. HierfŸr werden aufgereinigte Kai-Proteine mit ATP gemischt. Proben an ausgewŠhlten Zeitpunkten werden mit der nativen Massenspektrometrie untersucht. Diese ist eine neuartige Methode, die es erlaubt, intakte Proteinkomplexe zu untersuchen. Die Spektren bestŠtigen sowohl die zweite KaiAC-Bindestelle als auch die nichtlineare RŸckkopplung. Das mathematische Modell erlaubt es au§erdem, die drei definierenden Prinzipien von zirkadianen Uhren fŸr den Kernoszillator zu erklŠren. Erstens sichern konstante Phosphorylierungs- und Dephosphorylierungsraten von KaiC und ein pŸnktliches Umschalten zwischen beiden Phasen den Freilauf des Oszillators. Dieser Freilauf bewirkt, dass die zirkadiane Uhr auch unter konstanten Bedingungen, vor allem gleichbleibenden LichtverhŠltnissen, weiterlaufen kann. Zweitens muss die Periodendauer des Oszillators zu unterschiedlichen Šu§eren Bedingungen erhalten bleiben (Temperaturkompensation). Diese Bedingung wird realisiert, indem temperaturabhŠngige Dissoziationskonstanten von KaiAC und KaiBC Komplexen Phasenverschiebungen erzeugen, die sich gegenseitig kompensieren. Drittens muss die Phase des Oszillators sich dem Tagesrhythmus anpassen kšnnen. Diese Anpassung folgt aus einem Šu§eren Warm-Kalt-Rhythmus, der die drei temperaturabhŠngigen Phasenverschiebungen nur zum Teil einschaltet und damit die Kompensation verhindert. Eine in silico Evolutionsanalyse zeigt, dass eine zweite phosphorylierbare AminosŠure einen evolutionŠren Vorteil bringt und die Verteilung der PhosphorylierungszustŠnde optimiert ist, um eindeutig die Zeit zu bestimmen. Das Ergebnis weist darauf hin, dass diese Verteilung die physiologisch wichtige Ausgangsgrš§e der Uhr ist und die vier PhosphroylierungszustŠnde die Funktionen der zirkadianen Uhr von Cyanobakterien sichern. / Biological activities in cyanobacteria are coordinated by an internal clock. The rhythm of the cyanobacterium Synechococcus elongatus PCC 7942 originates from the kai gene cluster and its corresponding proteins. In a test tube, the proteins KaiA, KaiB and KaiC form complexes of various stoichiometry and the average phosphorylation level of KaiC exhibits robust circadian oscillations in the presence of ATP. The characteristic cycle of individual KaiC proteins is determined by phosphorylation of serine 431 and threonine 432. Differently phosphorylated KaiC synchronize due to an interaction with KaiA and KaiB. However, the details of this interaction are unknown. Here, I quantitatively investigate the experimentally observed characteristic phosphorylation cycle of the KaiABC clockwork using mathematical modeling. I thereby predict the binding properties of KaiA to both KaiC and KaiBC complexes by analyzing the two most important experimental constraints for the model. In order to reproduce the KaiB-induced dephosphorylation of KaiC a highly non-linear feedback loop has been identified. This feedback originates from KaiBC complexes, which are exclusively phosphorylated at the serine residue. The observed robustness of the KaiC phosphorylation level to concerted changes of the total protein concentrations demands an inclusion of two KaiC binding sites to KaiA in the mathematical model. Besides the formation of KaiAC complexes enhancing the autophosphorylation activity of KaiC, the model accounts for a KaiC binding site, which constantly sequestrates a large fraction of free KaiA. These theoretical predictions have been confirmed by the novel method of native mass spectrometry, which was applied in collaboration with the Heck laboratory. The mathematical model elucidates the mechanism by which the circadian clock satisfies three defining principles. First, the highly non-linear feedback loop assures a rapid and punctual switch to dephosphorylation which is essential for a precise period of approximately 24 h (free-running rhythm). Second, the dissociation of the protein complexes increases with increasing temperatures. These perturbations induce opposing phase shifts, which exactly compensate during one period (temperature compensation). Third, a shifted external rhythm of low and high temperature affects only a part of the three compensating phase perturbations, which leads to phase shifts (phase entrainment). An in silico evolution analysis shows that the existing second phosphorylatable residue of KaiC is not necessary for the existence of sustained oscillations but provides an evolutionary benefit. The analysis demonstrates that the distribution of four phosphorylated states of KaiC is optimized in order for the organism to uniquely distinguish between dusk and dawn. Consequently, this thesis emphasizes the importance of the four phosphorylated states of KaiC, which assure the outstanding performance of the core oscillator.

Optimale Konservierungsmethoden sind erforderlich, um die bedarfsgerechte Verfügbarkeit kardiovaskulärer Transplantate für den Ersatz geschädigter Gewebe (Herzklappen oder Gefäße) zu garantieren. Die konventionelle Kryokonservierung (engl.: Conventional Frozen Cryopreservation, CFC) ist derzeit der Standard zur Konservierung kardiovaskulärer Allografts. Jedoch limitieren Immunreaktionen deren Langzeitfunktionalität. Die Alternative der eisfreien Kryokonservierung (engl.: Ice-free Cryopreservation, IFC) wurde kürzlich entwickelt. In der Arbeit wurde die Reaktion des humanen Immunsystems auf allogene kardiovaskuläre Gewebe nach Anwendung unterschiedlicher Konservierungsmethoden umfänglich charakterisiert. Zusätzlich wurde Glutaraldehyd (GA)-fixiertes Gewebe untersucht, um die Ergebnisse in den Gesamtkontext der Gewebekonservierung einzuordnen. Die Analyse des konservierten humanen Aortengewebes, welches als Modellmaterial diente, ergab, dass die Gewebestruktur nach IFC erhalten blieb, jedoch die metabolische Aktivität sowie Apoptose und Nekrose des Gewebes durch IFC reduziert wurde. Dies spiegelte sich auch in der verminderten Freisetzung von Zytokinen aus IFC-Gewebe wider. Funktionelle In-vitro-Tests zeigten deutlich, dass Immunzellen verstärkt in Richtung der löslichen Faktoren aus CFC- und GA-fixiertem Gewebe, jedoch nicht aus IFC-Gewebe migrieren. In Kokulturen der Makrophagen auf dem Aortengewebe konnte ausschließlich bei Makrophagen, welche auf GA-fixiertem Gewebe kultiviert wurden, eine Polarisation zum M1-Phänotyp festgestellt werden. Weiterhin zeigte sich, dass lediglich Faktoren des CFC-Gewebes in der Lage waren, die Aktivierung und Proliferation von T-Zellen zu verstärken. Insgesamt belegen diese Daten detailliert, dass IFC die Eigenschaften des Gewebes selektiv moduliert und dadurch eine verringerte Aktivierung des Immunsystems stattfindet. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass IFC eine aussichtsreiche Strategie zur verbesserten Konservierung darstellt. / Optimal preservation methods are needed, to ensure constant availability of biological matrices for the replacement of damaged cardiovascular structures (heart valves or vessels). Conventional frozen cryopreservation (CFC) is currently the gold standard for cardiovascular allograft preservation. However, inflammation and structural deterioration limit transplant durability. The recently developed method of Ice-free cryopreservation (IFC) might be a superior method. The aim of this study was to characterize the reaction of the human immune system to allogeneic cardiovascular tissues after different cryopreservation methods. Regarding some aspects, the cryopreservation was compared to glutaraldehyde (GA) fixation, which is another common tissue preservation method. Human aortic tissue served as a proof-of-principle material for heart valves and vascular allografts. First, the histological and metabolic features of the differently preserved aortic tissues were analyzed. Tissues preserved by IFC exhibited typical architecture but significantly lower metabolic activity and the absence of necrotic or apoptotic cells. The reduced release of cytokines from IFC-tissue reflected these latter observations. In functional in-vitro-assays it was shown that migration of immune cells was significantly enhanced by soluble factors from CFC and GA-fixed tissue, but not by factors from IFC-tissue. In co-cultures of macrophages on aortic tissue, none of the preserved tissue induced activation. Exclusively GA-fixed tissue triggered the polarization of macrophages towards a M1-phenotype. Moreover, cues from only CFC-tissue but not IFC-tissue amplified T cell activation and proliferation. In conclusion, IFC selectively modulates the characteristics of tissues resulting in an attenuated activation of the human immune system. Therefore, IFC treatment is a promising strategy for improved tissue preservation and storage of cardiovascular allografts for clinical use.