Pflanzenwurzeln reagieren auf Phosphat- oder Eisenmangel mit einer vermehrten Wurzelhaarbildung, was eine Vergrößerung der absorptiven Oberfläche bewirkt. Die erhöhte Anzahl an Wurzelhaaren wird dabei auf verschiedene Weise gebildet. Phosphat-defiziente Arabidopsis-Pflanzen erhöhen die Anzahl an Wurzelhaarzellen, während sich unter Eisenmangel verzweigte Wurzelhaare entwickeln. Die Fe- und P-Homöostase wird durch systemische und lokale Signalwege reguliert. Der Einfluss dieser Signale auf die Fe- bzw. Psensitive Wurzelhaarentwicklung wurde mithilfe von split-root-Experimenten untersucht, die mit einem systemischen Mangel- oder Suffizienzsignal kombiniert wurden. Die Verzweigung der Wurzelhaare Fe-defizienter Pflanzen wurde durch ein dominantes Suffizienzsignal reprimiert, unabhängig von seiner lokalen oder systemischen Herkunft. Die Erhöhung der Wurzelhaarzahl bei P-Mangelpflanzen wurde durch ein dominantes Defizienzsignal induziert. Um herauszufinden, welches Entwicklungsstadium von dem jeweiligen Nährstoff beeinflusst wird, wurden Mutanten mit Defekten in frühen und späten Wurzelhaarentwicklungsstadien untersucht. Mutanten mit beeiträchtigter Wurzelhaar-Spezifikation wichen in ihrer Wurzelhaarzahl und –lokalisation vom Wildtyp ab, zeigten aber eine Fe- oder P-sensitive Veränderung. Die Gene aus frühen Entwicklungsstadien sind demnach essentiell für die Reaktion, sind aber nicht das direkte Ziel der Mangelsignale. Frühe Zelleigenschaften in der meristematischen Region waren durch die Eisen- oder Phosphatverfügbarkeit nicht verändert, was darauf hindeutet, dass die Wurzelhaarbildung erst in einem späteren Entwicklungsstadium durch die Nährstoffe beeinflusst wird. Mutanten mit Defekten in späteren Entwicklungsstadien zeigten kurze oder verformte Wurzelhaare unabhängig von der Nährstoffversorgung. Das Fe- oder P-Signal mündet also vor der Wirkung dieser Komponenten in die Wurzelhaarbildung ein. Das heisst, nachdem die korrekte Wurzelhaar-Position und -Anzahl in Anpassung an das Fe- oder P-Angebot festgelegt wurde, werden die Wurzelhaare unter allen Wachstumsbedingungen von einer gemeinsamen Maschinerie elongiert. Zur Identifikation potentiell neuer Gene, die die Wurzelhaarbildung in Anpassung an P-Mangel regulieren, wurden sechs Mutanten isoliert, die keine Wurzelhaare bei P-Mangel bilden, aber nach dem Transfer auf P-suffizientes Medium nicht beeinträchtigt waren. Eine dieser Mutanten, per2, wurde phänotypisch und genetisch charakterisiert. Neben der veränderten Wurzelhaarbildung zeigte per2 auch eine konstitutiv erhöhte Lateralwurzelbildung und eine erhöhte Anthozyan-Akkumulation bei P-Mangel. Laut epistatischen Analysen gehört die per2 Mutante zu einem Signalweg, der unabhängig von frühen Zellspezifikationsgenen wirkt. Der per2-Locus wurde innerhalb eines 87,5 kpb großen Abschnittes auf dem oberen Arm von Chromosom 3 kartiert. Mutanten die einen per2-ähnlichen Phänotyp zeigen, wurden bisher nicht beschrieben. Daher handelt es sich bei PER2 möglicherweise um ein neues Gen, das die Wurzelhaarbildung bei Phosphatmangel reguliert und weitere P-Mangelreaktionen beeinflusst. / Limitation of immobile nutrients, such as iron (Fe) and phosphate (P), induces the development of additional root hairs that lead to an increase of the absorptive surface of the root. The increased root hair frequency of Fe- and P-deficient Arabidopsis was realized by different strategies. Phosphate-deficient plants increased the number of root hairs while in Festarved plants root hairs were branched. The Fe and P starvation responses in plants are thought to be regulated by a systemic signaling mechanism that communicates the nutrient status of the shoot to the root and by a local signaling mechanism that perceives the Fe or P availability in the soil. The influence of local and systemic signals on the respective root hair phenotype was investigated in split-root experiments. This treatment was combined with either a nutrient-sufficient or -deficient shoot. The root hair branching typical of Fe-deficient plants only occured in the presence of both a local and a systemic Fe-deficiency signal. As a consequence, an Fe sufficiency signal acted dominantly to any deficiency signal, independent of its origin. The increased number of root hairs in P-deficient plants, conversely, was activated through either a local or a systemic P deficiency signal. Thus, the P deficiency signal acted dominantly to any sufficiency signal. To determine, which stage of root hair development was influenced by iron and phosphate, mutants with defects in different stages of root hair development were investigated for their root hair phenotype. Mutants affected in the early stages of root hair development, such as specification, displayed marked changes in the number and localization of root hairs. However, the nutritional signal was perceived and translated in this group of mutants. This indicates that the specification genes are involved in the nutrient-sensitive root hair formation, but may not be the direct targets. Early cell characteristics of root hairs in the late meristematic region of the root, like the expression of marker genes, were unaltered in plants adapted to Fe or P deficiency. This suggested the nutritional signal modulates root hair development after these characteristics have been established. Mutants with defects in the later stages of root hair development, such as root hair elongation, showed short or deformed root hairs in the proper position and frequency and were, thus, impaired independent of the Fe or P supply. Thus, the nutritional signal may enter the root hair developmental pathway around the stage of root hair initiation and bulge formation. Finally, six mutants were screened that did not form root hairs under P deficiency but developed normal, when the plants were transferred to P-sufficient medium. One of these mutants, per2 (phosphate deficiency root hair defective2), was characterized phenotypically and genetically. In addition to the impaired root hair growth, the per2 mutant displayed a constitutively high lateral root number and accumulated an increased amount of anthocyanins under P starvation. Epistatic analysis revealed that per2 action is independent of early cell specification genes. The per2 mutation was mapped to a 87.6 kbp region on the upper arm of chromosome 3 containing 19 genes. The per2 phenotype has not been described before. Thus, PER2 is a potential new gene involved in root hair development under phosphate deficiency.

Das Neuroblastom (NB) ist ein solider, extrakranieller Tumor neuroektodermalen Ursprungs, der sich im Kleinkindalter manifestiert. Ein etabliertes Zielantigen für die passive Immuntherapie beim NB ist das Disialogangliosid GD2. Aufgrund der geringen oder fehlenden Expression von MHC Klasse I Molekülen sowie der Tatsache, dass die Lyse von NB-Zellen durch verschiedene Mechanismen der natürlichen Zytotoxizität von NK-Zellen vermittelt werden kann, stellt eine auf NK-Zellen basierende Therapie einen vielversprechenden Ansatz zur Behandlung dieser Erkrankung dar. Auf dieser Grundlage wurde eine NK-Zelllinie generiert, die einen GD2-spezifischen chimären Antigenrezeptor (CAR) exprimiert (NK-92-scFv(ch14.18)-zeta). Die Hauptbestandteile dieses CARs sind ein Einzelkettenantikörper, welcher die variablen Regionen des GD2-spezifischen Antikörpers ch14.18 enthält, und die CD3ζ-Kette als signaltransduzierende Komponente. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass NK-92-scFv(ch14.18)-zeta in der Lage sind, auch Chemotherapie-resistente GD2-positive NB-Zelllinien effektiv abzutöten und dass dabei die Interaktion des CARs mit GD2 den Hauptmechanismus darstellt. Die anti-tumorale Wirkung von NK-92-scFv(ch14.18)-zeta in vivo wurde in einem Chemotherapie-resistenten GD2-positiven Xenograft-Mausmodell gezeigt. Die wiederholte Applikation von NK-92-scFv(ch14.18)-zeta in Kombination mit IL-2 resultierte in einem signifikant verlangsamten Tumorwachstum und einem verbesserten Überleben. Die Ergebnisse dieser Arbeit belegen, dass GD2-spezifische NK-92 das Potential für eine zukünftige klinische Anwendung besitzen. Demnach stellt der Einsatz einer solchen GD2-spezifischen NK-Zelllinie, die unter GMP-Bedingungen expandiert werden kann und zu jeder Zeit in einer standardisierten Qualität verfügbar wäre, eine vielversprechende Alternative zur Behandlung von Hochrisikopatienten dar, deren Erkrankung nicht mehr auf die Standardtherapie anspricht. / Neuroblastoma (NB) is a solid extracranial childhood malignancy of neuroectodermal origin. The Disialoganglioside GD2 is an established antigen for passive immunotherapy of NB. Cellular therapy of NB with natural killer (NK) cells is especially appealing because MHC class I expression is absent or low in most NB, rendering this tumor sensitive to NK cell recognition. Additionally, natural cytotoxicity of NK cells, mediated by interaction of activating NK cell receptors and their respective ligands on tumor cells, has been shown to play a role in lysis of NB cells. It is therefore tempting to assume that a combination of passive immunotherapy with GD2-specific antibodies and adoptive transfer of NK effector cells would result in an improved NB therapy. To achieve this goal an NK cell line expressing a GD2-specific chimeric antigen receptor (CAR) was engineered: NK-92-scFv(ch14.18)-zeta. This CAR consists of a GD2-specific scFv-fragment, which was generated from ch14.18, and the CD3ζ-chain as intracellular signal-transducing domain. Within this thesis, GD2-specificity of NK-92-scFv(ch14.18)-zeta as well as efficacy towards GD2-expressing NB cell lines, including relapse cell lines that exhibit partial or multidrug resistance were demonstrated. Blocking the interaction between the CAR and GD2 resulted in almost complete abrogation of NK-92-scFv(ch14.18)-zeta-mediated lysis of GD2-positive NB cell lines in vitro, indicating that this interaction is the main mechanism of activation of NK-92-scFv(ch14.18)-zeta. Importantly, repeated application of NK-92-scFv(ch14.18)-zeta in combination with IL-2 significantly decreased tumor growth and prolonged survival of mice in an aggressively growing drug-resistant xenograft NB mouse model. These findings suggest that GD2-specific NK-92 has potential for a future clinical application as NB-specific effector cells that would be ready on demand in a standardized quality.

Genetisch kodierte Photorezeptoren in Modellorganismen begründen die Optogenetik. Sie ermöglicht die nicht-invasive, reversible und räumlich-zeitlich präzise Perturbation von zellulären und physiologischen Signalprozessen durch Licht. Natürliche photoaktivierte Adenylylzyklasen (PACs) steigern die intrazelluläre Konzentration des Botenstoffs zyklischen Adenosinmonophosphats (cAMP) durch Blaulicht. Damit erlauben sie die optogenetische Analyse von cAMP-abhängigen Signalwegen. Diese Arbeit komplementiert PACs durch die synthetische rotlichtaktivierte Phosphodiesterase LAPD zur Degradation von cAMP und zyklischem Guanosinmonophosphat (cGMP). LAPD ist eine Chimäre aus dem photosensorischen Modul von Deinococcus radiodurans Bakteriophytochrom (DrBPhy) und der Effektordomäne der cAMP/cGMP-spezifischen H. sapiens Phosphodiesterase 2A (HsPDE2A). Die Fusionsstelle wurde von den helikalen Linkern zwischen Sensor- und Effektormodulen durch strukturelle Überlagerung abgeleitet. LAPD inkorporierte den Chromophor Biliverdin (BV) nach Expression in E. coli und Reinigung vollständig und entsprach spektral und photochemisch dem Wildtyp-DrBPhy. Durch Bestrahlung mit Rot- und Fernrotlicht (R bzw. FR) wurde LAPD in die metastabilen photochemischen Zustände Pfr (fernrot) bzw. Pr (rot) umgewandelt. Vollständig aktivierte LAPD katalysierte die Hydrolyse von cGMP und cAMP in derselben Größenordnung wie Wildtyp-HsPDE2A. LAPD degradierte cGMP und cAMP bei 6- bzw. 4-facher Steigerung von vmax unter R im Vergleich zu dunkeladaptiertem Enzym. Die Aktivität von R-adaptierter LAPD wurde durch FR reduziert. Die enzymatische Aktivität und Lichtregulation von LAPD-Linkervarianten waren abhängig von der Linkerlänge. LAPD degradierte lichtabhängig cGMP in einer PDE-Reporterzelle. Dabei genügte die endogene BV-Konzentration der Säugerzelle zur Sättigung des Lichteffekts. / Genetically encoded photoreceptors in model organisms establish optogenetics. It enables non-invasive, reversible, and spatio-temporally precise perturbation of cellular and physiological signalling by light. Natural photoactivated adenylate cyclases (PACs) increase the intracellular concentration of the second messenger cyclic adenosine monophosphate (cAMP) under blue light. Hence, PACs allow the optogenetic analysis of cAMP-dependent signalling. This work complements PACs with the synthetic red-light-activated phosphodiesterase LAPD for degradation of cAMP and cyclic guanosine monophosphate (cGMP). LAPD is a chimera made up of the photosensory module of Deinococcus radiodurans bacteriophytochrome (DrBPhy) and the effector domain of cAMP/cGMP-specific H. sapiens Phosphodiesterase 2A (HsPDE2A). The fusion site was derived from the helical linkers between sensor and effector modules via structural superposition. LAPD incorporated the chromophor biliverdin (BV) after expression in E. coli and purification quantitatively, and spectrally and photochemically resembled the wildtype DrBPhy. Upon irradiation with red and far-red light (R and FR, resp.), LAPD was converted to the metastable photochemical states Pfr (far-red) and Pr (red), respectively. Fully activated LAPD catalized the hydrolysis of cGMP and cAMP with rates similar to wildtype HsPDE2A. LAPD degraded cGMP and cAMP with 6- and 4-fold increase of vmax under R, respectively, as compared to the dark state. The activity of R-adapted LAPD was reduced upon irradiation with FR. Enzymatic activity and light regulation of LAPD linker variants depended on the linker length. LAPD light-dependently degraded cGMP in a PDE reporter cell line. Endogenous BV concentrations were sufficient to saturate the light effect in the mammalian cell, which enables a true optogenetic approach.

Die einzellige Grünalge C. reinhardtii dient als Modellorganismus und ist aufgrund des GRAS-Status, des schnellen, kostengünstigen Wachstums und der Möglichkeit posttranslationaler Modifikationen im Kerngenom, als Expressionssystem für beispielsweise orale Impfstoffe sehr interessant. Herausforderungen sind die im Vergleich zu konventionell verwendeten Expressionssystemen sehr geringen Expressionsraten im Kerngenom. Daher sollten in dieser Arbeit neuartige, teils induzierbare, Promotorkonstrukte verwendet und mittels Luciferase-Reporter auf ihre Expressionssteigerung hin getestet werden. Zunächst wurden ausgewählte Promotoren des Chlorella-Virus-1 (PBCV-1) gewählt, diese führten allerdings zu keiner Expression. Außerdem wurden synthetische, aneinandergereihte Hitzeschockelemente mit dem endogenen RBCS2-Promotor fusioniert und die Expressionsraten analysiert. Dabei ergab sich bei der Kombination aus dem synthetischen Hitzeschockelement in achtfacher Wiederholung (HSE8x) mit RBCS2 nach der Hitzeinduktion eine Steigerung der Expressionsrate um das bis zu dreifache. Die Basalexpression war hierbei bei HSE1x-RBCS2 am höchsten und erreichte Expressionslevels, welche um das fünffache höher lagen als die Positivkontrolle HSP70A-RBCS2. Mittels Chromatinimmunopräzipitation mit dem Antikörper gegen HSF1 konnte gezeigt werden, dass eine Bindung an das synthetische Hitzeschockelement vorliegt und deshalb die Expression über die konventionelle Hitzeschockantwort in Chlamydomonas reinhardtii funktioniert. Im Gegensatz zur Luciferase benötigen Fluoreszenzproteine als Reporter kein Substrat. Infolge dieses Vorteils und der Möglichkeiten der FACS-Analyse und Fluoreszenzmikroskopie wurde tagRFP als neuer Reporter in C. reinhardtii etabliert. Die Erhöhung der Expressionsrate durch neue Promotorkombinationen und die Anwendung von tagRFP als neuen Fluoreszenzreporter bedeuten wichtige Schritte in der Etablierung von C.reinhardtii als Expressionssystem für Produkte in der Biotechnologie. / The unicellular green alga C.reinhardtii which is used as a model organism could be an interesting expression system for oral vaccines. This is because the alga is generally regarded as safe, it shows fast growth rates and culturing is cheap. Furthermore it offers the possibility of posttranslational modifications. Challenges lie in the low expression rates in the nuclear genome when compared to other expression systems. Therefore the first step in this work was to test whether selected Chlorella virus PBCV-1 promoters, do lead to enhanced expression rates, but there was no detectable expression. Furthermore synthetic repeats of heat shock elements were used in combination with the endogenous RBCS2-promoter and analysed for expression rates via reporter measurements. The combination of synthetic heat shock elements in eightfold repeats in combination with RBCS2 enhanced expression rates of luciferase after heat shock up to threefold in comparison with the up to now strongest known promoter combination HSP70A-RBCS2. Basalexpression turned out to be best for the HSE1x-RBCS2 promoter and reached expression levels fivefold higher compared to HSP70A-RBCS2. To examine if the artificial heat shock elements (HSEs) are bound by the heat shock factor 1 in C. reinhardtii a ChIP assay with HSE8x-RBCS2 and the antibody of HSF1 of C. reinhardtii was done. It could be shown that HSF1 binds HSEs and therefore one can explain the heat shock inducibility of HSEs is regulated via the conserved heat shock response. In contrast to luciferase fluorescence reporters do not need substrate. Because of this advantage and the possibility of FACS analyses and fluorescence microscopy tagRFP was established as new reporter in C.reinhardtii. Enhancement of expression rates through new constitutive and inducible promoter combinations and the possible use of tagRFP as new fluorescence reporter are significant steps in establishing C.reinhardtii as expression system for products in biotechnology.

Diese Arbeit untersucht die Reaktion der Stieleiche auf pflanzenparasitären Nematoden mittels RNA-Sequenzierung und Analyse von stabilen Isotopen und Fettsäuren. Einblicke in Rhizosphäreninteraktionen wurden über mutualistische Partner (Ektomykorrhizapilze, Rhizosphärenhelferbakterien), fungivore Collembolen und multitrophische Gemeinschaften gewonnen. Die Struktur und Biomasse der Mikroorganismen sowie die Fitness der Eichen wurden erfasst. Die Effekte wurzelfressender Nematoden auf die Eiche wurden durch das endogene rhythmische Wachstum des Baumes reguliert. Die Nematoden lösten eine stärkere Reaktion während des Sprosswachstumsschubs aus, u.a. Aktivierung von Abwehrmechanismen und Hemmung der Photosynthese, wohingegen beim Wurzelwachstumsschub pathogen bezogene Signale unterdrückt waren. Die Anwesenheit des Pilzsymbionten schwächte die Pflanzenabwehr und verbesserte die Stresstoleranz, was indirekt das Wachstum der Mikroorganismen förderte. Die Helferbakterien begünstigten den Mykorrhizapilz, was wiederum das Pflanzenwachstum stimulierte und dem negativen Effekt der Nematoden entgegenwirkte. Parasitäre Nematoden und fungivore Collembolen beeinflussten die Verteilung des pflanzlichen Kohlenstoffes unabhängig voneinander; Nematoden verringerten und Collembolen verbesserten die Allokation von Photoassimilaten in Gram-postiven Bakterien. Zudem war steigende trophische Diversität der Bodenfauna in der Rhizosphäre entscheidend für die Balance innerhalb der mikrobiellen Gemeinschaft, welche das Pflanzenwachstum fördert. Diese Arbeit stellt die Bedeutung der endogenen Ressourcenzuteilung von Pflanzen für unterirdische biotische Wechselbeziehungen heraus. Diese Pflanzenstrategie als bedeutender Faktor für Rhizosphärenprozesse sollte in zukünftige Studien Berücksichtigung finden. Die Einbeziehung der Hauptakteure in der Rhizosphäre ermöglicht zudem ein realistischeres Bild von Nematoden-Pflanzen Interaktionen und damit ein effektiveres Management. / This thesis investigated the response of Pedunculate oak to the plant-parasitic nematode Pratylenchus penetrans, using RNA-sequencing, stable isotope labelling and fatty acid analyses. Insight into rhizosphere interactions was gained by employing beneficial biotic partners (ectomycorrhizal fungi, rhizosphere helper bacteria), fungal grazers (Collembola) and multitrophic environments. Microbial biomass and community structure as well as oak fitness were assessed. The effects of root-feeding nematodes on oak were largely governed by the endogenous rhythmic growth of the tree. The nematodes triggered a stronger response during shoot flush, e.g. activation of multi-layered defence mechanisms and repression of photosynthesis, as compared to root flush where pathogen-related signalling was repressed. With the presence of the mycorrhizal symbiont plant defence was attenuated and stress tolerance enhanced, indirectly promoting the growth of rhizosphere microorganisms. The helper bacteria fostered the ectomycorrhizal fungus, which in turn stimulated plant growth, counteracting the negative effects of nematodes. Plant-parasitic nematodes and Collembola grazers had independent roles in plant carbon allocation patterns, with nematodes hampering whilst Collembola enhancing the flux of recent photoassimilates to Gram-positive bacteria. Lastly, increasing trophic diversity of the soil fauna in the rhizosphere of oaks was crucial for the maintenances of a microbial community equilibrium that promotes plant growth. In sum, this study highlights the importance of endogenous resource allocation pattern of plants in determining the outcome of belowground biotic interactions. Therefore such plant traits should be considered as important drivers for rhizosphere processes in future studies. Moreover, taking into account the rhizosphere main players in studies on parasitic nematode-plant interactions will result in a more realistic picture and thus more effective nematode management.

Innerhalb dieser Arbeit wurde ein kompetitiver ELISA etabliert und validiert, der eine Quantifizierung von Drogen im humanen Serum gemäß geltender Richtlinien ermöglicht. Der Nachweis erzielte zudem vergleichbare Ergebnisse zur Referenzmethode (Massenspektrometrie). Es wurden neun Drogen (Amphetamin, Methamphetamin, Methylenedioxymethamphetamin (MDMA), Tetrahydrocannabinol (THC), Phencyclidin (PCP), Methadon, Morphin, Kokain und Benzoylecgonin) und insgesamt 33 Antikörper verwendet. Alle Reagenzien durchliefen zunächst ein stringentes Validierungsverfahren. Nach Ausschluss möglicher Kreuzreaktivitäten konnten für drei Drogen (Methadon, MDMA und Benzoylecgonin) jeweils ein Antikörper bestimmt werden, der eine spezifische und sensitive Quantifizierung der Droge ermöglichte. Mit dem anti-MDMA Antikörper war zusätzlich der Nachweis in einem miniaturisierten Format (Microarray) möglich. Die verwendeten Antikörper zeigten keine Kreuzreaktivitäten mit anderen Drogen, Antikörpern, dem Probenmaterial oder anderen Versuchskomponenten. Weiterhin wurde kein Einfluss etwaiger Abbauprodukte im langfristig gelagerten Serum beobachtet. Durch die Ergebnisse wird gezeigt, dass ein immunologischer Nachweis von Drogenmissbrauch in Serum eine verlässliche Ergänzung zu bestehenden Methoden darstellt. Bei einer Übertragung des immunologischen Ansatzes auf ein Microarray ergibt sich zudem die Möglichkeit mehrere Drogen und Serumproben parallel nachzuweisen bzw. zu vermessen. Der höhere Probendurchsatz, der kompakte Versuchsaufbau und der geringere Verbrauch an Material gehört zu den größten Vorteilen dieser Technik. / A competitive ELISA was established, which enables a reliable quantification of serological drug samples according to current guidelines. The method achieved comparable results to the standard method mass spectrometry. In total nine drugs (amphetamine, methamphetamine, 3,4-methylenedioxy-methamphetamine (MDMA), tetrahydrocannabinol (THC), phencyclidine (PCP), methadone, morphine, cocaine and benzoylecgonine) and 33 antibodies were tested. All reagents had to pass through a stringent validation process. After exclusion of cross-reactivities antibodies against three drugs (methadone, MDMA, benzoylecgonine) were validated, which allowed a specific and sensitive quantification. Additionally, by using the anti-MDMA antibody a detection of MDMA in serum on microarray (miniaturized format) was achieved. No cross-reactivities were detected for the used antibodies with other drugs, antibodies, sample material or other assay components. Furthermore, no influence of degradation products in long-stored serum was recorded. The results prove, that immunoassays can be a reliable complement to existing methods. By adapting the immunological method to a microarray, the simultaneous quantification of various drugs and serum samples is enabled. The increased through-put, smaller footprint and the decreased consumption of reagents are some of the biggest advantages of this technique.

Der Eintritt löslicher oder membranständiger Proteine in den Sekretionsweg beginnt mit dem Transport der Proteine durch die Membran des Endoplasmatischen Retikulums (ER). Die Translokationspore wird durch den heterotrimeren Sec61-Komplex gebildet. Homologe Membranproteine der alpha- und gamma-Untereinheit dieses Komplexes sind bislang in allen daraufhin untersuchten prokaryotischen und eukaryotischen Organismen gefunden worden. Es handelt sich somit um einen entwicklungsgeschichtlich hoch konservierten Mechanismus des Proteintransports durch Membranen. Zahlreiche Untersuchungen in den letzten Jahren haben uns mittlerweile ein komplexes Bild des Translokationsgeschehens vermittelt. Die vorliegende Arbeit beleuchtet einen völlig neuen Aspekt der Proteintranslokation: Es zeigt sich, daß Gene, die für Komponenten des Sec61-Komplexes kodieren, in sehr unterschiedlichen eukaryotischen Organismen unabhängig voneinander dupliziert wurden und sich im folgenden nebeneinander weiterentwickelten. Die Untersuchung dieser sog. paralogen Gene und ihrer Genprodukte zum einen in Säugerzellen und zum anderen in der Hefe Saccharomyces cerevisiae ist Gegenstand der Arbeit. In Säugerzellen finden sich zwei sehr ähnliche SEC61a-Gene (knapp 80% Identität auf Nukleinsäureebene, etwa 94% auf Aminosäureebene), deren Expression in verschiedenen Organen und Embryonalstadien der Maus analysiert wurde. In allen bislang getesteten Geweben wurden beide Gene exprimiert. Deutliche Unterschiede zeigten sich allerdings in der Stärke der Expression: Während die Expressionshöhe des bereits bekannten SEC61a-I-Gens relativ konstant war, variierte die des paralogen SEC61a-II-Gens zwischen den einzelnen Organen. Der selektive Vorteil zweier paraloger SEC61a-Gene für den Säugerorganismus liegt somit möglicherweise in der unterschiedlichen Regulierbarkeit ihrer Expression. In Saccharomyces cerevisiae finden sich paraloge Proteine und dafür kodierende Gene sowohl für die alpha-Untereinheit Sec61p als auch für die beta-Untereinheit Sbh1p des heterotrimeren Sec61p-Komplexes. Der Grad der Identität liegt mit 32% zwischen Sec61p und Ssh1p (Sec sixty-one homolog 1) allerdings erheblich niedriger als in Säugerzellen. Sbh1p und Sbh2p (Sec sixty-one beta homolog 2) sind zu etwa 50% identisch. Für die gamma-Untereinheit Sss1p wurde kein paraloges Protein gefunden. Es konnte gezeigt werden, daß die beiden, hier neu beschriebenen Proteine Ssh1p und Sbh2p zusammen mit Sss1p einen eigenständigen, heterotrimeren Komplex, den Ssh1p-Komplex, bilden, der ebenfalls in der ER-Membran lokalisiert ist und eine Funktion beim Proteintransport durch diese Membran hat. Im Gegensatz zu SEC61 ist SSH1 nicht essentiell, wenn auch das Ssh1p für normale Wachstumsraten erforderlich ist. Die Deletion des SBH2-Gens zeigt keinen Phänotyp, was allerdings für die des SBH1-Gens ebenfalls gilt. Erst das Fehlen beider Proteine führt zu einem temperatur-abhängigen Wachstumsphänotyp und zu Defekten in der Translokation. Der entscheidende Unterschied zwischen dem Sec61p- und dem Ssh1p-Komplex scheint darin zu bestehen, daß der Sec61p-Komplex modulartig einsetzbar ist: als trimerer Komplex bei der kotranslationalen Translokation und im heptameren Sec-Komplex beim posttranslationalen Proteintransport. Demgegenüber deuten die Untersuchungen des Ssh1p-Komplexes darauf hin, daß dieser nicht mit dem tetrameren Sec62p-Sec63p-Komplex zum heptameren Sec-Komplex assoziieren kann. Vielmehr läßt er sich in Assoziation mit membrangebundenen Ribosomen nachweisen, was auf eine ausschließliche Funktion des Ssh1p-Komplexes bei der kotranslationalen Translokation schließen läßt. / Soluble or membrane proteins entering the secretory pathway are first translocated across the endoplasmic reticulum (ER) membrane. The proteins move through a channel formed by the heterotrimeric Sec61-complex. Homologues of the alpha- and gamma-subunit of this complex have been found in a wide variety of procaryotic and eucaryotic organisms indicating an evolutionary highly conserved mechanism for translocating proteins across membranes. Several recent investigations contributed to a complex understanding of this process. The work presented here sheds light on a completely new aspect of protein translocation across the ER-membrane: Interestingly genes coding for components of the Sec61-complex are found to have been duplicated independently in diverse eucaryotic organisms giving rise to so called paralogous genes (= intraspecies homologues) co-evolving after duplication. These paralogous genes and their gene products in mammalian cells as well as in the yeast Saccharomyces cerevisiae have been analyzed in detail. Mammalian cells possess two very similar SEC61a-genes (about 80% identity on nucleic acid level, about 94% on protein level). Their expression has been analyzed for several murine organs and embryonic stages. All tissues tested so far showed expression of both genes though the level of expression differed significantly: whereas expression of the already known SEC61a-I-gene seemed to be more or less constant across different tested organs, expression levels of the paralogous SEC61a-II-gene were not. Consequently the ability to differentially regulate the expression of the two paralogous SEC61a-genes may be of selective advantage for the mammalian organism. In the yeast Saccharomyces cerevisiae paralogous proteins of the alpha-subunit Sec61p as well as for the beta-subunit Sbh1p of the heterotrimeric Sec61p-complex can be found. The paralogous alpha-subunits Sec61p and Ssh1p (Sec sixty-one homolog 1) are less well conserved (32% identity) than the mammalian paralogues. Sbh1p and Sbh2p (Sec sixty-one beta homolog 2) are 50% identical. No paralogous protein was found for the gamma-subunit Sss1p. Instead, it could be shown that the new proteins Ssh1p and Sbh2p together with Sss1p are found in a heterotrimeric complex, the Ssh1p-complex, which like the Sec61p-complex localizes to the ER-membrane and has a function in translocating proteins across this membrane. In contrast to Sec61p Ssh1p is not essential for cell viability but it is required for normal growth rates. Sbh1p and Sbh2p individually are also not essential, but cells lacking both proteins are impaired in their growth at elevated temperatures and show translocation defekts in vivo as well as in vitro. The most intriguing difference between the Sec61p-and the Ssh1p-complex might be that the Sec61p-complex has a role in both co- and post-translational translocation pathways, as a separate entity and as part of the heptameris Sec-complex, respectively. However, there was no evidence for the Ssh1p-complex being part of an heptameric complex together with the tetrameric Sec62p-Sec63p-complex, but association of the trimeric Ssh1p-complex with membrane-bound ribosomes could be shown, making it likely that the Ssh1p-complex functions exclusively in the co-translational pathway of protein transport.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung und Validierung geeigneter Methoden zur selektiven qualitativen und quantitativen Bestimmung aller relevanten Zersetzungsprodukte von Natriumthiosulfat-Injektionslösungen. Die Besonderheit liegt in der Analytik der schwefelhaltigen Verbindungen neben einem großen Überschuss an Thiosulfat. Neben der Etablierung analytischer Verfahren konnte Aussagen zu stabilitätsrelevanten Parametern getroffen und die Zersetzungsprodukte unterschiedlich stabilisierter Injektionslösungen charakterisiert werden. Als wichtigste Ergebnisse dieser Arbeit: (i) sind der Nachweis und quantitative Bestimmung von Sulfit, Sulfat und erstmals von Sulfid und Polythionaten (Tetrathionat, Pentathionat, Hexathionat) in Natriumthiosulfat-Injektionslösungen durch Einsatz der DPP, IPC, IC und CZE erfolgt, (ii) sind der Nachweis und erstmals die quantitative Bestimmung von Schwefel nach Flüssig-/Flüssig-Extraktion und mittels RP-HPLC in Natriumthiosulfat-Injektionslösungen vorgenommen worden, (iii) ist erstmals die Trennung von Polysulfiden unterschiedlicher Kettenlänge durch Einsatz der CZE gelungen, (iii) ist der Nachweis der Beteiligung von Sulfid und Polythionaten am Zersetzungsgeschehen von Natriumthiosulfat-Injektionslösungen erbracht worden, (iv) ist eine Einschätzung stabilitätsrelevanter Parameter (pH, Pufferkapazität, Disulfit-Zusatz, EDTA, thermische Belastung) erfolgt (v) ist eine Erklärung des beobachteten pH-Wert-Abfalls aus dem System erbracht worden, (vi) wurden methodische Fortschritte bezüglich Nachweisgrenze und Selektivität erreicht und (vii) ist ein direkten Vergleich aller Methoden bezüglich Nachweisgrenze, Präzision, Richtigkeit, Selektivität, Robustheit und immanenter Anfälligkeit bei großem Überschuss einer Komponente möglich. / The present thesis was focused on development and validation of several analytical methods in order to detect and to determine relevant degradation product of sodium thiosulphate injection solutions with certain selectivity. The exceptional matter is the determination of small amount of sulphur containing compounds beneath a large amount of thiosulphate. In addition parameters which influence the stability of the injection solutions were investigated. Furthermore different degradation products of instable injection solutions were characterised. The main results of these thesis are the following: (i) the detection and quantitative determination of sulphite, sulphate and first of sulphide and polythionates (tetrathionate, pentathionate, hexathionate) in sodium thiosulphate injection solutions by use of DPP, IPC, IC und CZE, (ii) the detection and first the quantitative determination of sulphur after liquid- / liquid-extraction and RP-HPLC analysis in sodium thiosulphate injection solutions, (iii) the first separation of polysulphides with different chain length by use of CZE, (iii) the evidence that sulphide and polythionates are involved in degradation of in sodium thiosulphate injection solutions (iv) an evaluation of the influence of pH, buffer capacity, sodium disulphite, EDTA, sterilisation (v) the explanation of the observed pH-depression , (vi) advantages in detection limits and selectivity (vii) comparison of detection limits, accuracy, precision, selectivity and robustness in presence of sample overload.

Das moderne Therapiekonzept der Hochdosischemotherapie von soliden Tumoren und hämatologischen Neoplasien erfordert die prätherapeutische Sammlung, die extrakorporale Reinigung und die nachfolgende Tieftemperaturlagerung von menschlichen Blutstammzellen zur späteren Retransplantation. Stammzellpräparate (Transplantate) von 22 Patienten wurden durch extrakorporale Trennung von peripheren Blut hergestellt. Von jedem Patienten wurde eine Probe mit Dimethylsulfoxid (DMSO) versetzt, bei - 196 oC gelagert und nach ca. 3 Wochen aufgetaut. Eine Vergleichsprobe jedes Patienten wurde ohne den Zusatz von DMSO und ohne einen Einfrierschritt untersucht. Die Exposition von DMSO, das Frieren und Auftauen der Zellen zeigte eine geringfügige des Zell- und Kerndurchmessers, eine konstante Anzahl an Mitochondrien und eine Reduktion der Vesikel. Ein markantes Merkmal der Schädigung nach Tieftemperaturlagerung war das Auftreten von Flüssigkeitseinlagerungen in die Kerndoppelmembran und die Ausbildung von zisternenartigen Erweiterungen des endoplasmatischen Retikulums. Regelmäßig konnten Mitochondrien von verringerter Größe und randständig kondensierter Cristae gefunden werden. Insgesamt konnten keine schwerwiegenden zellulären Schäden beim Vergleich der unbehandelten und der DMSO- versetzten , eingefrorenen und wieder aufgetauten Proben festgestellt werden. Die morphologischen Ergebnisse korrespondieren mit der vollständigen Restitution aller hämatopoetischer Zelllinien nach Transplantation. / The modern therapeutic concept of high-dose chemotherapy of solid tumors and hematologic neoplasias demands a pretherapeutic harvest, an extracorporal purification and an consecutive deep temperature storage of human blood stem cells which will be retransplanted later. Stem cell preparates (transplants) of 22 patients were produced by extracorporal separation of peripheral blood. From each patient a stem cell specimen was mixed with dimethylsulfoxide (DMSO), storaged at - 196 °C and thawed after about 21 days. A corresponding specimen of each patients material was investigated without DMSO addition and without freezing under native conditions. The DMSO exposed, frozed and again defrosted cells showed a mild increase of total cell and nucleus diameters, a constant number of mitochondrias and a reduction of vesicles. A markedly feature of deep temperature damage was the occurance of liquide storages in the nucleus double membrane and the forming of cisterne-like enlargement of the endoplasmatic reticulum. Persistantly we found mitochondrias with reduced size and marginal condensed cristae. Alltogether there were no severe cellular damages in the comparative investigated overlifed specimen cells of the same patient with and without DMSO and deep temperature storage. The morphological results correspond with clinical investigations of a sufficient restitution of all hematopoietic cell lineages in transplanted patients.

Die von T-Helfer (Th) -Zellen produzierten Zytokine spielen eine entscheidende Rolle bei der Einleitung, der Aufrechterhaltung und der Regulation von Immunantworten. Bei der Untersuchung von Immunantworten hat sich eine vereinfachte Einteilung der Th-Zellen in zwei Klassen als hilfreich erwiesen: Th1 und Th2. Stabil differenziell exprimierte Oberflächenmoleküle werden benötigt, um lebende Th1- und Th2-Zellen identifizieren, auf Einzelzellebene charakterisieren und möglicherweise die von ihnen erzeugten Immunantworten modulieren zu können. Auf der Suche nach solchen Molekülen wurde in Zusammenarbeit mit der Firma Millennium Pharmaceuticals das Oberflächenmolekül TIM-3 entdeckt. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit belegen, dass TIM-3 nicht nur von CD4+ Th-Zellen, sondern auch von CD8+ T-Zellen, gamma/delta-T-Zellen, sowie einigen Makrophagen und der Mehrheit der dendritischen Zellen in der Milz von Mäusen auf der Zelloberfläche exprimiert wird. Die Expression von TIM-3 auf Th-Zellen ist klar mit einem aktivierten Phänotyp assoziiert. TIM-3 wird unter polarisierenden Bedingungen in vitro im Vergleich zu Th2-Zellen bevorzugt, jedoch nicht ausschließlich von Th1-Zellen exprimiert. Erstmals wurde auf Einzelzellebene die Zytokinproduktion TIM-3 exprimierender Th-Zellen untersucht. Die Analyse von Th0-Zellen, welche unter nichtpolarisierenden Bedingungen in vitro hergestellt wurden, ergab keine bevorzugte Produktion von Th1-Zytokinen und keine verminderte Expression von Th2-Zytokinen durch TIM-3 exprimierende Th-Zellen. Aufgrund der in dieser Arbeit erhaltenen Ergebnisse erlaubt die Expression von TIM-3 allein daher nicht die Identifizierung von Th1-Zellen. Nach einer Infektion mit Toxoplasma gondii lag jedoch eine bevorzugte Assoziation zwischen der Expression von TIM-3 und der pathogenspezifischen Produktion von Interferon (IFN)-gamma, Interleukin (IL)-2 und Tumor Nekrose Faktor (TNF)-alpha vor. Somit korreliert die TIM-3 Expression auf Th-Zellen nur unter bestimmten Bedingungen mit einem Th1-Phänotyp. / The cytokines that are produced by T helper (Th) cells are decisive for the initiation, the maintenance and the regulation of immune responses. A simplified classification of Th cells has proven to be useful for the analysis of immune responses: Th1 and Th2. Stably and differentially expressed surface molecules are required for the identification of live Th1- and Th2-cells, their characterisation at the single cell level and the possible modulation of the immune responses that they induce. On the search for such molecules the surface molecule TIM-3 was discovered in collaboration with Millennium Pharmaceuticals. The present work shows that TIM-3 protein is not only expressed on the cell surface by CD4+ Th cells but also by CD8+ T cells and gamma/delta T cells as well as by some macrophages and the majority of the dendritic cells in the murine spleen. TIM-3 expression on Th cells is clearly associated with an activated phenotype. Under polarising conditions in vitro TIM-3 is expressed preferentially albeit not exclusively by Th1 cells compared to Th2 cells. For the first time, the cytokine production of TIM-3 expressing Th cells has been analysed at the single cell level. The analysis of Th0 cells, generated under non-polarising conditions in vitro showed no preferential production of Th1-cytokines and no diminished production of Th2-cytokines by TIM-3 expressing Th-cells. The results obtained in this work lead to the conclusion that expression of TIM-3 does not permit the identification of Th1-cells. However upon infection with Toxoplasma gondii a positive association between the expression of TIM-3 and the pathogen-specific production of Interferon (IFN)-gamma, Interleukin (IL)-2 and Tumor Necrosis Factor (TNF)-alpha was observed. Therefore the expression of TIM-3 on Th-cells only correlates under specific conditions with a Th1-phenotype.