Die größte Proteinfamilie des TJ-Komplexes stellen die 27 bisher beim Säuger bekannten Claudine dar. Claudin-3 (CLDN3) ist ein ubiquitär exprimiertes TJ-Protein, dessen Rolle in vivo jedoch unbekannt ist. Um Einblicke in dessen physiologische Funktion zu bekommen, wurde für diese Arbeit ein Claudin-3-defizientes Mausmodell mittels der konditionalen Gentargeting-Technologie generiert. Zur Erstellung des Targetingvektors wurde eine „Recombineering“-basierte Methode ausgewählt. Die Cldn3-deletierten Mäuse waren lebensfähig und in der Lage sich fortzupflanzen. Jedoch unterlag die Genotypverteilung aus den Verpaarungen heterozygoter Tiere nicht den Mendelschen Regeln. Es wurden weniger Cldn3(-/-) Tiere geboren. Funktionelle Analysen von Leber und Nieren, mit Ausnahme eines erhöhten Urin pH-Wertes, lieferten keine Auffälligkeiten. Elektrophysiologische Analysen am Colon zeigten keine Unterschiede zwischen Cldn3(-/-) und Cldn3(+/+) Mäusen. Der transepitheliale Widerstand, die Permeabilität für Natrium- und Chloridionen sowie für große ungeladene Moleküle waren in den Knockout-Mäusen unverändert. Die histologische Auswertung von Speicheldrüse, Niere und Leber zeigte jedoch bei alternden Tieren eine vermehrte Migration von Zellen lymphatischen Ursprungs ins Gewebe. Die Infiltrate waren zum größten Teil perivaskulär lokalisiert und weisen eine follikelähnliche Form auf. Immunohistologische Färbungen identifizierten die Zellen als T- und B-Zellen. Microarray-basierte Transkriptomanalysen in acht Wochen alten Tiere zeigten, dass vermutlich andere Claudine den Verlust von Cldn3 kompensieren. In der Leber wurden neben differenziell regulierten TJ-Proteinen auch Transkripte identifiziert, die mit der Zelladhäsion, Zellkommunikation und Signalweitergabe assoziiert sind. Die ersten Daten des Cldn3-Defizienzmodells liefern eine interessante Basis für weitere Studien in eine ganz neue Richtung. / Claudins are the largest and most important protein family within the TJ. Claudin-3 (CLDN3) is a ubiquitously expressed TJ protein, which functional role in vivo is still unknown. To gain insight into its physiological function a claudin-3 deficient mouse model has been generated using the conditional gene targeting technology. A "recombineering"-based method was chosen to create the targeting vector. The Cldn3 deficient mice were viable and fertil. Genotype distribution from hereozygous mating did not follow Mendelian rules: fewer Cldn3(-/-) animals were born and possible pointing at a prenatal lethality. Functional studies of liver and kidney, with the exception of elevated urine pH, revealed no abnormalities. Electrophysiological analyzes on colon shown no differences between the Cldn3(-/-) and Cldn3(+/+) mice. The transepithelial resistance, the permeability of sodium and chloride as well as uncharged molecules were unchanged in the knockout mice. Histological analyses of salivary gland, kidney and liver in aging animals showed an increased migration of cells with lymphathic origin into the tissue. The infiltrates were mostly localized perivascular and have a follicle form and would be identified as T- and B-lymphocytes via immunohistological analysis. Microarray-based analyses of eight week old animals suggest, that other Claudins are differentially expressed, thereby compensating for the loss of Cldn3. In the liver we identified differentially regulated TJ proteins, as well as deregulated transcripts that are associated with cell adhesion, cell communication and signal transduction. The first data of the Cldn3 knockout mouse model showed this a basis for further studies in a novel direction.

Diese Arbeit untersucht den Zusammenhang zwischen Mechanismen der translationalen Regulation und der Genomorganisation in Bakterien. Der erste Teil der Arbeit analysiert die Beziehung zwischen der Translationseffizienz von Genen und der Häufigkeit bestimmter Codons am Genanfang. Es ist bekannt, dass die Häufigkeitsverteilung der Codons am Anfang der Gene bei einigen Organismen eine andere ist als sonst im Genom. Durch die systematische Analyse von ungefähr 400 bakteriellen Genomen, evolutionären Simulationen und experimentellen Untersuchungen sind wir zu dem Schluss gekommen, dass die beobachtete Abweichung der Codonhäufigkeiten wohl eine Konsequenz der Notwendigkeit ist, RNA Sekundärstruktur in der Nähe des Translationsstarts zu vermeiden und somit eine effiziente Initiation der Translation zu gewährleisten. Im zweiten Teil der Arbeit untersuchen wir den Einfluss der Genreihenfolge innerhalb eines Operons auf die Fitness von E. coli. In bakteriellen Genomen vereint ein Operon funktionell zusammengehörige Gene, die in einer mRNA zusammen transkribiert werden und somit in der Expression stark korreliert sind. Daneben kann die translationale Kopplung, d. h. die Interdependenz der Translationseffizienz zwischen benachbarten Genen innerhalb einer solchen mRNA, eine bestimmte Proteinstöchiometrie weiter stabilisieren. Mithilfe eines Modells für die translationale Kopplung sowie für den Chemotaxis Signalweg konnten wir zeigen, dass die native Genreihenfolge eine der Permutationen ist, die am meisten zur Robustheit der Chemotaxis beitragen. Die translationale Kopplung ist daher ein wichtiger Faktor, der die Anordnung der Gene innerhalb des Chemotaxis Operon bestimmt. Diese Arbeit zeigt, dass die Anforderungen einer effizienten Genexpression sowie die Robustheit wichtiger zellulärer Funktionen einen Einfluss auf die Organisation eines Genoms haben können: einerseits bei der Wahl der Codons am Anfang der Gene, andererseits auf die Ordnung der Gene innerhalb eines Operons. / This work investigates the relationship between mechanisms of translational regulation and genome organization in bacteria. The first part analyzes the connection between translational efficiency and codon usage at the beginning of genes. It is known for some organisms that usage of synonymous codons at the gene start deviates from the codon usage elsewhere in the genome. By analyzing about 400 bacterial genomes, evolutionary simulations and experimental investigations, we conclude that the observed deviation of codon usage at the beginning of genes is most likely a consequence of the need to suppress mRNA structure around the ribosome binding site, thereby allowing efficient initiation of translation. We investigate further driving forces for genome organization by studying the impact of gene order within an operon on the fitness of bacterial cells. Operons group functionally related genes which are transcribed together as single mRNAs in E. coli and other bacteria. Correlation of protein levels is thus to a large extent attributed to this coupling on the transcriptional level. In addition, translational coupling, i.e. the interdependence of translational efficiency between neighboring genes within such a mRNA, can stabilize a desired stoichiometry between proteins. Here, we study the role of translational coupling in robustness of E. coli chemotaxis. By employing a model of translational coupling and simulating the underlying signal transduction network we show that the native gene order ranks among the permutations contributing most to robustness of chemotaxis. We therefore conclude that translational coupling is an important determinant of the gene order within the chemotaxis operon. Both these findings show that requirements for efficient gene expression and robustness of cellular function have a pronounced impact on the genomic organization, influencing the local codon usage at the beginning of genes and the order of genes within operons.

Von Schmetterlingen und Bienen bis Kolibris und Fledermäusen hat sich eine große Vielfalt von Tieren auf Blumennektar als Nahrung spezialisiert. Die Nektareigenschaften der vielen Pflanzenarten scheinen den Bedarf des Hauptbestäubers widerzuspiegeln, z.B. produzieren die von größeren Tieren bestäubten Pflanzen in der Regel auch größere Mengen an Nektar. Diese Übereinstimmung deutet darauf hin, dass Nektarmerkmale in Erwiderung auf die Auswahlkriterien der Bestäuber evolviert sind. Die evolutionäre und ökologische Interaktion zwischen Pflanze und ihrem Bestäuber hängt in entscheidender Weise von dessen Fähigkeit ab Unterschiede bei den Pflanzenmerkmalen wahrzunehmen, und von den Mechanismen der Entscheidungsfindung. In der vorliegenden Arbeit steht die Ökologie kognitiver Funktionen im Vordergrund, um die Rolle der Informationsverarbeitung bei Bestäubern für die Evolution von Blütennektarmerkmalen zu untersuchen. In den ersten drei Kapiteln konzentriere ich mich auf die Fähigkeiten verschiedener Bestäuber zwischen Zuckerlösungen mit unterschiedlichen Konzentrationen zu diskriminieren. Im vierten Kapitel werden individuelle Unterschiede auch auf der Ebene des Nahrungssuchverhaltens genauer analysiert und mit der Effizienz des Nahrungssuchverhaltens in Zusammenhang gebracht. Das fünfte und letzte Kapitel baut auf den gewonnenen Erkenntnissen zur Psychometrie der Nektarqualitätswahrnehmung auf und befasst sich mit der evolutionären Entstehung von Nektareigenschaften. Diese Studien zeigen, wie die Untersuchung kognitiver Mechanismen von Bestäubern die evolutionäre und ökologische Forschung an zoophilen Pflanzen voranbringen kann. Zusätzlich wird somit Folgendes aufgewiesen: Der Methodenansatz der virtuellen Bestäubungsökologie kann aussagekräftige Erklärungen liefern für die evolutionäre Entstehung sowie Aufrechterhaltung von Pflanzenmerkmalen, die einer durch Kognition vermittelten und von Bestäubern ausgeübten Selektion unterliegen. / A diverse array of animals has specialized in consuming floral nectar – from butterflies and bees to hummingbirds and bats. The nectar characteristics of plant species often appear to reflect the needs of their dominant pollinator, for example plants pollinated by larger animals tend to produce larger amounts of nectar. This correspondence suggests that nectar traits have evolved in response to the choice behavior of pollinators. The evolutionary and ecological interaction between plants and their pollinators crucially depends on the pollinators’ ability to perceive differences in floral nectar traits and on their decision-making mechanisms. In the presented studies I adopt a cognitive ecology approach in order to investigate the role of information-processing in pollinators on the evolution of floral nectar traits. In the first three chapters I focus on the abilities of different pollinators to discriminate among sugar solutions with different concentrations. In Chapter 4 I present a detailed analysis of individual differences in the foraging context and discuss how they might relate to foraging efficiency. In the fifth and final chapter I use the findings on the psychophysics of nectar quality evaluation to address the question of the evolutionary origins of floral nectar traits. With these studies I show how the investigation of cognitive mechanisms of pollinators can inform evolutionary and ecological research on plants pollinated by animals. In addition, I demonstrate how the virtual pollination ecology methodology can explain the evolutionary origin and maintenance of plant traits that are subjected to cognition-mediated selection exerted by pollinators.

Die vorliegende Dissertation verbindet Ergebnisse aus neuroethologischen, verhaltensbiologischen, quantitativ genetischen und genomischen Ansätzen bei Feldgrillen (Gryllus), um neue Erkenntnisse über die Rolle von sexueller Selektion bei Artbildung zu erlangen. Es wird gezeigt dass multivariate Gesangspräferenzen von Grillenweibchen von wenigen Merkmalen abhängen und zwischen Arten ähnlich sind, während sich Männchengesänge in allen Merkmalen unterschieden. Verschiedene Ebenen der Gesangserkennung sind durch unterschiedliche Präferenzfunktionen charakterisiert. Multivariate Präferenzen können also gleichzeitig verschiedene Indikatoren für Paarungspartnerqualität aus den Gesangsmerkmalen erkennen. Eine polygene genetische Architektur der Gesangsmerkmale und der Präferenz wurde beobachtet und weist auf eine eher langsamere Divergenz hin, obwohl gonosomale Vererbung mehrerer Gesangsmerkmale höhere Evolutionsraten zulässt. Starke Kovarianz zwischen den Merkmalen die direkt sexueller Selektion unterliegen und Merkmale, die nicht direkt von Weibchen gewählt werden, zeigen, dass indirekte Selektion teilweise für die markante Divergenz der Gesänge verantwortlich sein könnte, trotz begrenzter Divergenz der Präferenzen. Ferner zeigte ein Artvergleich der multivariaten Gesangsmerkmale, dass die Form der Präferenzfunktion die Ausrichtung der Kovarianzen und damit die erwartete Selektionsantwort der männlichen Gesänge beeinflussen kann. Simulationen ergaben starke Hinweise auf Genfluss zwischen zwei nahverwandten Arten über einen langen Zeitraum . Nur wenige Contigs zeigten hohe genetische Divergenz und hohe Raten nicht-synonymer Polymorphismen. Diese stimmten aber mit Genen überein, die experimentell nachgewiesene Funktionen in neuromuskulärer Entwicklung und im Paarungsverhalten haben. Zusammen zeigen die Ergebnisse das Potential von sexueller Selektion bei der Entstehung und Aufrechterhaltung von reproduktiver Isolation zwischen Arten. / This thesis integrates insights from neuro-ethological, behavioural, quantitative genetics, and genomic approaches in field crickets to provide novel insights in the role of sexual selection in speciation, in particular focusing on speciation with gene flow. It was shown that song preferences depend on few traits and are similar across species while the male song has diverged strongly in all traits. Because the different levels of song recognition are characterized by different types of preference functions, it is conceivable that multivariate preferences can extract various cues for mate quality from different traits simultaneously. A polygenic genetic architecture was found for song traits and preferences, probably limiting divergence rates. However, sex-chromosomal inheritance of some song traits may have allowed for somewhat higher rates. Strong covariance was found between traits that are under sexual selection and traits that are not directly selected by females. This indicates that indirect selection may be responsible in part for striking multivariate divergence in the male calling song despite limited divergence in female preferences. Furthermore, comparing multivariate song traits among species showed that the shape of the preference function can affect the orientation of trait covariance and thereby the selection responses of the male song. Coalescent simulations revealed evidence for a long history of gene flow between two closely related cricket species. Only few contigs with high genetic divergence and high rates of non-synonymous SNPs were found, but many of those that were highly diverged matched genes with experimentally proven functions in neuromuscular development and courtship behavior. Together, these findings underline the potential for sexual selection to drive reproductive isolation.

Diese Doktorarbeit behandelt die Beobachtung, daß Koregulationsmuster in Genexpressionsdaten häufig Funktionsstrukturen der Zelle widerspiegeln. Zunächst werden simulierte Genexpressionsdaten und Expressionsdaten aus Hefeexperimenten mit Hilfe von Independent Component Analysis (ICA) und verwandten Faktormodellen untersucht. In einem eher theoretischen Zugang werden anschließend Beziehungen zwischen den Expressionsmustern und der biologischen Funktion der Gene aus einem Optimalitätsprinzip hergeleitet. Lineare Faktormodelle, beispielsweise ICA, zerlegen Genexpressionsmatrizen in statistische Komponenten: die Koeffizienten bezüglich der Komponenten können als Profile von verborgenen Variablen ("Expressionsmoden") interpretiert werden, deren Werte zwischen den Proben variieren. Im Gegensatz zu Clustermethoden beschreiben solche Faktormodelle eine überlagerung biologischer Effekte und die individuellen Reaktionen der einzelnen Gene: jedes Genprofil besteht aus einer überlagerung der Expressionsmoden, die so die gemeinsamen Schwankungen vieler Gene erklären. Die linearen Komponenten werden blind, also ohne zusätzliches biologisches Wissen, aus den Daten geschätzt, und die meisten der hier betrachteten Methoden erlauben es, nahezu schwach besetzte Komponenten zu rekonstruieren. Beim Ausdünnen einer Komponente werden Gene sichtbar, die stark auf die entsprechende Mode reagieren, ganz in Analogie zu Genen, die differentielle Expression zwischen einzelnen Proben zeigen. Verschiedene Faktormodelle werden in dieser Arbeit auf simulierte und experimentelle Expressionsdaten angewendet. Bei der Simulation von Expressionsdaten wird angenommen, daß die Genexpression von einigen unbeobachteten Variablen ("biologischen Expressionsmoden") abhängt, die den Zellzustand beschreiben und deren Einfluss auf die Gene sich durch nichtlineare Funktionen, die sogenannten Genprogramme, beschreiben läßt. Besteht Hoffnung, solche Expressionsmoden durch blinde Datenanalyse wiederzufinden? Die Tests in dieser Arbeit zeigen, daß die Moden mit ICA recht zuverlässig gefunden werden, selbst wenn die Daten verrauscht oder leicht nichtlinear sind und die Anzahl der wahren und der geschätzten Komponenten nicht übereinstimmt. Regressionsmodelle werden an Profile einzelner Gene angepasst, um ihre Expression durch Expressionsmoden aus Faktormodellen oder durch die Expression einzelner Transkriptionsfaktoren zu erklären. Nichtlineare Genprogramme werden mit Hilfe von nichtlinearer ICA ermittelt: solche effektiven Genprogramme könnten zur Beschreibung von Genexpression in großen Zellmodellen Verwendung finden. ICA und verwandte Methoden werden auf Expressionsdaten aus Zellzyklusexperimenten angewendet: neben biologisch interpretierbaren Moden werden experimentelle Artefakte identifiziert, die vermutlich Hybridisierungseffekte oder eine Verunreinigung der Proben widerspiegeln. Für einzelne Komponenten wird gezeigt, daß die koregulierten Gene gemeinsame biologische Funktionen besitzen und daß die entsprechenden Enzyme bevorzugt in bestimmten Bereichen des Stoffwechselnetzes zu finden sind. Die Expressionmechanismen scheinen also - als Ergebnis der Evolution - Funktionsbeziehungen zwischen den Genen widerzuspiegeln: es wäre unter ökonomischen Gesichtspunkten vermutlich ineffizient, wenn kooperierende Gene nicht auch koreguliert würden. Um diese teleologische Vorstellung von Genexpression zu formalisieren, wird in dieser Arbeit ein mathematisches Modell zur Analyse der optimalen differentiellen Expression (ANODE) vorgeschlagen: das Modell beschreibt Regulatoren, also beispielsweise Gene oder Enzyme, und die von ihnen gesteuerten Variablen, zum Beispiel metabolische Flüsse. Das Systemverhalten wird durch eine Fitnessfunktion bewertet, die beispielsweise vom bestimmten Stoffwechselflüssen abhängt und die es zu optimieren gilt. Dieses Optimalitätsprinzip definiert eine optimale Reaktion der Regulatoren auf kleine äußeren Störungen. Zur Berechnung optimaler Regulationsmuster braucht das zu regulierende System nur teilweise bekannt zu sein: es genügt, sein mögliches Verhalten in der Nähe des optimalen Zustandes sowie die lokale Form der Fitnesslandschaft zu kennen. Die Methode wird auf zeitabhängige Störungen erweitert: um die Antwort von Stoffwechselsystemen auf kleine oszillatorische Störungen zu beschreiben, werden frequenzabhängige Kontrollkoeffizienten definiert und durch Summations- und Konnektivitätstheoreme charakterisiert. Um die vorhergesagte Beziehung zwischen Expression und Funktion zu prüfen, werden Kontrollkoeffizienten für ein großes Stoffwechselnetz simuliert, und ihre statistischen Eigenschaften werden untersucht: die Struktur der Kontrollkoeffizientenmatrix bildet die Netztopologie ab, das bedeutet, chemische Reaktionen haben gewöhnlich einen geringen Einfluss auf weit entfernte Teile des Netzes. Außerdem hängen die Kontrollkoeffizienten innerhalb eines Teilnetzes nur schwach von der Modellierung des umgebenden Netzes ab. Verschiedene plausible Annahmen über sinnvolle Expressionsmuster lassen sich formal aus dem Optimalitätsprinzip herleiten: das Hauptergebnis ist eine allgemeine Beziehung zwischen dem Verhalten und der biologischen Funktion von Regulatoren, aus der sich zum Beispiel die Koregulation von Enzymen in Komplexen oder Funktionsmodulen ergibt. Die Funktionen der Gene werden in diesem Zusammenhang durch ihre linearen Einflüsse (die sogenannten Responsekoeffizienten) auf fitnessrelevante Zellvariable beschrieben. Für Stoffwechselenzyme werden aus den Theoremen der metabolischen Kontrolltheorie Summenregeln hergeleitet, die die Expressionsmuster mit der Struktur des Stoffwechselnetzes verknüpfen. Weitere Vorhersagen betreffen eine symmetrische Kompensation von Gendeletionen und eine Beziehung zwischen Genexpression und dem Fitnessverlust aufgrund von Deletionen. Wenn die optimale Steuerung durch eine Rückkopplung zwischen Zellvariablen und den Regulatoren verwirklicht ist, dann spiegeln sich funktionale Beziehungen auch in den Rückkopplungskoeffizienten wider. Daher ist zu erwarten, daß Gene mit ähnlicher Funktion durch Eingangssignale aus denselben Signalwegen gesteuert werden. Das Modell der optimalen Steuerung sagt voraus, daß Expressionsprofile aus Linearkombinationen von Responsekoeffizientenprofilen bestehen: Tests mit experimentellen Expressionsdaten und simulierten Kontrollkoeffizienten stützen diese Hypothese, und die gemeinsamen Komponenten, die aus diesen beiden Arten von Daten geschätzt werden, liefern ein anschauliches Bild der Stochwechselvorgänge, die zur Anpassung an unterschiedliche Umgebungen notwendig sind. Alles in allem werden in dieser Arbeit empirische Beziehungen zwischen der Expression and der Funktion von Genen bestätigt. Darüber hinaus werden solche Beziehungen aus theorischen Gründen vorhergesagt. Ein Hauptziel ist es, teleologische Aussagen über Genexpression auf explizite Annahmen zurückzuführen und dadurch klarer zu formulieren, und so einen theoretischen Rahmen für die Integration von Expressionsdaten und Funktionsannotationen zu liefern. Während andere Autoren die Expression mit Funktionskategorien der Gene oder topologisch definierten Stoffwechselwegen verglichen haben, schlage ich vor, die Funktionen von Genen durch ihre Responsekoeffizienten auszudrücken. Als ein Hauptergebnis dieser Arbeit werden allgemeine Beziehungen zwischen der Funktion, der optimalen Expression und dem Programm eines Gens vorhergesagt. Soweit die Optimalitätsannahme gilt, rechtfertigt das Modell die Verwendung von Expressionsdaten zur Funktionsannotation und zur Rekonstruktion von Stoffwechselwegen und liefert außerdem eine funktionsbezogene Interpretation für die linearen Komponenten in Expressionsdaten. Die Methoden aus dieser Arbeit sind nicht auf Genexpressionsdaten beschränkt: die Faktormodelle lassen sich auch auf Protein- und Metabolitdaten anwenden, und das Optimalitätsprinzip könnte ebenfalls auf andere Steuerungsmechanismen angewendet werden, beispielsweise auf die allosterische Steuerung von Enzymen. / This thesis is concerned with the observation that coregulation patterns in gene expression data often reflect functional structures of the cell. First, simulated gene expression data and expression data from yeast experiments are studied with independent component analysis (ICA) and with related factor models. Then, in a more theoretical approach, relations between gene expression patterns and the biological function of the genes are derived from an optimality principle. Linear factor models such as ICA decompose gene expression matrices into statistical components. The coefficients with respect to the components can be interpreted as profiles of hidden variables (called "expression modes") that assume different values in the different samples. In contrast to clusterings, such factor models account for a superposition of effects and for individual responses of the different genes: each gene profile consists of a superposition of the expression modes, which thereby account for the common variation of many genes. The components are estimated blindly from the data, that is, without further biological knowledge, and most of the methods considered here can reconstruct almost sparse components. Thresholding a component reveals genes that respond strongly to the corresponding mode, in comparison to genes showing differential expression among individual samples. In this work, different factor models are applied to simulated and experimental expression data. To simulate expression data, it is assumed that gene expression depends on several unobserved variables ("biological expression modes") which characterise the cell state and that the genes respond to them according to nonlinear functions called "gene programs". Is there a chance to reconstruct such expression modes with a blind data analysis? The tests in this work show that the modes can be found with ICA even if the data are noisy or weakly nonlinear, or if the numbers of true and estimated components do not match. Regression models are fitted to the profiles of single genes to explain their expression by expression modes from factor models or by the expression of single transcription factors. Nonlinear gene programs are estimated by nonlinear ICA: such effective gene programs may be used for describing gene expression in large cell models. ICA and similar methods are applied to expression data from cell-cycle experiments: besides biologically interpretable modes, experimental artefacts, probably caused by hybridisation effects and contamination of the samples, are identified. It is shown for single components that the coregulated genes share biological functions and the corresponding enzymes are concentrated in particular regions of the metabolic network. Thus the expression machinery seems to portray - as an outcome of evolution - functional relationships between the genes: regarding the economy of resources, it would probably be inefficient if cooperating genes were not coregulated. To formalise this teleological view on gene expression, a mathematical model for the analysis of optimal differential expression (ANODE) is proposed in this work: the model describes regulators, such as genes or enzymes, and output variables, such as metabolic fluxes. The system´s behaviour is evaluated by a fitness function, which, for instance, rates some of the metabolic fluxes in the cell and which is supposed to be optimised. This optimality principle defines an optimal response of regulators to small external perturbations. For calculating the optimal regulation patterns, the system to be controlled needs to be known only partially: it suffices to predefine its possible behaviour around the optimal state and the local shape of the fitness function. The method is extended to time-dependent perturbations: to describe the response of metabolic systems to small oscillatory perturbations, frequency-dependent control coefficients are defined and characterised by summation and connectivity theorems. For testing the predicted relation between expression and function, control coefficients are simulated for a large-scale metabolic network and their statistical properties are studied: the structure of the control coefficients matrix portrays the network topology, that is, chemical reactions tend to have little control on distant parts of the network. Furthermore, control coefficients within subnetworks depend only weakly on the modelling of the surrounding network. Several plausible assumptions about appropriate expression patterns can be formally derived from the optimality principle: the main result is a general relation between the behaviour of regulators and their biological functions, which implies, for example, the coregulation of enzymes acting in complexes or functional modules. In this context, the functions of genes are quantified by their linear influences (called ``response coefficients'') on fitness-relevant cell variables. For enzymes controlling metabolism, the theorems of metabolic control theory lead to sum rules that relate the expression patterns to the structure of the metabolic network. Further predictions concern a symmetric compensation for gene deletions and a relation between gene expression and the fitness loss caused by gene deletions. If optimal regulation is realised by feedback signals between the cell variables and the regulators, then functional relations are also portrayed in the linear feedback coefficients, so genes of similar function may be expected to share inputs from the same signalling cascades. According to the model of optimal regulation, expression profiles are linear combinations of response coefficient profiles: tests with experimental expression profiles and simulated control coefficients support this hypothesis, and the common components which are estimated from both kinds of data provide a vivid picture of the metabolic adaptations that are required in different environments. To summarise, empirical relations between gene expression and function have been confirmed in this work. Furthermore, such relations have been predicted on theoretical grounds. A main aim is to clarify teleological assertions about gene expression by deriving them from explicit assumptions, and thus to provide a theoretical framework for the integration of expression data and functional annotations. While other authors have compared expression to functional gene categories or topologically defined metabolic pathways, I propose to relate it to the response coefficients. A main result of this work is that general relations are predicted between a gene's function, its optimal expression behaviour, and its regulatory program. Where the assumption of optimality is valid, the model justifies the use of expression data for functional annotation and pathway reconstruction, and it provides a function-related interpretation for the linear components behind expression data. The methods from this work are not limited to gene expression data: the factor models are applicable to protein and metabolite data as well, and the optimality principle may also apply to other regulatory mechanisms, such as the allosteric control of enzymes.

Rhodopsin, der Rezeptor der visuellen Kaskade, gehört zu größten Klasse A der G-Protein-koppelnden Rezeptoren (GPCRs) und gilt als Modell-Rezeptor in der GPCR-Forschung. Über 3 % des humanen Genoms kodieren für GPCRs, doch trotz der physiologischen Bedeutung dieser Proteinfamilie sind die fundamentalen Mechanismen, mit denen diese Rezeptoren extrazelluläre Signale in das Zellinnere weiterleiten noch nicht verstanden. In der vorliegenden Dissertation werden Aspekte des Aktivierungsmechanismus von Rhodopsin sowie der Kopplung und Aktivierung des G-Proteins Transduzin untersucht. Die Arbeit ist in drei Schwerpunkte unterteilt: I. Es wurde ein in GPCR’s hochkonserviertes NPxxYx(5,6)F Motiv (Aminosäuresequenz Asn-Pro-x-x-Tyr-x(5,6)-Phe) in der siebten und achten Helix charakterisiert. In diesem konservierten Motiv sind mehrere für die Ausbildung der aktiven Rezeptorkonformation wichtige Funktionen vereint: Verknüpfung zu einem Wasserstoffbrückennetzwerk, Helixflexibilität sowie die exakte Positionierung der achten Helix. Letzteres hat nicht nur bei der Rezeptoraktivierung sondern auch bei der nachfolgenden Interaktion mit dem G-Protein eine Bedeutung. II. Anhand von chimären Rezeptoren, bei denen Teile der achten Helix durch homologe Sequenzen des beta2-adrenergen Rezeptors ausgetauscht wurden, wurde die Rolle der achten Helix bei der Rezeptor-Aktivierung und Bindung des G-Proteins untersucht. Auch bei dieser Studie wurde gezeigt, dass die exakte Positionierung der achten Helix essentiell für die Interaktion mit dem G-Protein ist. Zudem wurde ein bezüglich der G-Protein-Aktivierung funktionsfähiger chimärer Rezeptor gefunden, was auf einen übergeordneten Mechanismus bei der Aktivierung von G-Proteinen durch GPCRs hindeutet. III. Die Funktion des ß-Ionon-Rings des Retinals beim Aktivierungsmechanismus von Rhodopsin wurde an einem Retinal studiert, bei welchem Teile des Retinal-Rings fehlten (azyklisches Retinal). Auch diesem azyklischen Retinal können Eigenschaften eines partiellen Agonisten zugeschrieben werden. Beim Vergleich zu Pigmenten mit dem nativen 11-cis-Retinal wurden starke Analogien bei der initialen Energieaufnahme durch die Retinal-Isomerisierung sowie bei der Weiterleitung der Lichtenergie ins Protein gefunden. Allerdings wird die Energie schlechter auf das Protein übertragen, wodurch wesentlich weniger der aktiven G-Protein bindenden Rezeptorkonformation gebildet wird. Als wichtigste Funktion des Retinal-Rings wurde die Aufrechterhaltung der aktiven Meta-II-Konformation identifiziert. / Rhodopsin, the receptor of the visual cascade, belongs to the largest group A of G-protein coupled receptors (GPCRs) and can be seen as a model receptor in GPCR research. More than 3 % of the human genome code for GPCRs. But despite their physiological relevance, the detailed mechanism of signal transduction from extra cellular signal to different cellular pathways remains to be fully understood. Different aspects of receptor activation and the coupling and activation of the G-protein transducin are investigated in this dissertation. The thesis focuses on the following three subjects: I. A NPxxYx(5,6)F motif (amino acid sequence Asn-Pro-x-x-Tyr-x(5,6)-Phe) has been characterized for rhodopsin. It is localized in helix VII and VIII and is highly conserved throughout the GPCR family. Various roles for rhodopsin activation are combined in this motif: linkage to a hydrogen-bond network, helix flexibility and the exact positioning of helix VIII. The latter is not only relevant for the activation of the receptor but also for interaction with its G-protein. II. The role of helix VIII for receptor activation and G-protein coupling was studied on chimeric receptors, in which parts of helix VIII were exchanged against homologous sequences of the beta2 adrenergic receptor. This study confirmed the importance of helix VIII’s position for G-protein coupling. Furthermore, a chimeric receptor was found, which was fully functional concerning G-protein activation. This indicates that GPCRs might use a single, generic mechanism for G-protein activation. III. The role of the ß-ionone-ring for the activation mechanism of rhodopsin was studied by means of an acyclic retinal, which lacks four carbon atoms of the ß-ionone-ring. This modified retinal could be classified as a partial agonist for rhodopsin. Energy input by retinal isomerization and formation of the G-protein binding Meta-II conformation were found to be very similar to rhodopsin when bound to its native 11-cis-retinal. However, the lack of the ring structure resulted in a lower amount of Meta-II and a fast decay of activity. It was concluded that the main role of the ring structure is to maintain the active state of rhodopsin.

In dieser Arbeit werden Struktur-Funktionsbeziehungen in der medialen entorhinalen Hirnrinde untersucht. Schicht 2 Neurone im medialen entorhinalen Cortex unterteilen sich in calbindin-positive Pyramidenzellen und calbindin-negative Sternzellen. Calbindin-positive Pyramidenzellen bündeln ihre apikalen Dendriten zusammen und formen Zellhaufen, die in einem hexagolen arrangiert sind. Das Gitter von calbindin-positiven Pyramidenzellhaufen ist an Schicht 1 Axonen und dem Parasubiculum ausgerichtet und wird durch cholinerge Eingänge innerviert. Calbindin-positive Pyramidenzellen zeigen stark theta-modulierte Aktivität. Sternzellen sind vertreut in der Schicht 2 angeordnet und zeigen nur schwach theta-modulierte Aktivität, ein Befund, der gegen eine Rolle von zell-intrinsischen Oszillationen in der Entstehung von Theta-Modulation spricht. In der Arbeit wurden Methoden entwickelt, um durch die juxtazelluläre Färbung und Identifikation von Zellen, die räumlichen Feuermuster von Schicht 2 Sternzellen und Pyramidenzellen zu bestimmen. Insbesondere wird gezeigt, dass die zeitlichen Feuermuster von Sternzellen und Pyramidenzellen so unterschiedlich sind, dass auch Daten von nichtidentifizierten extrazellulär abgeleiteten Zellen Sternzellen und Pyramidenzellen zugeordnet werden können. Die Ergebnisse zeigen, dass Gitterzell (engl. grid cell) Feuermuster relativ selten sind und in der Regel in Pyramidenzellen beobachtet werden. Grenzzell (engl. border cell) Feuermuster sind dagegen meistens in Sternzellen zu beobachten. Weiterhin wurde die Anatomie und Physiologie des Parasubiculums untersucht. Die Ergebnisse deuten auf die Existenz eines hexagonalen ‘Gitterzell-gitters’ in der entorhinalen Hirnrinde hin und sprechen für starke Struktur-Funktionsbeziehungen in diesem Teil der Hirnrinde. / Little is known about how medial entorhinal cortical microcircuits contribute to spatial navigation. Layer 2 principal neurons of medial entorhinal cortex divide into calbindin-positive pyramidal cells and dentate-gyrus-projecting calbindin-negative stellate cells. Calbindin-positive pyramidal cells bundled dendrites together and formed patches arranged in a hexagonal grid aligned to layer 1 axons, parasubiculum and cholinergic inputs. Calbindin-positive pyramidal cells were strongly theta modulated. Calbindin-negative stellate cells were distributed across layer 2 but avoided centers of calbindin-positive pyramidal patches, and were weakly theta modulated. We developed techniques for anatomical identification of single neurons recorded in trained rats engaged in exploratory behavior. Furthermore, we assigned unidentified juxtacellular and extracellular recordings based on spike phase locking to field potential theta. In layer 2 of medial entorhinal cortex, weakly hexagonal spatial discharges and head direction selectivity were observed in both cell types. Clear grid discharges were predominantly pyramidal cells. Border cells were mainly stellate neurons. Thus, weakly theta locked border responses occurred in stellate cells, whose dendrites sample large input territories, whereas strongly theta-locked grid discharges occurred in pyramidal cells, which sample small input territories in patches organized in a hexagonal ‘grid-cell-grid’. In addition, we investigated anatomical structures and neuronal discharge patterns of the parasubiculum. The parasubiculum is a primary target of medial septal inputs and parasubicular output preferentially targeted patches of calbindin-positive pyramidal cells in layer 2 of medial entorhinal cortex. Parasubicular cells were strongly theta modulated and carried mostly head-direction and border information, and might contribute to shape theta-rhythmicity and the (dorsoventral) integration of information across entorhinal grid scales.

Toxoplasma gondii ist ein weit verbreiteter einzelliger Parasit, der fast alle warmblütigen Organismen infizieren kann. Asexuelle Fortpflanzung des Parasiten in seiner Wirtszelle wird durch aufeinanderfolgende lytische Zyklen erreicht, was die Bereitstellung einer signifikanten Menge an Energie und Biomasse erforderlich macht. Diese Arbeit zeigt, dass Glukose und Glutamin die beiden wichtigsten physiologischen Nährstoffe für die Synthese von Makromolekülen (ATP, Nukleinsäure, Proteine und Lipide) in T. gondii sind. Die Verfügbarkeit einer der beiden Kohlenstoffquellen reicht aus, um das Überleben des Parasiten sicherzustellen. Der Parasit kann durch Erhöhen des Flusses von Glutamin-abstammendem Kohlenstoff durch den TCA-Zyklus und durch gleichzeitige Aktivierung der Gluconeogenese, eine stetige Biogenese von ATP und Biomasse zur Wirtszellinvasion und Replikation gewährleisten, bzw. der genetischen Deletion des Glukosetransporters entgegenwirken. Der Wachstumsdefekt in der Glykolyse-Mutante wird durch eine kompromittierte Synthese von Lipiden verursacht, die durch Glutamin nicht ausgeglichen werden kann. Die Zugabe von exogenem Acetat kann diesen Wachstumsdefekt allerdings kompensieren. In dieser Arbeit konnten darüber hinaus zwei unterschiedliche Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase (PEPCK) Enzyme im Parasiten identifiziert werden, von denen eines im Mitochondrium lokalisiert ist (TgPEPCKmt), während das andere Protein nicht in Tachyzoiten (TgPEPCKnet) exprimiert wird. Parasiten mit intakter Glykolyse können die Deletion von TgPEPCKnet, als auch die genetische Deletion von TgPEPCKmt tolerieren, was ihre Redundanz für das Überleben der Tachyzoiten zeigt. TgPEPCKnet kann auch in der Glykolyse-defizienten Mutante deletiert werden, während TgPEPCKmt für das Überleben des Parasiten in dieser Mutante essentiell ist. Dies zeigte sich durch ein konditionelles Knockdown von TgPEPCKmt, das zu einer Inhibierung des Wachstums des Parasiten führte. / Toxoplasma gondii is a widespread protozoan parasite, infecting nearly all warm-blooded organisms. Asexual reproduction of the parasite within its host cells is achieved by consecutive lytic cycles, which necessitates biogenesis of significant energy and biomass. This work shows that glucose and glutamine are the two major physiologically important nutrients used for the synthesis of macromolecules (ATP, nucleic acid, proteins and lipids) in T. gondii, and either of them is sufficient to ensure the parasite survival. The parasite can counteract genetic ablation of its glucose transporter by increasing the flux of glutamine-derived carbon through the TCA cycle and by concurrently activating gluconeogenesis, which guarantee a continued biogenesis of ATP and biomass for host-cell invasion and parasite replication, respectively. Growth defect in the glycolysis-impaired mutant is caused by a compromised synthesis of lipids, which cannot be counterbalanced by glutamine, but can be restored by acetate. Consistently, supplementation of parasite cultures with exogenous acetate can amend the lytic cycle of the glucose transport mutant. Furthermore, this work revealed two discrete phosphoenolpyruvate carboxykinase (PEPCK) enzymes in the parasite, one of which resides in the mitochondrion (TgPEPCKmt), whereas the other protein is not expressed in tachyzoites (TgPEPCKnet). Parasites with an intact glycolysis can tolerate genetic deletions of TgPEPCKmt as well as of TgPEPCKnet, indicating their nonessential roles for the tachyzoite survival. TgPEPCKnet can also be ablated in glycolysis-deficient mutant, whereas TgPEPCKmt is refractory to deletion. In accord, the lytic cycle of a conditional mutant of TgPEPCKmt in the glycolysis-impaired strain was aborted upon induced repression of the mitochondrial isoform, demonstrating its essential role for the glucose-independent survival of tachyzoites.

Das 26S Proteasom ist ein großer Proteinase-Komplex, der aus 32 unterschiedlichen Untereinheiten aufgebaut ist. Das 26S Proteasom ist involviert in die ATP-abhängige De-gradation von ubiquitinierten Proteinen, die eine Vielfalt an zellulären Prozessen wie Signaltransduktion, Stressantwort, transkriptionelle Regulation, Chromosomen-Segregation, DNA-Reparatur, Zellzyklus-Steuerung und die Prozessierung von Peptiden für die MHC I Antigen Präsentation regulieren. Die Prozessierung von Peptiden wird ver-stärkt durch eine Interferon ? stimulierbare Variante des Proteasoms übernommen, dem so genannten Immunoproteasom. Die Biogenese dieses großen Komplexes ist ein komplizierter Mechanismus, welcher Expression und Assemblierung der proteasomalen Untereinheiten beinhaltet. In Eukaryonten sind für die Assemblierung und Maturierungsprozesse Helferproteine notwendig. In Mammalia übernimmt diese Funktion das Proteasom maturation Protein POMP. POMP ist wahrscheinlich auch bei der Biogenese des Immunoproteasoms von Bedeutung, da die mRNA von POMP durch Interferon ? induziert wird. Um die Regulation dieser Induktion zu untersuchen wurde der Promotor von POMP für die erste Fragestel-lung dieser Arbeit charakterisiert und seine Induzierbarkeit durch Interferon ? untersucht. Es konnte nachgewiesen werden, dass die erhöhte mRNA-Menge durch Interferon ?-Stimulation nicht auf eine Promotor-Induktion, sondern auf post-transkriptionelle Ereig-nisse zurückzuführen ist. In der zweiten Fragestellung dieser Arbeit sollte die Genregulation des Proteasoms unter Stressbedingungen untersucht werden. Der Stress wurde durch Inhibition der proteolyti-schen Aktivität des Proteasoms ausgelöst. Wie seit längerem bekannt ist, werden in Bakterien und Hefe die ATP-abhängigen Pro-teasekomplexe über ein kompliziertes regulatorisches Netzwerk gesteuert. Über die transkriptionelle Regulation des Mammalia Proteasoms war bisher wenig bekannt. Im Rahmen der hier vorliegenden Dissertation konnte gezeigt werden, dass die Reduktion der proteolytischen Aktivität des Proteasoms durch Behandlung von Mammalia-Zellen mit Proteasom-Inhibitoren durch eine gesteigerte Genexpression der proteasomalen Unter-einheiten kompensiert wird. Alle proteasomalen Untereinheiten werden konzertiert hoch-reguliert. Exemplarisch an der proteasomalen Untereinheit Rpt1(S7) und an dem Matu-rierungsfaktor POMP konnte eine posttranskriptionelle Regulation unter Proteasom-Inhibitor Einfluss ausgeschlossen werden. Die vom Inhibitor induzierte Genaktivierung resultiert in einer de novo Protein-Synthese und führt daher zu einer gesteigerten de no-vo Biogenese des Proteasoms. Dieses Phänomen ist begleitet durch eine vermehrte Ex-pression vom POMP. Damit konnte erstmals gezeigt werden, dass die Menge an Protea-som in Mammalia auf transkriptioneller Ebene reguliert wird und dass vermutlich ein au-toregulatorischer feedback-Mechanismus eine verminderte proteolytische Aktivität kom-pensieren kann. Diese Daten werden durch Ergebnisse der CAT-Reportergen-Assays des ?1(?)-Promotors gestützt. Exemplarisch konnte gezeigt werden, dass die Aktivität dieses Promotors in Anwesenheit von Proteasom-Inhibitoren ansteigt. Die induzierbare Promotorregion konnte bis auf 130 bp eingegrenzt werden. Innerhalb dieser Promotorse-quenz konnte die Bindung eines Transkriptionsfaktors (Nrf2) durch EMSA-Technik nach-gewiesen werden. / The 26 S proteasome is a high molecular mass proteinase complex that is built by of least 32 different protein subunits. The 26S proteasome is involved in the ATP-dependent degradation of ubiquitinated proteins that regulate a variety of cellular proc-esses including signal transduction, stress response, transcriptional control, chromosome segregation, DNA repair, cell cycle progression and processing of antigenic Peptides for the MHC I pathway. Biogenesis of this large complex is a complicated process compris-ing expression, assembly and maturation of all subunits. This crucial step is supported by POMP (proteasome maturation protein). POMP mRNA is induced by Interferon gamma (IFN ?). We investigated this phenomenon via Reportergen assays with the Promoter re-gion of POMP. POMP mRNA seems not to be regulated on a trancriptional level, but on posttranscriptional events. ATP-dependent protease complexes in bacteria and yeast are systems that undergo a highly sophisticated network of gene expression regulation. However, regulation of mammalian proteasome gene expression has been neglected so far as a possible control mechanism for the amount of proteasomes in the cell. We showed that treatment of cells with proteasome inhibitors and the concomitant impairment of proteasomal enzyme activ-ity induce a transient and concerted up-regulation of all mammalian 26S proteasome subunit mRNAs. Proteasome inhibition in combination with inhibition of transcription re-vealed that the observed up-regulation is mediated by coordinated transcriptional activa-tion of the proteasome genes and not by post-transcriptional events. Our experiments also demonstrate that inhibitor-induced proteasome gene activation results in enhanced de novo protein synthesis of all subunits and in increased de novo formation of the pro-teasome. This phenomenon is accompanied by enhanced expression of the proteasome maturation factor POMP. Thus, our experiments present first evidence that the amount of proteasomes in mammalia is regulated at the transcriptional level and that an auto regu-latory feedback mechanism exists that allows the compensation of reduced proteasome activity. These data are also supported by CAT reportergene assays with the protea-somal subunit ?1(?)-promoter. Exemplary we show the increase of CAT activities in re-sponse to proteasome inhibition. We can restrict the region of the promoter to 130 bp and identify Nrf2 as a possible candidate for a transcription factor via EMSA.

Die Bildung infektiöser Viruspartikel des humanen Zytomegalievirus (HCMV) ist ein mehr-stufiger Prozess. Sie beginnt mit der Verpackung der DNA in die Kapside im Kern, gefolgt von weiterer Reifung während des Transports durch das Zytoplasma und der abschließenden Freisetzung aus der Zelle. Im Zuge dieser Arbeit wurden zwei Proteine, die Einfluss auf die ebengenannten Prozesse haben, analysiert. Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit der funktionellen Charakterisierung des HCMV Pro-teins pUL77. Es ist bekannt, dass das homologe Protein pUL25 in alpha-Herpesvirinae essentiell für die DNA-Verpackung ist. Zunächst konnte das Protein als Kapsid-assoziiertes strukturelles Protein identifiziert werden. Es wurden Interaktionen von pUL77 mit DNA-Verpackungs- und Kapsidproteinen gezeigt. Weiterhin wurde die DNA-Bindungsfähigkeit von pUL77 in verschiedenen „in vitro“-Experimenten untersucht. Zusammengefasst weisen unsere Ergebnisse auf eine Funktion von HCMV pUL77 bei der DNA-Verpackung hin. Im zweiten Teil der Arbeit wurde das HCMV Protein pUL71 charakterisiert, das in allen Herpesviren konserviert vorkommt, dessen Funktion jedoch nicht charakterisiert ist. Zunächst wurde das Protein als strukturelles Tegumentprotein mit “earlylate“ Expressionskinetik klassifiziert. Weiterhin wurden die subzelluläre Lokalisation sowie virale und zelluläre Interaktionspartner untersucht. Die Ergebnisse weisen auf eine Funktion von HCMV pUL71 bei der Reifung und beim Transport der Virionen im Zytoplasma hin. „In silico“-Vorhersagen zeigten ein „Leuzin Zipper“-Motiv in pUL71, das als mögliche Oligomerisationsdomäne dienen könnte. Mutationen wurden in dieses Motiv eingebracht und die resultierenden Proteine auf ihre Oligomerisationsfähigkeit mit „in vitro“-Methoden und in rekombinanten Viren untersucht. Zusammenfassend konnten wir zeigen, dass das „Leuzin Zipper“-Motiv wichtig für die Funktion von pUL71 ist und diese mit einer unbeeinträchtigten Oligomerisation des Proteins zusammen hängt. / The morphogenesis of Human cytomegalovirus (HCMV) virions starts with the capsid assem-bly and DNA insertion in the nucleus followed by maturation during transport through the cytoplasm prior to release of virus progeny. In this study we are functionally characterising two proteins that are involved in those steps. The function of essential HCMV protein pUL77 is characterised in the first part of the study. HCMV pUL77 was shown to be a structural protein associated with capsids. Furthermore, our experiments demonstrated that HCMV pUL77 interacts with DNA packaging motor compo-nents and capsid proteins. The ability of HCMV pUL77 to bind double-stranded DNA was studied in “in vitro” assays designed for this study. The homologue α-Herpesvirinae protein pUL25 is described to be involved in processes connected with DNA packaging. Data ob-tained in this study demonstrates that HCMV pUL77 might serve a similar function. In the second part of the study HCMV pUL71, conserved throughout the Herpesvirus family but to date unclassified, was functionally characterised. HCMV pUL71 was defined a struc-tural tegument protein with early-late expression kinetics. We studied the sub-cellular local-isation and interactions of pUL71 with a subset of cellular and viral proteins. Thereby we could show that HCMV pUL71 function might be connected with processes of viral egress. By in silico analyses we identified a leucine zipper motif in pUL71 that might serve as a puta-tive oligomerisation domain. In order to investigate the function of the leucine zipper motif, we performed in vitro assays and investigated the alterations of the motif in the viral context. Taken together we can conclude that (i) an intact leucine zipper motif is crucial for the func-tion of pUL71 and (ii) this function is dependent upon undisturbed oligomerisation of the pro-tein.