The epithelial layer of the gastrointestinal (GI) tract provides a barrier between the environment and the body. Dysfunction of the epithelium, including changes of the innate immune response facilitated by pattern recognition receptors (PRRs), plays a major role in the development of GI disorders. However, the organization of innate immune sensing, the expression and activity of PRRs and the factors contri¬buting to such possible organization along the GI tract are unclear. In recent years, stem cell-derived organoids gained increasing attention as promising tissue models. Here, a biobank of human and murine organoids comprising three lines from each GI segment; corpus, pylorus, duodenum, jejunum, ileum, colon was generated. RNA sequencing of 42 lines confirmed the preservation of tissue identity and revealed an extensive organization of innate immune signaling components along the cephalocaudal axis, giving each segment a specific innate immune profile. Comple-menting the region-specific expression analysis, several PRRs in human and murine organoids showed region- and species-specific function. To investigate the factors contributing to the patterning of innate immunity in the GI tract, the impact of microbial components was analyzed using murine embryo-derived, never colonized gastric and proximal intestinal organoids. Transcriptional profiling of embryo-derived organoids showed that while expression of some PRRs may depend on environmental cues as expected, an unexpectedly large part of segment-specific expression of PRR signaling components is independent of prior contact with microbial products. Further, analysis of published RNA-seq data as well as in vitro experiments using directed differentiation of organoids into specific cell types showed that expression of innate immune gene also depended on cellular differentiation along the crypt-villus axis. This underlined the importance of cellular differentiation rather than contact to microbial compounds for expression of PRRs. Lastly, analysis of published datasets of RNA-seq and ATAC-seq after knockout of the intestinal transcription factor Cdx2 demonstrated that Cdx2 is likely important for the expression of Nlrp6 and Naip1 in the murine intestine. Future experiments have to support these preliminary findings. Taken together, the expression of a large part of epithelial innate immunity is develop¬mentally defined and conserved in tissue-resident stem cells. The identification of mechanisms governing expression of genes related to immunity will provide further insights into the mechanisms that play a role in the progress of inflammatory diseases. / Das Epithel des gastrointestinalen (GI) Traktes fungiert als Barriere zwischen der Umwelt und dem Körperinneren. Störungen des Epithels, darunter Veränderungen in der angeborenen Immunantwort, welche über „Pattern Recognition Receptors“(PRRs) ermöglicht wird, spielen eine bedeutende Rolle in der Entstehung gastrointestinaler Krankheiten. Auf welche Weise die angeborene Immunantwort im gastrointestinalen Trakt zwischen symbiotischen und schädlichen Mikroben unterscheidet, wie die Expression und Aktivität von PRRs organisiert sind, und die Faktoren die zu einer möglichen Organization beitragen sind bisher allerdings nicht bekannt. In den letzten Jahren haben aus Stammzellen gewonnene Organoide als vielversprechende Gewebemodelle steigende Aufmerksamkeit erregt. In dieser Arbeit wurde eine „Biobank“ humaner und muriner Organoide, jeweils bestehend aus 3 Linien jedes der gastrointestinalen Segmente Korpus, Pylorus, Duodenum, Jejunum, Ileum und Kolon generiert. Die RNA Sequenzierung von 42 Linien bestätigte den Erhalt der Gewebsidentität und zeigte eine umfangreiche Organization innerhalb der Signalkomponenten des angeborenen Immunsystems entlang der kraniokaudalen Achse, wodurch jedes Segment ein spezifisches Immunprofil erhält. Ergänzend zur regions-spezifischen Expressionsanalyse zeigten einige PRRs sowohl in humanen als auch in murinen Organoiden eine regions- und spezies-spezifische Funktion. Zur Untersuchung der Faktoren, die zur Strukturierung des angeborenen Immunsystems im GI-Trakt beitragen, wurde der Einfluss mikrobieller Komponenten untersucht. Hierfür wurden aus embryonalem Gewebe gewonnene Organoide des Magens und des proximalen Dünndarms verwendet, welche noch nicht mit dem Mikrobiom in Kontakt waren. Transkriptionsprofile embryonaler Organoide zeigten, dass die Expression einiger PRRs wie erwartet wahrscheinlich von Umweltfaktoren abhängt, dass ein unerwartet großer Anteil der segment-spezifischen Expression von Komponenten der PRR-induzierten Signalwege sich allerdings unabhängig vom Kontakt mit mikrobiellen Komponenten entwickelt. Des Weiteren zeigte die Analyse von bereits publizierten RNA Sequenzierungsdaten und in vitro Experimenten bei denen durch gezielte Differenzierung von Organoiden spezifische Zelltypen generiert wurden, dass die Expression von Genen des angeborenen Immunsystems auch von der zellulären Differenzierung entlang der Krypten-Zotten-Achse abhängt. Dies unterstreicht die Bedeutung von zellulärer Differenzierung für die Expression von PRRs, anstelle des Kontaktes zu mikrobiellen Komponenten. Auch konnte durch die Analyse bereits publizierter RNA- und ATAC-Sequenzierungsdaten nach knockout des im Dünndarm exprimierten Transkriptionsfaktors Cdx2 nachgewiesen werden, dass Cdx2 mit hoher Wahrscheinlichkeit wichtig für die Expression von Nlrp6 und Naip1 im murinen Dünndarm ist. Diese Erkenntnisse müssen in zukünftigen Experimenten validiert werden. Zusammengenommen zeigen die Ergebnisse, dass die Expression eines Großteils der angeborenen Immunität entwicklungsbiologisch festgelegt und in gewebe-spezifischen Stammzellen konserviert ist. Die zukünftige Identifikation von Mechanismen die die Expression von zur Immunität zugehörigen Genen steuern, wird weitere Erkenntnisse über die Mechanismen die eine Rolle in der Entwicklung entzündlicher Erkrankungen spielen bringen.

Depressive disorders represent one of the main sources for the loss of healthy years of life. One of the reasons for this circumstance is the recurrent course of these disorders, which can be interrupted by current therapeutic approaches, especially in the shortterm, but seem to be maintained at least in part in the long-term. Subsequently, on one hand, this thesis deals with methodological measurement issues in the longitudinal prediction of depressive courses. On the other hand, it addresses two currently discussed neuroscience-based treatment approaches, which are investigated experimentally in a basic-psychological manner and reviewed in the light of their potential to translate results to the application in patient care. These two approaches each address potential mechanisms that may negatively impact long-term disease trajectories: First, stable endophenotypes for vulnerability factors that could regain control over the organism and reactivate maladaptive experiences, or behaviors with increasing temporal distance from therapeutic methods are focused on. In the studies presented, these were influenced by a recently rediscovered method of neuromodulation (transcranial low-intensity focused ultrasound) which is discussed in light of its unique capability to address even deepest, subcortical regions at a high spatial resolution. Lastly, as a second approach, an experimental design for the use of reconsolidation interference is presented, which could provide a first insight into the applicability of corresponding protocols in the field of depressive disorders and thus contribute to the modification, instead of inhibition, of already mentioned endophenotypes. In sum, methodological considerations for monitoring and predicting long-term courses of depression are deducted before two approaches are discussed that could potentially exert positive influences on the recurrent nature of depressive symptoms on their own, in combination with each other, or as augmentation for existing therapeutic procedures. / Depressive Erkrankungen stellen eine der Hauptquellen für das Einbußen gesunder Lebensjahre dar. Einer der Gründe für diesen Umstand liegt im rezidivierenden Verlauf dieser Erkrankungen, der auch durch bisherige Therapieansätze vor allem kurzfristig unterbrochen werden kann, jedoch langfristig zumindest in Teilen erhalten zu bleiben scheint. Daran anschließend befasst sich die hier vorgelegte Thesis zum einen mit der Messproblematik longitudinaler Vorhersagen depressiver Verläufe und zum anderen mit zwei aktuell diskutierten neurowissenschaftlich begründeten Behandlungsansätzen, die experimentellgrundlagenpsychologisch aufgearbeitet und im Lichte eines translationalen Ansatz hin zur Anwendung in realen Patientensituationen erörtert werden. Die beiden genannten Ansätze adressieren dabei jeweils Mechanismen, die sich negativ auf langfristige Krankheitsverläufe auswirken können: Zunächst werden hier stabile Endophänotypen für Vulnerabilitätsfaktoren, die mit zunehmendem zeitlichem Abstand zu Therapiemethoden erneut Kontrolle über den Organismus gewinnen und maladaptives Erleben und Verhalten reaktivieren könnten, in den Fokus gestellt. Diese wurden in den hier vorgestellten Studien mit einer vor wenigen Jahren wiederentdeckten Methode der Neuromodulation (transkranieller, niedrigintensiver, fokussierter Ultraschall) beeinflusst und vor dem Hintergrund der einzigartigen Möglichkeit dieser Technik, auch tiefste, subkortikale Regionen bei hoher räumlicher Auflösungsfähigkeit adressieren zu können, diskutiert. Zuletzt wird ergänzend, als zweiter Ansatz, ein experimentelles Design zur Nutzung der Rekonsolidierungsbeeinflussung vorgestellt, das erste Informationen über die Anwendbarkeit entsprechender Protokolle im Bereich der depressiven Erkrankungen liefern und somit zur Veränderung, Anstelle von Inhibition bereits genannter Endophänotypen beitragen könnte. Zusammengenommen ergeben sich hieraus zunächst allgemeine methodische Überlegungen für das Überwachen und Vorhersagen langfristiger Verläufe der Depressionen, aber auch zwei Ansätze, die für sich genommen, in Kombination miteinander oder auch als Augmentation für bestehende Therapieverfahren, potentiell positive Einflüsse auf die rezidivierende Natur dieser Diagnosegruppe haben könnten.

According to the WHO, foodborne derived enteric infections are a global disease burden and often manifest in diseases that can potentially reach life threatening levels, especially in developing countries. These diseases are caused by a variety of enteric pathogens and affect the gastrointestinal tract, from the gastric to the intestinal to the rectal tissue. Although the complex mucosal structure of these organs is usually well prepared to defend the body against harmful agents, specialised pathogens such as Salmonella enterica can overcome the intestinal defence mechanism. After ingestion, Salmonella are capable of colonising the gut and establishing their proliferative niche, thereby leading to inflammatory processes and tissue damage of the host epithelium. In order to understand these processes, the scientific community in the last decades mostly used cell line based in vitro approaches or in vivo animal studies. Although these approaches provide fundamental insights into the interactions between bacteria and host cells, they have limited applicability to human pathology. Therefore, tissue engineered primary based approaches are important for modern infection research. They exhibit the human complexity better than traditional cell lines and can mimic human-obligate processes in contrast to animal studies. Therefore, in this study a tissue engineered human primary model of the small intestinal epithelium was established for the application of enteric infection research with the exemplary pathogen Salmonella Typhimurium. To this purpose, adult stem cell derived intestinal organoids were used as a primary human cell source to generate monolayers on biological or synthetic scaffolds in a Transwell®-like setting. These tissue models of the intestinal epithelium were examined for their comparability to the native tissue in terms of morphology, morphometry and barrier function. Further, the gene expression profiles of organotypical mucins, tight junction-associated proteins and claudins were investigated. Overall, the biological scaffold-based tissue models showed higher similarity to the native tissue - among others in morphometry and polarisation. Therefore, these models were further characterised on cellular and structural level. Ultrastructural analysis demonstrated the establishment of characteristic microvilli and tight-junction connections between individual epithelial cells. Furthermore, the expression pattern of typical intestinal epithelial protein was addressed and showed in vivo-like localisation. Interested in the cell type composition, single cell transcriptomic profiling revealed distinct cell types including proliferative cells and stem cells, progenitors, cellular entities of the absorptive lineage, Enterocytes and Microfold-like cells. Cells of the secretory lineage were also annotated, but without distinct canonical gene expression patterns. With the organotypical polarisation, protein expression, structural features and the heterogeneous cell composition including the rare Microfold-like cells, the biological scaffold-based tissue model of the intestinal epithelium demonstrates key requisites needed for infection studies with Salmonella. In a second part of this study, a suitable infection protocol of the epithelial tissue model with Salmonella Typhimurium was established, followed by the examination of key features of the infection process. Salmonella adhered to the epithelial microvilli and induced typical membrane ruffling during invasion; interestingly the individual steps of invasion could be observed. After invasion, time course analysis showed that Salmonella resided and proliferated intracellularly, while simultaneously migrating from the apical to the basolateral side of the infected cell. Furthermore, the bacterial morphology changed to a filamentous phenotype; especially when the models have been analysed at late time points after infection. The epithelial cells on the other side released the cytokines Interleukin 8 and Tumour Necrosis Factor α upon bacterial infection in a time-dependent manner. Taken together, Salmonella infection of the intestinal epithelial tissue model recapitulates important steps of the infection process as described in the literature, and hence demonstrates a valid in vitro platform for the investigation of the Salmonella infection process in the human context. During the infection process, intracellular Salmonella populations varied in their bacterial number, which could be attributed to increased intracellular proliferation and demonstrated thereby a heterogeneous behaviour of Salmonella in individual cells. Furthermore, by the application of single cell transcriptomic profiling, the upregulation of Olfactomedin-4 (OLFM4) gene expression was detected; OLFM4 is a protein involved in various functions including cell immunity as well as proliferating signalling pathways and is often used as intestinal stem cell marker. This OLFM4 upregulation was time-dependent, restricted to Salmonella infected cells and seemed to increase with bacterial mass. Investigating the OLFM4 regulatory mechanism, nuclear factor κB induced upregulation could be excluded, whereas inhibition of the Notch signalling led to a decrease of OLFM4 gene and protein expression. Furthermore, Notch inhibition resulted in decreased filamentous Salmonella formation. Taken together, by the use of the introduced primary epithelial tissue model, a heterogeneous intracellular bacterial behaviour was observed and a so far overlooked host cell response – the expression of OLFM4 by individual infected cells – could be identified; although Salmonella Typhimurium is one of the best-studied enteric pathogenic bacteria. This proves the applicability of the introduced tissue model in enteric infection research as well as the importance of new approaches in order to decipher host-pathogen interactions with higher relevance to the host. / Nach Angaben der WHO stellen lebensmittelbedingte Darminfektionen eine globale Krankheitslast dar und äußern sich häufig in Krankheiten, die potenziell lebensbedrohliche Ausmaße annehmen können, insbesondere in Entwicklungsländern. Diese Krankheiten werden durch eine Vielzahl von enterischen Erregern verursacht und betreffen den Magen-Darm-Trakt, vom Magen über den Darm bis zum Enddarm. Obwohl die komplexe Schleimhautstruktur dieser Organe in der Regel gut darauf vorbereitet ist, den Körper vor schädlichen Reagenzien zu schützen, können spezialisierte Erreger wie Salmonella enterica den Abwehrmechanismus des Darms überwinden. Nach der Nahrungsaufnahme sind Salmonellen in der Lage, den Darm zu kolonisieren und ihre proliferative Nische zu etablieren, was letztlich zu entzündlichen Prozessen und Gewebeschäden des Wirtsepithels führt. Um diese Prozesse zu verstehen, hat die Wissenschaft in den letzten Jahrzehnten hauptsächlich auf Krebslinien basierende in vitro-Ansätze oder in vivo-Tierstudien verwendet. Obwohl diese Ansätze grundlegende Erkenntnisse über die Wechselwirkungen zwischen Bakterien und Wirtszellen lieferten, sind sie nur begrenzt auf die Pathologie des Menschen übertragbar. Daher sind Tissue engineering und primärzellbasierte Ansätze für die moderne Infektionsforschung wichtig. Sie spiegeln die menschliche Komplexität besser wider als Ansätze mit Krebszellen und können im Gegensatz zu Tierversuchen human-obligate Prozesse nachbilden. Daher wurde in dieser Studie ein tissue engineered humanes Primärmodell des Dünndarmepithels für die Anwendung in der enterischen Infektionsforschung am Beispiel des Erregers Salmonella Typhimurium etabliert. Zu diesem Zweck wurden aus adulten Stammzellen gewonnene Darmorganoide als primäre humane Zellquelle verwendet, um 2D-Monolayer auf biologischen oder synthetischen Trägestrukturen in einer Transwell®-ähnlichen Umgebung zu erzeugen. Die so erzeugten Gewebemodelle des Darmepithels wurden auf ihre Vergleichbarkeit mit dem nativen Gewebe in Bezug auf Morphologie, Morphometrie und Barrierefunktion untersucht. Weiterhin wurde die Genexpression von organtypischen Muzinen, Tight Junction-assoziierten Proteinen und Claudinen sowie das Expressionsmuster der Tight Junction-Proteine untersucht. Insgesamt wiesen die auf biologischen Matrizes basierenden Gewebemodelle eine größere Ähnlichkeit mit dem nativen Gewebe auf - unter anderem in Bezug auf Morphometrie und Polarisation -, weshalb diese Modelle auf zellulärer und struktureller Ebene tiefgehender charakterisiert wurden. Die ultrastrukturelle Analyse zeigte die Ausbildung charakteristischer Mikrovilli und Tight-Junction-Verbindungen zwischen einzelnen Epithelzellen. Darüber hinaus wurden die Expressionsmuster typischer Darmepithelproteine untersucht, die eine in vivo ähnliche Lokalisation aufwiesen. Im Hinblick auf die Zelltypenzusammensetzung ergab die Analyse des Transkriptoms auf Einzel-Zell-Ebene definierte Zelltypen. Dies waren Zellen mit proliferativem Profil, Stammzellen und Vorläuferzellen, und Zellen der absorptiven Linie, Enterozyten und Microfold-Zellen. Zellen der sekretorischen Linie wurden ebenfalls annotiert, jedoch ohne eindeutige kanonische Genexpression. Mit der organotypischen Polarisierung, der Proteinexpression, den strukturellen Merkmalen und der heterogenen Zellzusammensetzung, einschließlich der seltenen Microfold-Zellen, weist das auf einer biologischen Matrix basierende Gewebemodell des Darmepithels die wichtigsten Voraussetzungen für Infektionsstudien mit Salmonellen auf. Im zweiten Teil dieser Studie wurde ein geeignetes Infektionsprotokoll für das Epithelgewebemodell mit Salmonella Typhimurium erstellt, gefolgt von der Untersuchung der wichtigsten Merkmale des Infektionsprozesses. Salmonella hafteten an den epithelialen Mikrovilli und verursachten während der Invasion das typische Membran-Kräuseln; interessanterweise konnten die Schritte der Invasion einzeln beobachtet werden. Nach der Invasion zeigte die Zeitverlaufsanalyse der Infektion, dass die Salmonellen intrazellulär lokalisierten und replizierten, während sie gleichzeitig von der apikalen zur basolateralen Seite der infizierten Zelle migrierten. Darüber hinaus veränderte sich die Morphologie der Bakterien in der Spätphase der Infektion zu einem filamentösen Phänotyp. Die Epithelzellen auf der anderen Seite setzten nach der bakteriellen Infektion zeitabhängig die Zytokine Interleukin 8 und Tumor-Nekrose-Faktor-α frei. Insgesamt rekapituliert die Salmonelleninfektion des intestinalen Epithelgewebemodells wichtige Schritte des Infektionsprozesses, wie sie in der Literatur beschrieben sind und stellt somit eine valide in vitro Plattform für die Untersuchung des Salmonelleninfektionsprozesses in einem menschlichen Kontext dar. Interessanterweise variierten die intrazellulären Salmonellenpopulationen während des Infektionsprozesses in ihrer Bakterienzahl, was auf eine erhöhte intrazelluläre Proliferation zurückgeführt werden konnte und somit ein heterogenes Verhalten der Salmonellen in einzelnen Zellen demonstriert. Darüber hinaus wurde durch die Anwendung von Einzel-Zell-Transkriptom-Analysen die Hochregulierung der Genexpression von Olfactomedin-4 (OLFM4) nachgewiesen; OLFM4 ist ein Protein mit verschiedenen Funktionen, darunter Prozesse der Zellimmunität sowie proliferierende Signalwege, und es wird häufig als Darmstammzellmarker verwendet. Diese OLFM4-Hochregulierung war zeitabhängig, auf mit Salmonella infizierten Zellen beschränkt und schien mit der intrazellulären Bakterienmasse zuzunehmen. Bei der Untersuchung der OLFM4-Regulationsmechanismen konnte eine nuclear factor κB-induzierte Hochregulierung ausgeschlossen werden, während die Hemmung der Notch-Signalübertragung zu einem Rückgang der OLFM4-Gen- und Proteinexpression führte. Darüber hinaus führte die Hemmung von Notch zu einer verminderten Bildung von filamentösen Salmonella. Insgesamt konnte durch die Verwendung des hier eingeführten primären Epithelgewebemodells ein heterogenes intrazelluläres bakterielles Verhalten beobachtet und eine bisher übersehene Wirtszellantwort - die Expression von OLFM4 durch einzelne infizierte Zellen - bei einem der am besten untersuchten enterischen Pathogene identifiziert werden. Dies beweist die Anwendbarkeit des vorgestellten Gewebemodells in der enterischen Infektionsforschung sowie die Bedeutung neuer Ansätze zur Entschlüsselung von Wirt-Pathogen-Interaktionen mit höherer Relevanz für den Wirt.

Quantum dots (QDs) are potentially advantageous tools for both diagnostics and therapeutics due to their light emitting characteristics. The impact of QDs on biological systems however, is not fully understood. The aim of this project therefore, was to investigate the interaction of a series of different surface modifies QDs with macrophages and their subsequent toxicity. CdTe/CdSe (core), ZnS (shell) QDs with either an organic, COOH or NH2 polyethylene glycol (PEG) surface coatings were used. Fluorescent COOH polystyrene beads (PBs) at (Ø) 20nm and 200nm were also studied. J774.A1 murine ‘macrophage-like' cells were treated for two hours with QDs (40nM) of PBs ($50μg.ml^{-1}$) in the presence of 10% FCS prior to assessment of cellular uptake via confocal microscopy and flow cytometry. COOH and $NH_{2}$ (PEG) QDs, as well as 20nm and 200nm PBs entered macrophages within 30 minutes, and were found to locate within endosomes, lysosomes and the mitochondria. T.E.M. also illustrated particles, including organic QDs, to be present inside J774.A1 cells within membrane- bound vesicles at two hours. Organic QDs were unable to be visualised via fixed cell confocal microscopy. Live cell confocal microscopy (without 10% FCS) did suggest however, that organic QDs entered cells in low quantities up to 30 minutes, after which fluorescence declined. Particle toxicity was determined over 48 hours via the MTT, LDH and GSH assays, as well as via assessment of their potential to produce the pro-inflammatory cytokine (TNF-α) and effect cytosolic $Ca^{2+}$ signalling in the J774.A1 cells. Organic QDs were found to be highly toxic at all time points and concentrations used. Both COOH and $NH_{2 }$ (PEG) QDs induced significant (p<0.0001) cytotoxicity (MTT and LDH assays) at 80nM after 48 hours, as well as significant (p<0.01) GSH depletion over 24 hours at all doses, as well as increasing the level of cytosolic $Ca^{2+}$ at 40nM when assessed over 30 minutes. Organic and NH2 (PEG) QDs were found to significantly increase TNF-α production after 24 hours at 80nM. The findings of this study demonstrate that QDs differ in their uptake by macrophages according to their surface coating, with the organic surface coated QDs being the most toxic. At sub-lethal concentrations, in the presence of 10% FCS, the COOH and $NH_{2}$ (PEG) QDs are taken up resulting in GSH depletion and modulated $Ca^{2+}$ signalling, with $NH_{2}$ (PEG) QDs and organic QDs only eliciting limited TNF-α production. Interestingly however, despite these observations, QD surface coating does not affect the intracellular fate of these NPs, with all of the different surface coated QDs observed to be present in endosomes, lysosomes and the mitochondria within J774.A1 macrophage cells. Therefore, in conclusion, the surface coating of QDs plays a significant role in their interaction with macrophages, their uptake and their subsequent toxicity.

This review presents several aspects of the innovative concept of sebaceous immunobiology, which summarizes the numerous activities of the sebaceous gland including its classical physiological and pathophysiological tasks, namely sebum production and the development of seborrhea and acne. Sebaceous lipids, which represent 90% of the skin surface lipids in adolescents and adults, are markedly involved in the skin barrier function and perifollicular and dermal innate immune processes, leading to inflammatory skin diseases. Innovative experimental techniques using stem cell and sebocyte models have clarified the roles of distinct stem cells in sebaceous gland physiology and sebocyte function control mechanisms. The sebaceous gland represents an integral part of the pilosebaceous unit and its status is connected to hair follicle morphogenesis. Interestingly, professional inflammatory cells contribute to sebocyte differentiation and homeostasis, whereas the regulation of sebaceous gland function by immune cells is antigen-independent. Inflammation is involved in the very earliest differentiation changes of the pilosebaceous unit in acne. Sebocytes behave as potent immune regulators, integrating into the innate immune responses of the skin. Expressing inflammatory mediators, sebocytes also contribute to the polarization of cutaneous T cells towards the Th17 phenotype. In addition, the immune response of the perifollicular infiltrate depends on factors produced by the sebaceous glands, mostly sebaceous lipids. Human sebocytes in vitro express functional pattern recognition receptors, which are likely to interact with bacteria in acne pathogenesis. Sex steroids, peroxisome proliferator-activated receptor ligands, neuropeptides, endocannabinoids and a selective apoptotic process contribute to a complex regulation of sebocyte-induced immunological reaction in numerous acquired and congenital skin diseases, including hair diseases and atopic dermatitis.

Das globale Phänomen Übergewicht erhöht das Risiko für die Entwicklung von Diabetes, Atherosklerose und Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Diese sind assoziiert mit der Expression des Transmembranproteins Glycoprotein nonmetastatic melanoma protein b (Gpnmb), das von Makrophagen und dendritischen Zellen exprimiert wird. Wir haben die Rolle von Gpnmb in genetisch- und diät-induzierter Atherosklerose sowie in diät-induzierter Adipositas in Gpnmb-Knockout- und Wildtyp-Mäusen untersucht. Körpergewicht und Blutfette wurden in beiden Erkrankungen nicht von Gpnmb beeinflusst. Gpnmb wurde in Makrophagen von atherosklerotischen Läsionen stark exprimiert, jedoch hatte das Fehlen von Gpnmb keinen Einfluss auf die Größe der Aortenläsion. In Übergewicht konnten wir dagegen einen größeren Effekt von Gpnmb detektieren. Gpnmb hatte einen positiven Einfluss auf den Insulin- und Glukoseplasmaspiegel sowie auf die Leberfibrose bei adipösen Mäusen. Gpnmb-Knockout-Tiere besaßen mehr Makrophagen im epididymalen Fettgewebe. Da Gpnmb in den entsprechenden Makrophagen von Wildtyp-Mäusen stark exprimiert wurde, könnte Gpnmb eine abschwächende Rolle auf Entzündungen des Fettgewebes haben. Dies wird durch in-vitro-Daten bestätigt, wo Gpnmb hauptsächlich in reparativen, TGFβ-stimulierten Makrophagen exprimiert wurde. Diese Expression führte jedoch nur zu einer leichten entzündungshemmenden Wirkung. Eine weitere Aufgabe von Makrophagen, die Autophagie, wurde durch Gpnmb nicht beeinflusst. Dies ist überraschend, da die Expression, die Freisetzung und der Abbau von Gpnmb durch Bafilomycin, einem Inhibitor des letzten Schritts der Autophagie, auf einzigartige Weise erhöht wurde. Zusammenfassend ist die Gpnmb-Expression in voll ausgereiften Makrophagen stark induziert und kann durch lysosomale Hemmung weiter gesteigert werden. Bei Adipositas verhindert Gpnmb die Entwicklung einer Insulinresistenz, möglicherweise durch Dämpfung der Entzündung des Fettgewebes. / Obesity, an emerging global phenomenon, increases the risk for the development of diabetes, atherosclerosis and cardiovascular diseases. Those metabolic diseases have been associated with the expression of glycoprotein nonmetastatic melanoma protein b (Gpnmb), a transmembrane protein that is expressed by macrophages and dendritic cells. We studied the role of Gpnmb in genetically- and diet-induced atherosclerosis as well as diet-induced obesity in Gpnmb-knockout and respective wildtype control mice. The absence of Gpnmb did not affect body weight and blood lipid parameters in both diseases. Whereas Gpnmb was strongly expressed in atherosclerotic lesion-associated macrophages, the absence of Gpnmb did not influence the development of aortic lesion size. On the other hand, the absence of Gpnmb elicited stronger effects in obesity. We observed a positive influence of Gpnmb on insulin and glucose plasma levels as well as liver fibrosis in obese mice. Moreover, Gpnmb-knockout animals contained more macrophages in epididymal adipose tissue. Gpnmb was strongly expressed in adipose tissue macrophages in wildtype mice, suggesting an alleviating role of Gpnmb on adipose tissue inflammation. This was corroborated by in vitro data where Gpnmb was mostly expressed in reparative macrophages stimulated with transforming growth factor β (TGFβ). However, this expression resulted only in a mild anti-inflammatory effect. Another important macrophage feature, autophagy, was not influenced by Gpnmb. This is surprising as Gpnmb expression, shedding and degradation was uniquely increased by bafilomycin, an inhibitor of the last step of autophagy. Taken together, Gpnmb expression is strongly induced in fully mature macrophages and can be further increased due to lysosomal inhibition. In obesity, Gpnmb prevents the development of insulin resistance possibly by dampening adipose tissue inflammation.

Regeneration is a relatively widespread phenomenon in nature, although different organisms exhibit different abilities to reconstitute missing structures. Due to the diversity in the extent of damage the organisms can repair it has been debated for a long time whether those abilities are evolutionary traits that arose independently in multiple organisms or whether they represent a by-product of more basic processes. To date, due to constant increase in the amount of available genomic information this question can be approached by means of comparative genomics by comparing several taxa that have different regenerative capabilities. Two relatively closely related salamander species, newt, Notophthalmus viridescens, and the Mexican axolotl, Ambystoma mexicanum, offer a unique opportunity to compare two organisms with well-known regenerative capabilities. Despite their importance for regeneration research, relatively little sequence information was available until recently, owing mainly to the large sizes of the respective genomes. In this work I aimed to create a comprehensive transcriptome assembly of the axolotl by sequencing and then assembling the sequence data from a number of tissues and developmental stages. I also incorporated available sequence information that mostly comes from cDNA libraries sequenced previously. I assessed the completeness of the transcriptome by comparing it to a set of available axolotl sequences and found that 96% of those have homologs in the assembly. Additionally, I found that 7,568 of 7,695 protein families common to vertebrates are also represented in the transcriptome. In order to turn the assembly from a merely collection of sequences into a valuable and useful resource for the entire research community I first annotated the sequences, predicted the open reading frames and protein domains and additionally put together multiple bits of information available for each sequence including but not limited to time-course and tissue- specific expression data and in situ hybridization results. The assembly was thereafter made available for the entire axolotl research community through a web portal I developed. Not only does the web portal provide access to the transcriptome data, it is also equipped with an engine for automated data retrieval, which could facilitate automated cross-species bioinformatics analyses. The study crossed the boundary between pure bioinformatics and biology as the transcriptome allowed for computational comparison of the axolotl and the newt in order to identify salamander-specific genes possibly implicated in regeneration and subsequent functional analysis thereof in the lab. Since regeneration closely resembles embryonic development in terms of genes involved in both processes, I first identified approximately 200 homologous contigs in axolotl and newt, which had a predicted open reading frame, but did not have homologs in non-regenerating species. The expression profile of one of those candidate genes suggested that it had a role in regeneration. I studied the molecular function of that gene using CRISPR/Cas system to confirm that it was protein-coding and to create knock-out animals to study the effect of gene knock-down and knock-out. Knock-out animals exhibited significant delays in both, limb development and tail regeneration. The exact mechanism causing this delay is currently being investigated.

En contrôlant le passage para- et transcellulaire des composés du sang vers le cerveau (et inversement), la barrière hémato-encéphalique (BHE) constitue la « gardienne » du compartiment cérébral. Bien que relativement connu dans son aspect physiologique, le phénotype BHE des cellules endothéliales des capillaires cérébraux (BCECs) reste mal compris au regard des mécanismes moléculaires qui gouvernent son établissement et son maintien. Dans cette optique, à l’aide du modèle in vitro de BHE développé au laboratoire (co-culture de BCECs bovines et de cellules gliales de rats), nous avons réalisé deux études protéomiques comparatives afin d’identifier les protéines cytoplasmiques potentiellement impliquées dans l’induction et le maintien de ce phénotype: d’une part une approche qualitative sans marquage (label free) et d’autre part une approche quantitative grâce à un marquage isotopique préalable des protéines (isotope-coded protein label, ICPL). Les deux approches, label free et ICPL se sont révélées complémentaires et ont permis, respectivement, l’identification de 447 et de 412 protéines (dont 290 quantifiées). Quatre protéines d’un intérêt particulier dans le domaine de la BHE (phosphatase alcaline tissu-non spécifique, TNAP ; protéine 1 possédant un domaine d’homologie à Eps15, EHD1 ; superoxyde dismutase, SODC et homologue 7 de la protéine de la maladie de Parkinson PARK7, DJ-1) ont fait l’objet de caractérisations biochimiques approfondies et ouvrent des pistes d’investigation sur des potentielles voies cellulaires induites par les cellules gliales et impliquées dans le phénotype BHE. / The blood-brain barrier (BBB) controls the para- and transcellular crossing of compounds from blood to brain (and inversely) and establishes the “gatekeepers” of the brain. The major part of therapeutic drugs developed to fight the brain diseases is deemed inefficient in vivo due to the presence of the BBB that they are unable to cross. Although relatively well known in its physiological aspect, the BBB phenotype of brain capillary endothelial cells (BCECs) remains largely under known and misunderstood in regards of the molecular mechanisms that govern its establishment and its maintenance. To this goal, using the in vitro BBB model developed in the laboratory (co-culture of bovine BCECs with rat glial cells), we performed two differential proteomic studies to identify the main cytoplasmic proteins involved in the establishment and maintenance of this phenotype: a qualitative label free approach and a quantitative isotope-coded protein labeling (ICPL) approach.The two different approaches, label free and ICPL, are complementary and led to the identification of 447 and 412 proteins, respectively. Four proteins of particular interest for BBB (tissue-non specific alkaline phosphatase, TNAP; Eps15 homology domain containing protein 1, EHD1; superoxide dismutase, SODC and Parkinson disease protein 7 homolog PARK7, DJ-1) have been more deeply studied and they open new discovery prospects related to cellular pathways induced by glial cells and involved in the BBB phenotype.

Lat est clé dans le développement des cellules T. En l'absence de Lat, le développement des cellules T au niveau du thymus est complètement bloqué au stade DN3. Le développement des lymphocytes T est très diminué dans des souris knockin LatY136F dans lesquelles la tyrosine présente en position 136 de la protéine Lat est remplacée par une phénylalanine. De manière paradoxale, le petit nombre de cellules T qui émergent dans la périphérie des souris LatY136F donnent naissance à un syndrome lymphoprolifératif Th2 sévère. Ce projet vise à identifier les facteurs génétiques qui contribuent au développement d'un tel syndrome lymphoprolifératif. A la suite d'un crible génétique basée sur une mutagenèse à l'ENU (N-éthyl-N-nitrosurea), des lignées de souris mutantes LatY136F présentant une pathologie atténuée ou exacerbée ont été fixées et les mutations induites chimiquement ont été cartographiées et identifiées. En particulier, nous avons obtenu une lignée mutante appelée Basilic dépourvue du syndrome lymphoprolifératif. Le clonage positionnel assisté par les techniques de séquençage à haut-débit de l'ADN ont permis l'identification d'un gène appelé, Rltpr ou Lrrc16c, et ne possédant aucune fonction immunologique connue. Nous avons montré que Rltpr constitue un élément clé de la voie de signalisation opérée par la molécule de costimulation CD28. Les résultats principaux obtenus au cours de la thèse sont présentés sous forme d'un article publié. Un chapitre de perspective est consacré ensuite aux améliorations que nous pourrions apporter au type d'approche que nous avons réalisé. Enfin une dernière rubrique traite des outils permettant la manipulation du génome de la souris. / Lat is essential for proper T cell development. In the absence of Lat, intra thymic T cell development is completely blocked at an early stage known as the DN3 stage. LatY136F mice in which the tyrosine found at position 136 of Lat was replaced by a phenylalanine, also showed an impaired sequence of intrathymic T cell development. Paradoxically, the small number of improperly selected T cells that reach the periphery of LatY136F mice expand in an uncontrolled manner and trigger a severe Th2 lymphoproliferative disorder. The present thesis project aimed at identifying genetic factors contributing to the development of such a lymphoproliferative disorder. Using a sensitized ENU mutagenesis screen, we identified and characterized mutations that dampened or exacerbated the LatY136F pathology. A mutation that is called Basilic and that acts in a T cell intrinsic manner and completely prevented the LatY136F lymphoproliferative disorder was characterized in a comprehensive manner. Positional cloning assisted by next generation DNA sequencing demonstrated that Basilic corresponds to a mutation in a gene called Rltpr or Lrrc16c, the function of which was previously completely unknown in the frame of the immune system. Further functional studies performed during this project showed that Rltpr corresponded to a “missing link” involved in the signaling cascade that mediates the function of the co-stimulatory molecule CD28. Consistent with that view, nullozygous Cd28 mutant mice were found to be a phenocopy of the Basilic mice and as such prevented lymphoproliferative disorder in LatY136F mice. The Basilic mutation also resulted in a defect in regulatory T cell development.

Helicoverpa armigera et Epiphyas postvittana, deux insectes nuisibles pour l'agriculture, ont développé des résistances contre la plupart des insecticides connus. Les lipides étant les constituants majeurs de leur régime alimentaire, les fonctions digestives des lipases deviennent alors une cible privilégiée pour l'élaboration de nouveaux insecticides. L'identification récente de gènes codant pour l'expression de protéines potentiellement actives et inactives apparentées aux lipases pancréatiques (PLRP) dans le tractus digestif de ces deux insectes et dont le niveau de transcription varie en fonction de leur régime alimentaire a ouvert un nouveau champ de recherche. Dans le but de contribuer à cette thématique, nous avons construit cinq lipases recombinantes d'E. postvittana (EpLIPs) et testé leur expression dans trois systèmes différents (E.coli, P.pastoris et bacculovirus). Le tractus digestif de Helicoverpa armigera a été étudié par chromatographie échangeuse d'ions et les différentes protéines séparées ont été testées en spectrométrie de masse et sur pHstat pour l'activité. Les résultats obtenus ont permis de mettre en évidence, pour la première fois, la présence à la fois d'une lipase active et d'une lipase inactive dans le tractus digestif d'un lépidoptère. Par ailleurs, la caractérisation biochimique d'un mutant GPLRP2-Δ β9 a été faite dans le but de comprendre l'effet de cette boucle, partiellement délétée dans les lipases d'insectes, dans la spécificité du substrat. Nous avons pu montrer que cette boucle β9 est essentielle pour la stabilisation de la chaîne acyle durant la réaction de lipolyse. / Helicoverpa armigera and Epiphyas postvittana, two major pest crops, have developed resistances against most of the known insecticides. Lipids being a major component of insect diet, digestive function of lipase are a target of choice for new insecticide design. The recent identification of active and inactive pancreatic lipase related protein (PLRP) genes in those two insects midgut, with a level of transcription depending on the diet, opened the field of insect digestive lipase study. In order to contribute to this thematic, we built five recombinants lipase from E. postvittana (EpLIPs) and tested their expression in three different systems (E.coli, P.pastoris and bacculovirus). Protein structure prediction of EpLIPs allowed us to develop some functional hypothesis enlightening the role of inactive lipase in lipid transport. H. armigera midgut contents were separated through a one step purification chromatography and the different fractions were tested for activity and mass spectrometry. The results obtained gave the first evidence of the presence of both an active and an inactive lipase in lepidopteran midgut. In addition to this work, a biochemical characterisation of a β9 GPLRP2 mutant was carried out to understand the effect of this loop, partially deleted in insect lipase, in substrate specificity. The result shows that β9 loop is essential for stabilizing the leaving acyl chain during the lipolysis reaction.