Individuelle Unterschiede in der kognitiven Entwicklung von Kindern korrelieren mit ihrem sozioökonomischen Status (engl. socioeconomic status, SES). Allerdings hat die bisherige Forschung längsschnittliche Dynamiken meist ignoriert. Des Weiteren sind die Mechanismen, die zu SES–bedingten Diskrepanzen in der kognitiven Entwicklung führen, weitgehend unbekannt. Gemäß einer Hypothese ist es die Dysregulation der Sekretion des Stresshormons Cortisol die SES Unterschiede vermittelt, da niedriger SES robust mit höherem chronischen Stress assoziiert. Die vorliegende Dissertation weist im Längsschnitt nach, dass Veränderungen im Familieneinkommen die kognitive Entwicklung von armen Kindern im späteren Kindesalter vorhersagen (Studie I). Bemerkenswerterweise wirkt kindliche Kognition auch auf Veränderungen im elterlichen Einkommen, was auf bisher vernachlässigte bidirektionale Familiendynamiken hinweist. Zudem liefert die Dissertation querschnittliche empirische Evidenz für die Hypothese, dass ein stressbezogener Mechanismus in SES–bedingten Unterschieden kognitiver Entwicklung involviert ist. Höherer Stress und ein geringeres Einkommen waren beide mit Anzeichen des Hypocortisolismus in Kindern charakterisiert (Studie II und III). Außerdem gab es Hinweise, dass kognitive Kontrolle vor den Effekten von Stress schützen könnte (Studie II). Schließlich zeigt die Dissertation erstmalig, dass hyporeaktive Cortisolprofile in Reaktion auf akuten Stress in ärmeren Kindern mit deren niedrigerer Gedächtnisleistung assoziiert ist (Studie III). Beachtenswert ist, dass Ergebnisse dieser Dissertation nicht auf Umwelt oder genetisch vermittelte Kausalität schließen lassen. In zukünftigen Interventionsstudien sollte weiter untersucht werden, ob Interventionen die Einkommensgewinne stärken, Stress reduzieren oder die Reaktion von Kindern auf akuten Stress verbessern, kognitive Unterschiede im Zusammenhang mit SES verringern. / Individual differences in cognitive development in childhood vary along gradients of socioeconomic status (SES). Yet, research has largely ignored longitudinal dynamics, despite evidence that SES, especially income, also changes over time. Furthermore, fairly little is known about the mechanisms by which SES explains cognitive disparities. Lower SES environments are marked by high chronic stress exposure, which has led to the hypothesis that dysregulation of the stress response system resulting in altered cortisol secretion mediates disparities in cognition. This dissertation provides longitudinal evidence for the notion that family income gains and losses predict poor children’s cognitive development throughout later childhood (Paper I). Remarkably, children’s cognition also predicts their parents’ earning ability, indicating previously neglected bidirectional family dynamics. Moreover, this dissertation provides cross–sectional evidence for a stress mechanism involved in SES disparities of cognitive functioning. Both higher stress and lower income are associated with patterns of hypocortisolism in middle childhood (Paper II & III). Further, cognitive control skills may buffer against the embedding of stress exposure in diurnal cortisol secretion (Paper II). Lastly, cortisol hyporeactivity to stress found in low–income children is uniquely associated with their lower memory performance. Notably, this dissertation does not warrant environmentally– or genetically–mediated assumptions of causality. Future intervention studies should continue to explore whether facilitating family income gains, reducing stress exposure, normalizing cortisol secretion, or improving children’s stress coping by training cognitive control alleviates SES–related disparities in cognition.

Früh traumatisierte Kinder, die in den ersten Lebensjahren von ihren Bindungspersonen vernachlässigt, mißhandelt oder sexuell mißbraucht wurden, führen Sonderpädagogen und Kinderanalytiker schnell an ihre professionellen Grenzen. Besonders in der Kinderanalyse besteht im Bereich der Frühtrauma-Folgestörungen ein theoretisch-konzeptionelles wie behandlungstechnisches Defizit. Die vorliegende Dissertation, eine theoretische Literaturarbeit, leistet einen Beitrag zur interdisziplinären psychoanalytischen Konzeptforschung, indem sie den Begriff der „frühen Traumatisierung“ auf dem Hintergrund von Befunden aus Säuglingsforschung, Bindungstheorie und Neurobiologie neu konzipiert. Darüber hinaus entwickelt sie eine traumabezogene modifizierte tiefenpsychologisch fundierte Behandlungsmethode weiter, indem auf der Basis dieses interdisziplinär gewonnenen Konzepts „früher Traumatisierung“ entwicklungsorientierte mit traumazentrierten Interventionen verbunden werden: Während der therapeutische Hintergrund von entwicklungsorientierten Behandlungzielen geprägt ist (Bindungssicherheit, „Beantwortung“ nonverbaler Inszenierungen, Spiegelung und Regulation von Affekten sowie Förderung der Mentalisierungsfähigkeit), werden im traumazen-trierten Vordergrund, insbesondere im posttraumatischen Spiel, traumaassoziierte Phänomene (Übererregung, Intrusion, Dissoziation) erkannt und durch Einsatz distanzierender und stabilisierender Techniken (traumatherapeutische Imaginationsübungen, Dissoziationsstops) eingedämmt. Um den Behandlungserfolg zu gewährleisten, bedarf es ferner einer intensiven Kooperation mit medizinischen, pädagogischen und sozialpädagogischen Fachkräften einschließlich der Integration verfahrensfremder, z.B. übender Elemente in die psychodynamische Traumatherapie. / Traumatized children who have been neglected or physically or sexually abused by attachment figures in their first years of life quickly take special education teachers and child analysts to their professional limits. Particularly in child analysis, there is a theoretical/ conceptual as well as technique deficit in the field of secondary disorders of early trauma. The present dissertation, a theoretical literature review, contributes to interdisciplinary psychoanalytic concept research by redefining the term of “early traumatization” against the backdrop of findings from infant research, attachment theory and neurobiology. In addition, it further develops a trauma-related, modified psychodynamic treatment method by linking development-oriented interventions with trauma-centered interventions on the basis of this interdisciplinary concept of “early traumatization”: While the therapeutic background is characterized by development-oriented treatment goals (attachment security, “responding” to non-verbal enactments, mirroring and regulation of affects as well as the promotion of mentalization ability), in the trauma-centered foreground, especially in post-traumatic play, trauma-associated phenomena (hyperarousal, intrusion, dissociation) are recognized and curtailed through the use of distancing and stabilizing techniques (trauma therapy imagination exercises, dissociation stops). In order to ensure treatment success, this furthermore requires an intensive cooperation with medical, educational and special education experts that includes the integration of elements outside of the method, e.g. practicing elements, into psychodynamic trauma therapy.

Verankerte Polymere können die Funktionalität einer Oberfläche beeinflussen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung von Polymerbürsten aus Polyacrylsäure (PAA) und Poly(N,N-dimethylaminoethyl methacrylat) (PDMAEMA). Auf Oberflächen, die mit PAA Bürsten beschichtet sind, können Proteine im nativen Zustand immobilisiert werden. Für PDMAEMA ist eine Reaktion auf externe Reize bekannt. So kann dessen untere kritische Lösungstemperatur (LCST) zur Einstellung der Hydrophobizität von Oberflächen verwendet werden. Erstmalig im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, wie sich hydrostatischer Druck von bis zu 1000 bar auf die Funktionalität der verwendeten Polymerbürsten auswirkt. Aus Diblock-Kopolymeren wurden Langmuir-Filme unterschiedlicher Ankerdichte mit der Langmuir-Schäfer Technik auf feste Substrate übertragen. Die Funktionalität der PAA Bürsten wurde vor und nach der Adsorption von Rinderserumalbumin (BSA) in gepufferter D2O-Lösung mit Hilfe der Neutronenreflektometrie (NR) bei 1 bar und 900 bar an der fest-flüssig Grenzfläche untersucht. Es wurden Volumenfraktionsprofile der PAA Bürste und adsorbierten BSA extrahiert, woraus sich eine lineare Abhängigkeit zwischen Ankerdichte und Menge an adsorbiertem Protein feststellen ließ. Erhöhung des hydrostatischen Druckes auf 900 bar veränderte weder die PAA Volumenprofile noch die Immobilisierung von BSA. Die PDMAEMA Bürsten wurden mittels NR bei Temperaturen von 20-60 °C und Drücken von 1-1000 bar untersucht. Zur Analyse der Daten wurde ein neuartiges Dichteprofil-Modell verwendet. Temperaturerhöhung führt zur stetigen Abnahme der Bürstendicke. Dies lässt sich durch den LCST induzierten Phasenübergang der Polymere vom hydrophilen in einen hydrophoben Zustand erklären. Es wurde gefunden, dass eine Erhöhung des hydrostatischen Druckes diesem Prozess entgegenwirkt. Strukturänderungen der Polymerbürsten bei Erhöhung der Temperatur um 10 K ließen sich durch Erhöhung des Druckes um 1000 bar rückgängig machen. / The functionality of an interface can be modified by polymer brushes. The focus of this work is on brushes of either polyacrylic acid (PAA) or poly(N,N-dimethylaminoethyl methacrylate) (PDMAEMA). PAA brushes provide a soft interface that prevents the denaturation of adsorbed proteins. PDMAEMA is known to respond to external stimuli. The lower critical solution temperature (LCST) of PDMAEMA can be used to tune the hydrophobicity of the interface with temperature. For the first time, the effect of elevated hydrostatic pressure, up to 1000 bar, on the functionality of these systems is investigated. Planar PAA and PDMAEMA brushes are prepared from precursor diblock copolymer Langmuir layers with varied grafting density utilizing the Langmuir-Schäfer transfer technique. For solvent-swollen PAA brushes, neutron reflectivity (NR) measurements are conducted at the solid-liquid interface after incubation in buffered D2O and after the adsorption of bovine serum albumin (BSA) from the aqueous liquid phase at 1 bar and 900 bar. Detailed volume fraction profiles of the PAA brush and adsorbed BSA proteins are extracted. The amount of adsorbed BSA is found to scale linearly with grafting density. An elevated hydrostatic pressure of 900 bar is found to have no impact on the structure of the PAA brush and its capability to bind BSA proteins. The PDMAEMA brushes are investigated by NR at the solid-liquid interface in a temperature range of 20 to 60 °C for hydrostatic pressures from 1 to 1000 bar. A novel theoretical model of the brush density profile is used to fit the experimental NR data. Increasing the temperature causes a continuous decrease of the polymer brush thickness due to a hydrophobic coil to globule transition of the polymer chains when crossing the LCST. Hydrostatic pressure is found to act antagonistic to temperature. The hydrophobic collapse of the PDMAEMA brush caused by a temperature increase of 10 K is counterbalanced by a pressure increase of 1000 bar.

Eine Erklärung, warum manche Wahrheiten notwendigerweise wahr sind, sollte verständlich machen, warum es für diese eine Wahrheitsgarantie gibt. Einen interessanten Ansatz für eine solche Erklärung liefert Kants Definition analytischer Wahrheiten als solche, die bereits in einem Begriff enthalten sind. Die notwendige Wahrheit analytischer Sätze kann hier über das Verhältnis ihrer Bestandteile erklärt werden. Diese Erklärung kann jedoch nur der Anfang einer generellen Erklärung von Notwendigkeit sein, denn einerseits sind nicht nur analytische Urteile notwendig, sondern auch andere, andererseits basiert die Erklärung auf einer umstrittenen Theorie von Begriffen. Die Dissertation untersucht nun, ob und wie die Strategie, Notwendigkeit über das Verhältnis zwischen den Bestandteilen von Repräsentationen zu erklären dennoch ausgeweitet und verteidigt werden kann, um zum Beispiel auch a posteriori Notwendigkeiten und essentialistische Urteile zu erfassen. Indem auf die die Referenz-Relation konstituierenden Fakten Bezug genommen wird, wird gezeigt, dass eine solche Erklärung tatsächlich möglich ist. Notwendige Wahrheit ist demnach eine Eigenschaft von wahrheitsfähigen Repräsentationen, die diese aufgrund des Verhältnisses zwischen den für die Wahrheit der Repräsentation nötigen Fakten und den Fakten, die die Referenz der Bestandteile der Repräsentation bestimmen, hat. Stehen diese in einem bestimmten Verhältnis, wird die Wahrheit der Repräsentation garantiert. Nachdem dieser Ansatz auf eine Reihe von Beispielen angewendet wird, zeigen sich interessante Parallelen zu essentialistischen Theorien von Notwendigkeit und es lässt sich zeigen, dass der Ansatz das Verhältnis zwischen Essenzen und Notwendigkeit richtig darstellt und es sogar erlaubt, ein besseres Verständnis davon zu entwickeln, was Essenzen sind. / An explanation of why some truths are necessarily true needs to make intelligible how it is that a truth is guaranteed to be true. The thesis argues that a promising starting point for an explanation of necessity can be found in Kant’s containment-account of analyticity, for it explains how the truth of a judgment is guaranteed by its structure and the relationship between its constituents. This, however, can merely be a starting point for a general explanation of necessary truth, for it is both too narrow, and presupposes a contentious view of concepts. The thesis thus explores how the general strategy, explaining necessary truth by certain relationships between the constituents of representations, can be expanded to cover further necessary truths, for example a posteriori necessities and essentialist claims. It is argued that the explanation can be generalized by focussing on what it is that constitutes reference between representations and the objects they represent as well as how these representations come together to form truth-evaluable representations. Necessary truth, on this account, is a property of truth-evaluable representations which a representation has in virtue of the appropriate relationship between what is required for its truth, and the way in which the reference of its constituents is determined. The appropriate relationship guarantees the truth of the representation. After applying the theory to a range of examples, interesting parallels to essentialist accounts of necessity emerge and it is argued that the proposed explanation gets the relationship between essence and necessity right and may even be used to elucidate what essences are.

Der eukaryotische Zellzyklus ist auf allen Ebenen der Genexpres- sion reguliert. Sowohl breit angelegte genetische Screens als auch funktionale Studien zu den beteiligten Proteinen haben unser Ver- ständnis dieses fundamentalen Prozesses geprägt. In dieser Arbeit behandle ich räumliche Aspekte der post-transkriptionalen Regulation des Zellzyklus, die mit lichtmikroskopischen Einzelzell- und Einzel- molekülmethoden experimentell zugänglich werden. Insbesondere untersuchte ich die subzelluläre Lokalisierung der messenger RNA von CLB2, einem zentralen Regulator der Mitose im eukaryotischen Modellorganismus Saccharomyces cerevisiae (Bierhefe). Frühere Studien zeigten, dass diese RNA sich im Laufe des vegetativen Zellwachstums in der entstehenden Tochterzelle, der Knospe, anreichert. Mithilfe modernster Fluoreszenzmikroskopie charakterisierte ich die Bewe- gung und Verteilung einzelner CLB2 messenger RNA-Moleküle auf Zeitskalen von Millisekunden bis hin zur Generationszeit dieser He- fen. Ich zeigte, dass sich mit Hilfe von Multifokusmikroskopie unter Verwendung optimierter Fluoreszenzmarker und der Entwicklung objektiver Analysemethoden die Bewegung einzelner RNA-Moleküle zwischen Mutterzelle und Knospe nachvollziehen lässt. Dazu präsen- tiere ich eine Methode um die beobachteten Trajektorien der messenger RNA mathematischen Analysen der Systembiologie zugänglich zu machen. Weiterhin gab die Beobachtung der Verteilung einzelner CLB2 messenger RNA Moleküle über den Zellzyklus hinweg mittels einer neuartigen Lichtblattmikroskopie (Lattice Light Sheet Microscopy) Hinweise auf eine bisher unbekannte Dynamik in der Lokalisierung dieser messenger RNA. Die hier entwickelten Methoden ermöglichen eine quantitative Untersuchung räumlicher Aspekte der posttranskrip- tionalen Zellzyklusregulation. / The eukaryotic cell cycle is regulated on all levels of gene expression. Genetic screens and functional studies of the involved proteins have shaped our understanding of this fundamental process. In this thesis I use single cell and single molecule light microscopy methods to investigate spatial aspects of post-transcriptional cell cycle regulation. I investigated the subcellular localization of CLB2 mRNA, a central regulator of mitosis in the eukaryotic model organism Saccharomyces cerevisiae (baker’s yeast). Previous studies have shown that that this messenger RNA is enriched in the emerging daughter cell, the bud, during vegetative growth. Using pre-commercial fluorescence micro- scopes I characterized the dynamics and partitioning of single CLB2 mRNA on time scales from milliseconds to the generation time of this yeast. I demonstrate that using aberration corrected multifocus mi- croscopy, optimized fluorescent markers, and here developed objective analysis methods, the translocation of single mRNA molecules be- tween mother and bud can be observed. In addition, I report a method to make these trajectories available for the mathematical approaches of Systems Biology. Further, the observation of single CLB2 mRNA partitioning throughout the cell cycle with the use of lattice light sheet microscopy suggested a previously unknown localization behavior of the transcript. The methods developed here enable a quantitative analysis of spatial aspects of post-transcriptional cell cycle regulation.

Die Struktur von DNS Molekülen und ihre Wechselwirkung mit Wasser werden seit langer Zeit heiß diskutiert. In der vorliegenden Arbeit wird nichtlineare Spektroskopie zur Untersuchung dieser Systeme angewendet. Oligomere, die aus 23 alternierenden Adenin-Thymin-Basenpaaren bestehen und eine Doppelhelix bilden, wurden mit Hilfe von 2D IR Spektroskopie für verschiedene Hydratisierungsgrade untersucht. Für DNS-Filme bei 0% relativer Feuchte (r.F.) erlauben die transienten Spektren eine Unterscheidung der NH Streckschwingung von Thymin ((NH)), der symmetrischen und asymmetrischen NH2 Streckschwingung von Adenin (s(NH2) and a(NH2)) sowie die Bestimmung der jeweiligen Linienprofile. Die Spektren zeigen eine homogene Verbreiterung für die (NHT) wohingegen die s(NH2) and a(NH2) eine ausgeprägte und zeitunabhängige inhomogene Verbreiterung zeigen, welche auf Unordnungen in der DNS-Struktur hinweisen. Außerdem kann Energietransfer von der a(NH2) zur (NH) beobachtet werden. Bei Erhöhung der r.F. hat die erhöhte Anzahl von Wassermolekülen nur einen geringen Einfluss auf die Positionen und Linienprofile der NH Streckschwingungen. Dadurch wird nahegelegt, dass die spektrale Dynamik vom DNS Molekül selbst und nicht vom umgebenen Wasser bestimmt ist. Im Gegensatz dazu zeigt die OH Streckmode der Wasserhülle um die DNS spektrale Diffusion auf einer 500 fs Zeitskala. Guanosin-Cytidin(GC)-Basenpaare wurden in Chloroformlösung untersucht, um die Wechselwirkung zwischen Basenpaaren zu verstehen. Dabei wurden die NH Schwingungen in einer local mode Darstellung betrachtet, die zwei freie NH Gruppen von G und C und drei wasserstoffverbrückte NH Gruppen beeinhaltet. Die Kopplungen und Relaxationsdynamik der NH Streckanregungen wurden mit Femtosekunden-Pump-Probe und 2D IR Experimenten studiert. Die Ergebnisse zeigen eine Verringerung der Lebensdauer mit der Bildung von Wasserstoffbrücken sowie Energietransfer zwischen zwei wasserstoffverbrückten NH Streckschwingungen. / The structure of DNA molecule and the interactions with its surrounding water is a hot topic for long time. In this thesis, we employ the nonlinear spectroscopy, including femtosecond pump-probe and two-dimensional infrared (2D IR) experiment, to study the vibrational dynamics of the systems. Double-stranded DNA short oligomers containing 23 alternating adenine-thymine base pairs were studied at different hydration levels by femtosecond 2D IR spectroscopy. For a DNA film at 0% relative humidity, the transient spectra enable a separation of the NH stretching mode of thymine from the symmetric and asymmetric NH2 stretching modes of adenine and determine the individual line shapes. For the NH stretch of thymine, the spectra demonstrate an essential homogeneous broadening, whereas for the symmetric and asymmetric NH2 stretches a pronounced and time-independent inhomogeneous broadening suggests a disorder in DNA structure. An energy transfer from the asymmetric NH2 stretch of adenine to the NH stretch of thymine is also observed. When the relative humidity increases, the increased water molecules have limited influence on the positions and line shapes of NH stretching frequencies, suggesting the spectral dynamics governed by DNA rather than water fluctuations. In contrast, the OH stretching mode of water shell around hydrated DNA undergoes a spectral diffusion on a 500 fs time scale, which is slower than the neat water. The guanosine-cytidine (GC) base pairs in chloroform solution were investigated to understand the interactions within base pairs. A local mode representationof NH stretching mode is adopted, consisting two free NH groups of G and C and three hydrogen bonded NH groups. The coupling and relaxation dynamics of the NH stretching excitations are studied by femtosecond pump-probe and 2D IR experiments. The results demonstrate a lifetime shortening upon the formation of hydrogen bonds, and an energy transfer between two hydrogen-bonded NH stretches.

Visuell-räumliche Aufmerksamkeit spielt eine Schlüsselrolle in der Wortverarbeitung und der Augenbewegungskontrolle beim Lesen. Dennoch bleibt die räumliche und zeitliche Dynamik von Aufmerksamkeitsbereitstellung innerhalb einer Fixation ungeklärt. Die vorliegende Dissertation nutzt drei Ansätze in der Ko-Registrierung von Augenbewegungen und EEG um diese Forschungslücke zu untersuchen und direkte Einblicke in die Aufmerksamkeitsverteilung zwischen Fovea und Parafovea, ihre Anpassung an Verarbeitungsansprüche und Sakkaden sowie ihre Auswirkungen auf Wortverarbeitung zu liefern. In Studie 1 wurde das Probe Paradigma als Maß zur Abbildung räumlicher Aufmerksamkeit ohne Augenbewegungen implementiert. Die vergrößerte, Probe-bezogene N1 zwischen Wortpräsentationen deutet auf eine Bereitstellung und Umverteilung zusätzlicher Ressourcen zur simultanen fovealen und parafovealen Wortverarbeitung hin. Studie 2 untersuchte den Preview Benefit und seine Modulation durch Sakkaden und Verarbeitungsschwierigkeit und zielte darauf ab, das elektrophysiologische Korrelat als indirektes Maß für parafoveale Aufmerksamkeit in ERPs und FRPs zu etablieren. Es zeigte sich ein Effekt des orthographischen Previews auf die N1. Interaktionen mit Lesemodus und Verarbeitungsschwierigkeit implizieren, dass dem Preview Effekt Aufmerksamkeitseffekte zugrunde liegen. In Studie 3 wurden zwei Datensätze hinsichtlich der Lateralisierung von Oszillationen im Alpha-Band untersucht um die in Studie 2 generierten Hypothesen zu unterstützen. Alpha war im sakkadischen Lesen stärker rechts-lateralisiert als in RSVP und eine stärkere Lateralisierung sagte eine kürzere Fixationsdauer vorher, was die Rolle von parafovealer Aufmerksamkeit und ihre Verbindung zu Sakkaden betont. Trotz der Einschränkungen der drei Ansätze stellt die Kombination von Augenbewegungen, ERPs, FRPs und EEG-Oszillationen geeignete Maße für Aufmerksamkeitsprozesse in der Wortverarbeitung dar, die traditionelle Forschungsmethoden ergänzen. / Visuo-spatial attention is a key contributor to word processing and oculomotor control in reading. Yet, the spatial and temporal dynamics of attention allocation within a fixation remain unclear. The present dissertation uses three approaches in the co-registration of eye movements and EEG to investigate this gap and provide direct, online insights into attention distribution across fovea and parafovea, its adaptation to processing load and saccadic behavior, as well as its effects on word processing. In Study 1, the probe paradigm was implemented as a mapping tool of spatial attention adaptation in the absence of eye movements, yielding ERPs. The enhanced probe-related N1 in-between trials indicates a recruitment and redistribution of additional resources to achieve simultaneous foveal and parafoveal word-recognition. Study 2 tested the preview benefit and its modulation by saccades and foveal load, thereby aiming at establishing its electrophysiological correlate as an indirect index of parafoveal attention allocation in ERPs and FRPs. There was an effect of orthographic preview on the N1. Interactions with reading mode and foveal load indicate underlying attention effects. In Study 3, two datasets were reanalyzed with regard to the lateralization of oscillatory activity in the alpha-band in order to directly support the assumptions generated in Study 2. Alpha was more strongly right-lateralized in saccadic reading compared to RSVP, and moment-to-moment lateralization predicted shorter subsequent fixation duration, emphasizing the role of parafoveal attention allocation and its relation to saccades. Despite the limitations of the three approaches at this point, the combination of eye movements, ERPs, FRPs, and EEG oscillations provides suitable online markers of attention processes in word recognition that complement traditional research methods.

Die 3D Struktur von Chromosomen im Zellkern reguliert verschiedene Funktionen in der Zelle und Fehler in der 3D Faltung des Genoms können pathogen sein. 3D Genomfaltung kann mit verschiedenen Methoden untersucht werden um Chromatinkontakte, sowie die Position von DNA in Relation zu sub-nuklearen Bereichen oder der Kernmembran zu detektieren. Hier verwende ich GAM und Hi-C um zwei Aspekte der 3D Genomtopologie zu untersuchen, die Allelspezifität von Chromatinkontakten und Kontakte zwischen Chromosomen. Ich untersuche allelspezifische Kontakte in murinen embryonalen Stammzellen und Interaktionen zwischen Chromosomen im Zusammenhang mit Autismus Spektrum Störung auf ihre Relevanz in der Regulation von Genen. Zur allelspezifischen Detektion von Chromatinkontakten generierte ich einen GAM Datensatz der tausende von nuklearen Cryodünnschnitten enthält. Die Generierung dieser Daten beinhaltete die Entwicklung einer verbesserten Version der GAM Methode zur Produktion von großen Datensätzen in Hochdurchsatz. Hier zeige ich, dass GAM effizient Haplotyp-spezifische Chromatinkontakte bestimmen kann. Erste Untersuchungen von allelspezifischer 3D Genomtopologie zeigten weitreichende Unterschiede zwischen den Allelen, welche „A/B compartments“ und spezifische Chromatinkontakte beinhalten, wie zum Beispiel am Imprinting Locus H19/Igf2. Zur Untersuchung von interchromosomalen Kontakten detektierte ich Chromatinkontakte mit Hi-C im Kontext einer genomischen Deletion am humanen 16p11.2 Locus, assoziiert mit Autismus Spektrum Störung. Ich zeige hier, dass die Deletion am 16p11.2 Locus zu der Reorganisation von spezifischen interchromosomalen Kontakten zwischen 16p11.2 und Chromosom 18 führt, und stelle eine Hypothese auf wie diese interchromosomalen Kontakte zur ektopischen Aktivierung von Pcdh Genen auf Chromosom 18 führen. Protocadherins haben wichtige Funktionen in neuronaler Konnektivität, ein Prozess dessen Störung zur Manifestierung von Autismus Spektrum Störung beitragen könnte. / The 3D folding of interphase chromosomes inside the nucleus regulates important nuclear functions and once disrupted can lead to the manifestation of disease. Different techniques can be used to map 3D genome folding and detect pairwise and multiway interactions of the genome, or map the positions of DNA with respect to subnuclear compartments or the nuclear lamina. Here, I use GAM and Hi-C to explore two aspects of 3D genome topology, the allele specificity of chromatin contacts and long-range contacts between chromosomes, respectively. I detect specific contacts of the parental alleles in mouse embryonic stem cells and interactions between chromosomes in the context of congenital disease and study them with regard to their functionality and importance in mammalian gene regulation. For detecting chromatin contacts with allele specificity, I produced a GAM dataset containing thousands of nuclear slices. The collection of this data was accompanied by the development of a high-throughput version of GAM that allows the generation of large datasets. I show that GAM can determine haplotype-specific chromatin contacts with high efficiencies. First explorations of allele-specific chromatin topologies reveal many differences between the parental alleles, including allele-specific compartments A and B, and specific chromatin contacts, for example at the imprinted H19/Igf2 locus. For the exploration of inter-chromosomal contacts in disease, I mapped chromatin interactions with Hi-C in the context of a CNV at the human 16p11.2 locus, associated with autism spectrum disorders. Here, I show that the deletion at the 16p11.2 locus results in the rearrangement of specific inter-chromosomal contacts between the 16p11.2 locus and chromosome 18 and propose a role for these inter-chromosomal contact changes in the upregulation of the nearby Pcdhb gene cluster, which comprises protocadherin genes with important functions in neuronal connectivity during development.

Die asymmetrische Verteilung von mRNA und Proteinen innerhalb einer Zelle definiert die Polarität. Dies ermöglicht eine strikte Regulierung der Genexpression in Raum und Zeit. Ich habe in dieser Arbeit untersucht, wie das Soma und die Neuriten in induzierten Neuronen sich hinsichtlich ihres Transkriptoms und Translatoms unterscheiden. Eine räumliche ribosomale Profilanalyse ergab, dass die Hälfte des lokalen Proteoms durch die mRNA-Lokalisierung und der lokalen Translation definiert wird. Dies sind Prozesse, die durch die synergistische Aktivität von trans- und cis-agierenden Elementen durchgeführt werden. In dieser Arbeit konzentrierte ich mich auf MOV10 als trans-agierendes Element und die alternativen 3′UTRs als cis-agierende Elemente, um ihre Rolle in der Asymmetrie zu untersuchen. MOV10 ist eine RNA-Helikase, welche an vielen Aspekten des RNA-Metabolismus beteiligt ist. Mit den Methoden RIP und PAR-CLIP konnte ich zeigen, dass sowohl MOV10-Ziele als auch MOV10 selbst in den Neuriten lokalisiert sind. Aus ̈erdem ist MOV10 möglicherweise an der translationalen Repression mitinvolviert. In der Tat konnte ich unter den MOV10-Protein-Interaktoren mehrere Proteine identifizieren, welche an der translationalen Repression beteiligt sind, wie z.Bsp. AGO2, FMR1, und TRIM71. Für die Identifizierung der cis-agierenden Elemente führte ich das "Mapping" von alternativen 3′UTRs durch. Diese Analyse zeigte mehrere Gene, die differentiell lokalisierte 3′UTR-Isoformen exprimieren. Insbesondere habe ich mich auf Cdc42 konzentriert. Ich konnte beweisen, dass die beiden Isoformen von Cdc42 auf mRNA-Ebene unterschiedlich lokalisiert sind und dass die 3′UTR der entscheidende Faktor für die mRNA- und Proteinlokalisierung ist. Darüber hinaus habe ich mehrere RBPs identifiziert, die an der Cdc42-Lokalisierung beteiligt sind. Diese Analyse zeigt, dass für die differenzierte Lokalisierung von funktional unterschiedlichen alternativen Protein-Isoformen die Verwendung von alternativen 3′UTR Isoformen als neu-entdeckter Mechanismus eine entscheidende Rolle spielt. / Asymmetric distribution of mRNA and proteins inside a cell defines polarity, which allow tight regulation of gene expression in space and time. In this thesis I investigated how asymmetric distribution characterizes the somatic and neuritic compartments of in induced neurons, in terms of transcriptome and translatome. Spatial ribosome profiling analysis revealed that half of the local proteome is defined by mRNA localization and local translation. These, are processes accomplished by the synergistic activity of trans- and cis-acting elements. I focused on MOV10 as trans-acting element, and on alternative 3′UTRs as cis-elements, to investigate their role in asymmetry. MOV10 is an RNA helicase which participates to many aspects of RNA metabolism. With RIP and PAR-CLIP I showed that MOV10 targets are localized to the neurites, consistently with MOV10-neuritic localization, and that MOV10 might be involved in translational repression. Indeed, among MOV10 protein interactors, I identified several proteins involved in translational repression, i.e. AGO2, FMR1, and TRIM71. On the side of cis-elements, I performed mapping of alternative 3′UTRs. This analysis identified several genes expressing differentially localized 3′UTR isoforms. In particular, I focused on Cdc42. I showed that the two isoforms of Cdc42 are differentially localized at mRNA level, and that the 3′UTR is the driver of mRNA and protein localization. Moreover, I identified several RBPs that might be involved in Cdc42 localization. This analysis points to usage of alternative 3′UTR isoforms as a novel mechanism to provide for differential localization of functionally diverse alternative protein isoforms.

Wie auch andere bakterielle Pathogene überträgt C. trachomatis Effektorproteine in die Wirtszelle, um deren Funktionen zu manipulieren. Das während der Invasion sekretierte Effektorprotein Tarp besitzt N-terminale SH2-Bindungsstellen und eine C-terminale SH3-Bindungsstelle für die Interaktion mit Wirtszellproteinen. Zur Bestimmung dieser Interaktionen wurden Protein-Microarrays mit nahezu alle humanen SH2- und SH3-Domänen verwendet. Zahlreiche neue Interaktionen wurden detektiert, wobei das Adaptorprotein SHC1 eine der stärksten SH2-abhängigen Interaktionen mit Tarp zeigte. Mittels Transkriptionsanalyse SHC1-abhängiger Genregulation während der Infektion konnten Gene identifiziert werden, welche an der Apoptose- und Zellwachstumskontrolle beteiligt sind. Infizierte Wirtszellen mit SHC1-Knockdown wiesen eine erhöhte Apoptoserate nach Stimulation mit TNF-alpha auf. Diese Ergebnisse offenbaren eine wichtige Rolle von SHC1 im Kontext des frühen, Chlamydien-induzierten Wirtszellüberlebens und deuten darauf hin, dass Tarp als vielseitige Signaltransduktionsplattform dient. Um Wirtszelllipide aufzunehmen, nutzt C. trachomatis Transportrouten der Wirtszelle und modifiziert Lipide bei der Aufnahme. Zur Bestimmung der Lipidzusammensetzung der Wirtszelle wurde diese mittels MALDI-TOF-Massenspektrometrie analysiert. Dabei hatte die Infektion den stärksten Einfluss auf Phosphatidylinoslitol (PI)- und Cardiolipin (CL)-Spezies. Des Weiteren konnten im Infektionsverlauf PI- und CL-Spezies mit einem Massenunterschied von 14 Da detektiert werden, was auf verzweigtkettige Fettsäurereste chlamydialen Ursprungs und eine Beteiligung der cytosolischen Phospholipase A2 (cPLA2) hindeutet. Entsprechend zeigten infizierte Zellen mit einem Knockdown von cPLA2 oder der Cardiolipinsynthase 1 eine signifikant reduzierte Bildung infektiöser Bakterien. Dies unterstreicht die Bedeutung von CL und einer funktionellen Nährstoffversorgung für die erfolgreiche Vermehrung von C. trachomatis. / Like many bacterial pathogens, C. trachomatis translocates effector proteins into the host cell to manipulate host cell functions. The early phase effector protein Tarp harbors N-terminal SH2 binding sites and a C-terminal SH3 binding site for the interaction with host cell proteins. To assess these interactions, protein microarrays comprising virtually all human SH2 and SH3 domains were used. Numerous novel interactions were discovered, while the adaptor protein SHC1 was among Tarp’s strongest SH2-dependent interaction partners. Transcriptome analysis of SHC1-dependent gene regulation during infection indicated that SHC1 regulates apoptosis- and growth-related genes. SHC1 knockdown sensitized infected host cells to TNF-alpha-induced apoptosis. These findings reveal a critical role for SHC1 in early Chlamydia-induced cell survival and suggest that Tarp functions as an important multivalent signaling hub. To acquire host-derived lipids, C. trachomatis hijacks cellular trafficking pathways and modifies lipids during the acquisition. To assess infection-dependent changes of the host cell lipid composition, cells were analyzed by MALDI-TOF mass spectrometry. Phosphatidylinositol (PI) and cardiolipin (CL) levels were most prominently influenced by C. trachomatis infection. Furthermore, PI and CL species with a 14 Da mass difference were detected during the course of infection, indicating the presence of Chlamydia-derived branched chain fatty acids and a role of cytosolic phospholipase A2 (cPLA2) in this process. Accordingly, infection of cPLA2 or cardiolipin synthase 1 knockdown cells resulted in a significantly reduced formation of infectious particles. These data demonstrate the importance of cardiolipin and a functional nutrient supply for the successful propagation of C. trachomatis.