For the elucidation of the dynamics of signal transduction processes that are induced by cellular interactions, defined events along the signal transduction cascade and subsequent activation steps have to be analyzed and then also correlated with each other. This cannot be achieved by ensemble measurements because averaging biological data ignores the variability in timing and response patterns of individual cells and leads to highly blurred results. Instead, only a multi-parameter analysis at a single-cell level is able to exploit the information that is crucially needed for deducing the signaling pathways involved. The aim of this work was to develop a process line that allows the initiation of cell-cell or cell-particle interactions while at the same time the induced cellular reactions can be analyzed at various stages along the signal transduction cascade and correlated with each other. As this approach requires the gentle management of individually addressable cells, a dielectrophoresis (DEP)-based microfluidic system was employed that provides the manipulation of microscale objects with very high spatiotemporal precision and without the need of contacting the cell membrane. The system offers a high potential for automation and parallelization. This is essential for achieving a high level of robustness and reproducibility, which are key requirements in order to qualify this approach for a biomedical application. As an example process for intercellular communication, T cell activation has been chosen. The activation of the single T cells was triggered by contacting them individually with microbeads that were coated with antibodies directed against specific cell surface proteins, like the T cell receptor-associated kinase CD3 and the costimulatory molecule CD28 (CD; cluster of differentiation). The stimulation of the cells with the functionalized beads led to a rapid rise of their cytosolic Ca2+ concentration which was analyzed by a dual-wavelength ratiometric fluorescence measurement of the Ca2+-sensitive dye Fura-2. After Ca2+ imaging, the cells were isolated individually from the microfluidic system and cultivated further. Cell division and expression of the marker molecule CD69 as a late activation event of great significance were analyzed the following day and correlated with the previously recorded Ca2+ traces for each individual cell. It turned out such that the temporal profile of the Ca2+ traces between both activated and non-activated cells as well as dividing and non-dividing cells differed significantly. This shows that the pattern of Ca2+ signals in T cells can provide early information about a later reaction of the cell. As isolated cells are highly delicate objects, a precondition for these experiments was the successful adaptation of the system to maintain the vitality of single cells during and after manipulation. In this context, the influences of the microfluidic environment as well as the applied electric fields on the vitality of the cells and the cytosolic Ca2+ concentration as crucially important physiological parameters were thoroughly investigated. While a short-term DEP manipulation did not affect the vitality of the cells, they showed irregular Ca2+ transients upon exposure to the DEP field only. The rate and the strength of these Ca2+ signals depended on exposure time, electric field strength and field frequency. By minimizing their occurrence rate, experimental conditions were identified that caused the least interference with the physiology of the cell. The possibility to precisely control the exact time point of stimulus application, to simultaneously analyze short-term reactions and to correlate them with later events of the signal transduction cascade on the level of individual cells makes this approach unique among previously described applications and offers new possibilities to unravel the mechanisms underlying intercellular communication. / Zelluläre Interaktionen sind wirkungsvolle Mechanismen zur Kontrolle zellulärer Zustände in vivo. Für die Entschlüsselung der dabei beteiligten Signaltransduktionsprozesse müssen definierte Ereignisse entlang der zellulären Signalkaskade erfasst und ihre wechselseitige Beziehung zueinander aufgeklärt werden. Dies kann von Ensemble-Messungen nicht geleistet werden, da die Mittelung biologischer Daten die Variabilität des Antwortverhaltens individueller Zellen missachtet und verschwommene Resultate liefert. Nur eine Multiparameteranalyse auf Einzelzellebene kann die entscheidenden Informationen liefern, die für ein detailliertes Verständnis zellulärer Signalwege unabdingbar sind. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung einer Methode, welche die gezielte Kontaktierung einzelner Zellen mit anderen Zellen oder Partikeln ermöglicht und mit der die dadurch ausgelösten zellulären Reaktionen auf unterschiedlichen zeitlichen Ebenen analysiert und miteinander korreliert werden können. Da dies die schonende Handhabung einzeln adressierbarer Zellen erfordert, wurde ein auf Dielektrophorese (DEP) basierendes mikrofluidisches System eingesetzt, welches die berührungslose Manipulation mikroskaliger Objekte mit hoher zeitlicher und örtlicher Präzision erlaubt. Das System besitzt ein hohes Potential zur Automatisierung und Parallelisierung, was für eine robuste und reproduzierbare Analyse lebender Zellen essentiell, und daher eine wichtige Voraussetzung für eine Anwendung in der Biomedizin ist. Als Modellsystem für interzelluläre Kommunikation wurde die T-Zell-Aktivierung gewählt. Die Aktivierung der einzelnen T-Zellen wurde durch ihre gezielte Kontaktierung mit Mikropartikeln („beads“) induziert, welche mit Antikörpern gegen spezielle Oberflächenproteine, wie die dem T-Zell-Rezeptor assoziierte Kinase CD3 oder das kostimulatorische Protein CD28, beschichtet waren. Die Stimulation der Zellen mit den funktionalisierten beads führte zu einem raschen Anstieg der intrazellulären Ca2+-Konzentration, welche über eine ratiometrische Detektion des Ca2+-sensitiven Fluoreszenzfarbstoffs Fura-2 gemessen wurde. Anschließend wurden die einzelnen Zellen aus dem mikrofluidischen System isoliert und weiterkultiviert. Am nächsten Tag wurden Zellteilung und die CD69-Expression – ein wichtiger Marker für aktivierte T-Zellen – analysiert und auf Ebene der individuellen Zelle mit dem zuvor gemessenen Ca2+-Signal korreliert. Es stellte sich heraus, dass der zeitliche Verlauf des intrazellulären Ca2+-Signals zwischen aktivierten und nicht aktivierten, sowie zwischen geteilten und nicht geteilten Zellen signifikant verschieden war. Dies zeigt, dass Ca2+-Signale in stimulierten T-Zellen wichtige Informationen über eine spätere Reaktion der Zelle liefern können. Da Einzelzellen äußerst empfindlich auf ihre Umgebungsbedingungen reagieren, war die Anpassung der experimentellen Vorgehensweise im Hinblick auf die Zellverträglichkeit von großer Bedeutung. Vor diesem Hintergrund wurde der Einfluss sowohl der mikrofluidischen Umgebung, als auch der elektrischen Felder auf die Überlebensrate und die intrazelluläre Ca2+-Konzentration der Zellen untersucht. Während eine kurzzeitige DEP-Manipulation im mikrofluidischen System die Vitalität der Zellen nicht beeinträchtigte, zeigten diese unregelmäßige Fluktuationen ihrer intrazellulären Ca2+-Konzentration selbst bei geringer elektrischer Feldexposition. Die Ausprägung dieser Fluktuationen war abhängig von der Expositionszeit, der elektrischen Feldstärke und der Feldfrequenz. Über die Minimierung ihres Auftretens konnten experimentelle Bedingungen mit dem geringsten Einfluss auf die Physiologie der Zellen identifiziert werden. Die Möglichkeit, einzelne Zellen zeitlich definiert und präzise mit anderen Zellen oder Oberflächen zu kontaktieren, die unmittelbare Reaktion der Zellen zu messen und diese mit späteren Ereignissen der Zellantwort zu korrelieren, macht die hier vorgestellte Methode einzigartig im Vergleich mit anderen Ansätzen und eröffnet neue Wege, die der interzellulären Kommunikation zugrunde liegenden Mechanismen aufzuklären.

Selective ion and solute transport across cell membranes is a vital process occurring in all types of cells. Evolutionarily developed transport proteins work as membrane-embedded molecular machines, which alternately open a gate on each side of the membrane to bind and translocate specific ions. Sodium/proton exchange plays a crucial role in maintaining cytoplasmic pH and membrane potential, while, if not regulated, the process causes severe heart diseases in humans. Here I applied single-molecule force spectroscopy to investigate molecular interactions determining the structural stability of the sodium/proton antiporter NhaA of Escherichia coli, which serves as a model system for this class of proteins. Mechanical pulling of NhaA molecules embedded in the native lipid bilayer caused a step-wise unfolding of the protein and provided insights into its stability. Modified experiments allowed observing refolding of NhaA molecules and estimating folding kinetics for individual structural elements, as well as detecting eventual misfolded conformations of the protein. The activity of NhaA increases 2000fold upon switching pH from 6 to 8. Single-molecule force measurements revealed a reversible change in molecular interactions within the ligand-binding site of the transporter at pH 5.5. The effect was enhanced in the presence of sodium ions. The observation suggests an early activation stage of the protein and provides new insights into the functioning mechanism. When studying interactions of NhaA with the inhibitor 2-aminoperimidine, I exploited single-molecule force measurements to validate the binding mechanism and to describe quantitatively formation of the protein:inhibitor complex. The ability of single-molecule force measurements to probe structurally and functionally important interactions of membrane proteins opens new prospects for using the approach in protein science and applied research.

Die spanende Bearbeitung hat in den letzten Jahren und Jahrzehnten große Fortschritte in den Bereichen der Bearbeitungsgeschwindigkeiten erfahren und hat bereits Einzug in die industrielle Fertigung gehalten. Dies wurde durch Fortschritte in den Bereichen der hochtemperaturfesten Schneidstoffe ermöglicht und vorangetrieben. Für das wissenschaftliche Verständnis der beim Hochgeschwindigkeitsspanen ablaufenden Vorgänge werden exakte Kenntnisse über das mechanische Werkstoffverhalten bei sehr hohen Verformungsgeschwindigkeiten sowie hohen Temperaturen und hohen Verformungen vorausgesetzt. Die Ermittlung der relevanten Werkstoffeigenschaften für die beiden Stähle C45E und 40CrMnMo7 stand im Vordergrund dieser Arbeit. Für die Ermittlung der Werkstoffkenndaten wurden spezielle Prüfaufbauten verwendet, welche die gleichzeitige Ermittlung von Fließspannungen bei hohen Temperaturen, hohen Dehnungsgeschwindigkeiten und großen Formänderungen erlauben. Es wurde gezeigt, dass die Anwendung des Konzeptes der thermischen Aktivierung auch bei extremen Dehnungsgeschwindigkeiten für die beiden untersuchten Werkstoffe möglich ist. Eine Simulation des Spanbildungsvorganges mit den ermittelten Werkstoffmodellen zeigt, dass es möglich ist, sowohl den Prozess der Fließspan- als auch der Segmentspanbildung mit hoher Genauigkeit abzubilden.

Techn. University, Diss., 2000--Berlin.

Untersuchung des Verhaltens der Fließspannung und der Verformungsfähigkeit der Titanlegierung Ti-6-22-22S in Abhängigkeit von der Temperatur, der Dehngeschwindigkeit und dem Spannungszustand. Nachweis der thermischen Aktivierung der Versetzungsbewegung bis zu Dehngeschwindigkeiten von 10^5 1/s für diesen Werkstoff. Beschreibung des Versagens als Funktion der Temperatur, der Dehngeschwindigkeit und des Spannungszustandes. Erarbeitung einer Prüfmethode zur Charakterisierung des Scherverhaltens unter hohen überlagerten Druckbelastungen.

Die Arbeit befasst sich mit der Metallmodifizierung von Graphitelektroden in wässriger saurer Elektrolytlösung. Ziel ist es die katalytischen Eigenschaften von Graphitelektroden wie sie in Redox­speicher­batterien zur Speicherung von elektrischer Energie eingesetzt werden zu verbessern. Für die Untersuchungen wurden unterschiedliche Kohlenstoff und Graphit­materialien eingesetzt, die elektrochemisch mit verschiedenen Metallen belegt wurden. Die Graphit- und Kohlenstoffelektroden wurden nach der Metallbelegung durch Impedanz­messung auf die Veränderung der katalytischen Eigenschaften hin untersucht. Es zeigte sich, dass eine Metallbelegung ohne eine vorher durchgeführte Aktivierung mit elektrochemischen Oxidations-Reduktions-Zyklen nur geringe oder keine Steigerung der katalytischen Eigenschaften bringt. Untersuchungen an dem Elektrodenmaterial Glaskohlenstoff zeigten, dass eine vorherige Aktivierung der Elektrodenoberfläche durch elektrochemische Oxidations-Reduktions-Zyklen den Durch­trittswiderstand ver­kleinert. Die Aktivierung der Glaskohlenstoffoberfläche vor der Belegung der Oberfläche mit Metallen wirkt sich außerdem günstig auf die elektrochemischen Eigen­schaften der metall­modifizierten Elektrode aus. Alle in dieser Arbeit eingesetzten Kohlenstoffarten konnten abhängig von der Kohlenstoff­sorte unterschiedlich stark durch elektrochemische Oxidations-Reduktions-Zyklen aktiviert werden. Die Untersuchungen zeigten weiterhin, dass durch die elektrochemische Oxidations-Reduktions-Zyklen die Kantenebenen des Kohlenstoffs aktiviert werden, an diesen aktivierten Positionen findet bevorzugt die Metallabscheidung statt.

Cells within multicellular organisms share the same genetic information, yet their shape and function can differ dramatically. This diversity of form and function is established by differential use of the genetic information. Early embryonic development describes the processes that lead to a fully differentiated embryo starting from a single fertilized cell - the zygote. Interestingly, in metazoan species this early development is governed by maternally provided factors (nutrients, RNA, protein), while the zygotic genome is transcriptionally inactive. Only at a specific developmental stage, the zygotic genome becomes transcriptionally active, and zygotic transcripts drive further embryonic development. This major change is called zygotic genome activation (ZGA). While major regulators of activation of early zygotic genes could be identified recently, the molecular mechanisms that contribute to robust global genome activation during embryonic development is not fully understood. In this study, I investigated whether the establishment of histone H3 lysine 4 trimethylation (H3K4me3) is involved in zebrafish zygotic transcription activation and early embryonic development. H3K4me3 is a chromatin modification that is implicated in transcription regulation. H3K4me3 has been shown to be enriched at Transcription Start Sites (TSS) of genes prior to their activation, and is postulated facilitate transcription activation of developmentally important genes. To interfere with H3K4me3 establishment, I generated histone methyltransferase mutants. I further inhibited H3K4me3 establishment by introduction of histones with lysine 4-to-methionine (K4-to-M) substitution, which act as dominant-negative inhibitors of H3K4me3 establishment. Upon H3K4me3 reduction, I studied the resulting effect on early transcription activation. I found that H3K4me3 is not involved in transcription activation during early zebrafish embryogenesis. Finally I analyzed possible cues in DNA sequence and chromatin environment that might favor early H3K4me3 establishment. These studies show that H3K4me3 is established during ZGA, yet it is not involved in transcription activation during early zebrafish development. Establishment of H3K4me3 might be a consequence of histone methyltransferase recruitment during a permissive chromatin state, and might be targeted to CpG-rich promoter elements that are enriched for the histone variant H2A.z.:Frontmatter II Acknowledgements VII Thesis Summary (English) IX Thesis Summary (German) X Table of Contents XIV List of Figures XVI List of Tables XVII List of Abbreviations XXIII 1 Introduction 1 1.1 Transcription regulation 2 1.1.1 Promoter elements - genetic information that guides transcription initiation 2 1.1.2 Enhancers - fine-tuning of transcription by distal DNA elements 3 1.1.3 CpG islands - DNA sequences that allow for epigenetic regulation 4 1.2 Chromatin 4 1.2.1 Histone variants 7 1.2.2 Posttranslational histone modifications 7 1.2.3 Histone Lysine methylation 8 1.2.4 H3K4me3 in embryonic development 10 1.3 Establishment and removal of H3K4me3 10 1.3.1 Set1 homologs - Set1a and Set1b 11 1.3.2 Trithorax homologs - Mll1 and Mll2 11 1.3.3 Homologs of Trithorax-related - Mll3 and Mll4 13 1.3.4 COMPASS complex proteins 13 1.3.5 H3K4me3 removal 14 1.4 Transcription activation in embryos 14 1.4.1 Zebrafish early embryonic development 15 1.4.2 H3K4me3 during early zebrafish development 17 1.5 Thesis aim 17 2 Materials and Methods 19 2.1 Materials 19 2.2 Methods 36 2.2.1 Zebrafish husbandry and care 36 2.2.2 Generation of zebrafish knock-out lines by TALEN mutagenesis 36 2.2.3 Generation of plasmids for mRNA production 38 2.2.4 Microinjection 39 2.2.5 Germline transplantation 39 2.2.6 Western Blot Assays 40 2.2.7 RNA extraction and quantification assays 41 2.2.8 Chromatin immunoprecipitation (ChIP) 43 2.3 Bioinformatics Analyses 46 2.3.1 Quality control, alignment and peak calling 46 2.3.2 Lambda normalization 46 2.3.3 Differential ChIP enrichment analysis 47 2.3.4 Data integration 47 2.3.5 Gene classification 48 3 Results I: H3K4me3 interference by Histone methyltransferase mutation 49 3.1 Generation and phenotypic description of histone methyl-transferase mutants 49 3.1.1 HMT TALEN mutagenesis workflow 49 3.1.2 Ash2l TALEN mutation does not result in a larval or adult phenotype 52 3.1.3 Mll2 mutation results in increased larval mortality, while adult fish are healthy and fertile 54 3.1.4 Mll1 mutation results in increased larval mortality and a severe adult phenotype 56 3.2 HMT mutations do not affect global H3K4me3 levels in early zebrafish embryos 60 3.3 Mll1 mutation results in local H3K4me3 reduction of a small subset of genes 62 3.4 Early embryonic transcription is not altered in mll1 maternal-zygotic mutants 67 3.5 Conclusion 70 4 Results II: H3K4me3 interference by introduction of HMT inhibitors 71 4.1 Establishing a Western Blot assay to monitor H3K4me3 reduction 71 4.2 Overexpression of H3K4-specific histone demethylases does not result in global H3K4me3 reduction 73 4.3 Global reduction of H3K4me3 could not be achieved by small-molecule inhibition of HMT activity 75 4.4 Overexpression of K4-specific methylation-defective H3 results in global H3K4me3 reduction 76 4.4.1 Overexpression of H3K4-to-E constructs does not affect global H3K4me3 establishment 76 4.4.2 H3K4-to-M constructs act as dominant-negative substrate for H3K4me3 establishment 77 4.5 H3K4me3 levels at gene promoters are reduced upon introduction of methylation-defective Histone H3 79 4.6 Early transcription activation is not altered upon K4M overexpression 88 4.7 Conclusion 92 5 Results III: Promoters rich in CpG and H2A.z gain H3K4me3 early 93 5.1 H3K4me3 levels increase over developmental time at all gene classes 93 5.2 H3K4me3 is gained at CpG-rich elements 98 5.3 H2A.z marks overlaps with H3K4me3 at promoters of non-transcribed genes 100 5.4 High CpG density and H2A.z enrichment are predictive for H3K4me3 establishment 101 5.5 Maternally provided genes are enriched for H2A.z and CpG content 103 5.6 Conclusion 104 6 Discussion 105 6.1 Neither Mll1 nor Mll2 are the main histone methyltransferase for H3K4me3 establishment in early zebrafish development 106 6.2 H3K4me3 reduction does not affect transcription initiation during genome activation 107 6.3 The timing of H3K4me3 establishment might be determined by a permissive chromatin state 109 6.4 H3K4me3 potentially gains importance during later developmental stages 111 6.5 CpG-content and H2A.z enrichment might be predictive for H3K4me3 establishment during genome activation 112 6.6 Conclusion 115 Appendix 117 Bibliography 139 Authorship Declaration 159 / Jede Zelle eines multizellulären Organismus enthält dieselbe Erbinformation, und doch können Form und Funktion von Zellen untereinander sehr unterschiedlich sein. Diese Diversität wird durch unterschiedliches Auslesen - Transkribieren - der Erbinformation erreicht. Embryogenese beschreibt den Prozess, der aus einer einzelnen Zelle - der Zygote - einen multizellulären Embryo entstehen lässt. Interessanterweise laufen frühe Stadien der Embryogenese ohne Transkription der embryonalen Erbinformation ab, sondern werden durch maternal bereitgestellte Faktoren ermöglicht. Erst nach einer spezies-spezifischen Entwicklungsphase wird das Erbgut der Zygote aktiv transkribiert und ermöglicht die weitere Embryonalentwicklung. Obwohl bereits wichtige Regulatoren dieser globalen Genomaktivierung identifiziert werden konnten, sind viele molekulare Mechanismen, die zur Aktivierung des zygotischen Genoms beitragen, bisher unbekannt. In der hier vorliegenden Doktorarbeit habe ich die Rolle von Histon H3 Lysin 4 Trimethylierung (H3K4me3) während der frühen Embryogenese des Zebrafischs untersucht. H3K4me3 ist eine Chromatinmodifikation, die mit aktiver Transkription in Verbindung gebracht wird. H3K4me3 ist an Transkriptions-Start-Stellen von aktiv ausgelesenen Genen angereichert und es wird vermutet, dass diese Modifikation das Binden von Transkriptionsfaktoren und der Transkriptionsmaschinerie erleichtert. Während meiner Arbeit habe ich durch Mutation verschiedener Histon-Methyltransferasen beziehungsweise die Überexpression eines dominant-negativen Histonsubstrats versucht, die Etablierung von H3K4me3 in frühen Entwicklungsstadien des Zebrafischs zu verhindern. Anschliessend habe untersucht, welchen Effekt H3K4me3-Reduktion auf Tranksriptionsaktivität entsprechender Gene hat. Allerdings konnte ich keinen Zusammenhang zwischen H3K4me3-Reduktion und Transkriptionsaktivität beobachten. Um herauszufinden, weshalb H3K4me3 dennoch während früher Embryonalstadien etabliert wird, habe ich nachfolgend untersucht, ob möglicherweise bestimmte DNASequenzen oder Chromatin-Modifikationen zur Etablierung von H3K4me3 wahrend der Embryogenese des Zebrafischs beitragen. Aus der hier vorliegenden Arbeit lässt sich schlussfolgern, dass H3K4me3 in Tranksriptionsaktivierung während früher Embryonalstadien des Zebrafischs nicht involviert ist. Möglicherweise wird H3K4me3 in diesen Stadien in einer permissiven Chromatinumgebung etabliert, bevorzugt an Promotoren mit starker H2A.z-Anreicherung und CpG-reichen DNA-Elementen.:Frontmatter II Acknowledgements VII Thesis Summary (English) IX Thesis Summary (German) X Table of Contents XIV List of Figures XVI List of Tables XVII List of Abbreviations XXIII 1 Introduction 1 1.1 Transcription regulation 2 1.1.1 Promoter elements - genetic information that guides transcription initiation 2 1.1.2 Enhancers - fine-tuning of transcription by distal DNA elements 3 1.1.3 CpG islands - DNA sequences that allow for epigenetic regulation 4 1.2 Chromatin 4 1.2.1 Histone variants 7 1.2.2 Posttranslational histone modifications 7 1.2.3 Histone Lysine methylation 8 1.2.4 H3K4me3 in embryonic development 10 1.3 Establishment and removal of H3K4me3 10 1.3.1 Set1 homologs - Set1a and Set1b 11 1.3.2 Trithorax homologs - Mll1 and Mll2 11 1.3.3 Homologs of Trithorax-related - Mll3 and Mll4 13 1.3.4 COMPASS complex proteins 13 1.3.5 H3K4me3 removal 14 1.4 Transcription activation in embryos 14 1.4.1 Zebrafish early embryonic development 15 1.4.2 H3K4me3 during early zebrafish development 17 1.5 Thesis aim 17 2 Materials and Methods 19 2.1 Materials 19 2.2 Methods 36 2.2.1 Zebrafish husbandry and care 36 2.2.2 Generation of zebrafish knock-out lines by TALEN mutagenesis 36 2.2.3 Generation of plasmids for mRNA production 38 2.2.4 Microinjection 39 2.2.5 Germline transplantation 39 2.2.6 Western Blot Assays 40 2.2.7 RNA extraction and quantification assays 41 2.2.8 Chromatin immunoprecipitation (ChIP) 43 2.3 Bioinformatics Analyses 46 2.3.1 Quality control, alignment and peak calling 46 2.3.2 Lambda normalization 46 2.3.3 Differential ChIP enrichment analysis 47 2.3.4 Data integration 47 2.3.5 Gene classification 48 3 Results I: H3K4me3 interference by Histone methyltransferase mutation 49 3.1 Generation and phenotypic description of histone methyl-transferase mutants 49 3.1.1 HMT TALEN mutagenesis workflow 49 3.1.2 Ash2l TALEN mutation does not result in a larval or adult phenotype 52 3.1.3 Mll2 mutation results in increased larval mortality, while adult fish are healthy and fertile 54 3.1.4 Mll1 mutation results in increased larval mortality and a severe adult phenotype 56 3.2 HMT mutations do not affect global H3K4me3 levels in early zebrafish embryos 60 3.3 Mll1 mutation results in local H3K4me3 reduction of a small subset of genes 62 3.4 Early embryonic transcription is not altered in mll1 maternal-zygotic mutants 67 3.5 Conclusion 70 4 Results II: H3K4me3 interference by introduction of HMT inhibitors 71 4.1 Establishing a Western Blot assay to monitor H3K4me3 reduction 71 4.2 Overexpression of H3K4-specific histone demethylases does not result in global H3K4me3 reduction 73 4.3 Global reduction of H3K4me3 could not be achieved by small-molecule inhibition of HMT activity 75 4.4 Overexpression of K4-specific methylation-defective H3 results in global H3K4me3 reduction 76 4.4.1 Overexpression of H3K4-to-E constructs does not affect global H3K4me3 establishment 76 4.4.2 H3K4-to-M constructs act as dominant-negative substrate for H3K4me3 establishment 77 4.5 H3K4me3 levels at gene promoters are reduced upon introduction of methylation-defective Histone H3 79 4.6 Early transcription activation is not altered upon K4M overexpression 88 4.7 Conclusion 92 5 Results III: Promoters rich in CpG and H2A.z gain H3K4me3 early 93 5.1 H3K4me3 levels increase over developmental time at all gene classes 93 5.2 H3K4me3 is gained at CpG-rich elements 98 5.3 H2A.z marks overlaps with H3K4me3 at promoters of non-transcribed genes 100 5.4 High CpG density and H2A.z enrichment are predictive for H3K4me3 establishment 101 5.5 Maternally provided genes are enriched for H2A.z and CpG content 103 5.6 Conclusion 104 6 Discussion 105 6.1 Neither Mll1 nor Mll2 are the main histone methyltransferase for H3K4me3 establishment in early zebrafish development 106 6.2 H3K4me3 reduction does not affect transcription initiation during genome activation 107 6.3 The timing of H3K4me3 establishment might be determined by a permissive chromatin state 109 6.4 H3K4me3 potentially gains importance during later developmental stages 111 6.5 CpG-content and H2A.z enrichment might be predictive for H3K4me3 establishment during genome activation 112 6.6 Conclusion 115 Appendix 117 Bibliography 139 Authorship Declaration 159

Photokatalytische Systeme sind in der Lage, lichtinduziert kleine Moleküle zu aktivieren. Für diesen komplexen Katalysevorgang ist ein Zusammenspiel mehrerer Komponenten wichtig, wie dem Photosensibilisator (PS) und dem Katalysator. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde auf verschiedenen Wegen versucht, photokatalytische Systeme auf Basis von Rhenium und 3d-Metallen zu optimieren. So konnten neue Komplexe auf Rheniumbasis synthetisiert und charakterisiert werden, welche zugleich als Photosensibilisator sowie Katalysator fungieren. Die Komplexe zeigen dabei nicht nur eine höhere Absorption, sondern auch eine höhere katalytische Produktivität, als deren mononuklearer Verwandte. Mittels DFT-Rechnungen und spektroskopischen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass ein kooperativer Vorgang stattfindet, bei dem eine Rheniumeinheit als PS, und eine als Katalysator agiert. Durch Zugabe eines externen PS konnte die katalytische Produktivität nochmals deutlich erhöht werden. Durch den zusätzlichen PS wird intermediär eine Rhenium-Rhenium-Spezies ausgebildet, welche CO2 kooperativ über beide Rheniumeinheiten aktivieren kann. Neben literaturbekannten PS auf Iridiumbasis wurden zudem neuartige Kupferphotosensibilisatoren genutzt. Verschiedene Derivate des Kupferphotosensibilisators wurden in der CO2-Reduktion und H2-Produktion getestet. Es zeigte sich, dass verschiedene elektronische Eigenschaften der PS Auswirkungen auf die Katalyseproduktivität haben. Zusätzlich wurden Katalysatoren auf Basis von 3d-Metallen konzipiert, welche abhängig von einem zusätzlichen PS sind. Bestrahlungsexperimente mit Iridium- und Kupfer-PS wurden durchgeführt und somit die Produktivität der einzelnen Katalysatoren bestimmt. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl die Wahl des Liganden, als auch des Katalysatormetalls Einfluss auf Menge und Selektivität der Produkte hat. / Photocatalytic systems are capable of light-induced activation of small molecules. Among other things, this allows CO2 to be reduced to higher-energetic molecules. The interaction of several components, such as the photosensitizer (PS) and the catalyst, is important for this complex catalysis process. In this dissertation, attempts were made to optimize systems based on rhenium and 3d metals in various ways. One approach was to synthesize and characterize new rhenium-based complexes, which can act as PSs and catalysts at the same time. The complexes showed not only higher absorption but also higher catalytic activity than their mononuclear relative. Using DFT calculations and spectroscopic investigations, it was shown that a cooperative process takes place, in which one rhenium unit acts as a PS and one as a catalyst. By adding an external PS, the activity was significantly increased again. This forms a rhenium-rhenium species which is able to activate CO2 cooperatively via both rhenium units. In addition to iridium-based PS known from the literature, novel copper photosensitizers were also used for this purpose. In order to get a better understanding of the interaction of both components, different derivatives of the copper photosensitizer were tested in the activity towards CO2 reduction and H2 evolution reaction. The electronic influence of the PS on the catalytic activity could be elucidated by means of Stern-Vollmer quenching studies and DFT calculations. In addition, catalysts based on 3d metals were designed. Iron, cobalt and nickel were used as the central atom together with two different macrocyclic ligands. These monomolecular compounds are dependent on a PS. Furthermore, irradiation experiments with iridium and copper PS were carried out and the activity of the individual catalysts was thereby determined. It was shown that the choice of the ligand as well as the catalyst has an influence on the quantity and selectivity of the resulting products.

Zwischen neuronaler und glialer Aktivierung, dem Energiemetabolismus und dem zerebralen Gefäßbett besteht eine enge Beziehung - als Phänomen der neurometabolischen und neurovaskulären Kopplung bekannt. Diese Korrelation von elektrischer und metabolischer Aktivität sowie dem regionalen zerebralen Blutfluß besteht räumliche und zeitliche fokussiert und ist charakteristisch für das Gehirn. Das Verständnis um die Mechanismen und Mediatoren der neurovaskulären Kopplung ist von grundlegender Bedeutung für die korrekte Interpretation moderner bildgebender Verfahren im klinischen Einsatz. Ein Schwerpunkt der Untersuchungen lag in der Überprüfung der Hypothese eines frühen Sauerstoff-oder Glukose-Mangels im Gewebe unter funktioneller Stimulation als mögliches primäres Signal für eine nachfolgende vaskuläre Antwort. Anhand der Befunde kann jedoch ausgeschlossen werden, daß ein möglicherweise kurzzeitig auftretender Substratmangel im Gewebe registriert wird, und auf diesem Wege die Blutflußantwort auf funktionelle Stimulation initiiert wird. Die Frage nach dem eigentlichen Signal für die Blutflußantwort und dem primären Ort der Regulation (Arteriole, Kapillare, Venole) bleibt weiterhin ungeklärt. Die qualitative wie auch quantitative Charakterisierung des Verlaufs der Blutfluß- und Blutoxygenierungsveränderungen unter somatosensorischer Stimulation bildet die Grundlage für die Untersuchung von Veränderungen dieses Musters unter pathophyiologischen Bedingungen als sogenannter Fingerabdruck spezifischer zerebraler Schädigungen. Im Rahmen des zweiten Schwerpunkts beschäftigt sich vorliegende Arbeit mit der Rolle des Bioradikals Stickstoffmonoxid (NO) bei der neurovaskulären Kopplung. Ein im kortikalen Gewebe physiologisch vorhandener basaler NO Spiegel moduliert über die Bereitstellung einer basalen cyclischen Guanosin-3',5'-Monophosphat (cGMP) Konzentration vornehmlich in glatten Gefäßmuskelzellen die Reaktivtät zerebraler Gefäße sowohl auf globale vasodilatatorische Stimuli wie die Hyperkapnie als auch auf funktionelle Aktivität wie die Whisker-Stimulation der Ratte. Da die Bereitstellung des basalen NO / cGMP Spiegels im zerebralen Gewebe für physiologische vaskuläre Antworten von grundlegender Bedeutung ist, ist zu erwarten, daß eine Störung desselben durch pathophysiologische Vorgänge weitreichende Folgen für die adequate Versorgung aktivierter Hirnareale haben dürfte. / A tight relation exists between neuronal and glial cell activation, cerebral energy metabolism, and cerebral vasculature - a phenomenon known as neurometabolic and neurovascular coupling. The correlation of electrical and metabolic activity, and regional cerebral blood flow occurs at high temporal and spatial resolution, and is characteristic for the brain. We need to understand the physiology of neurometabolic and neurovascular coupling to fully exploit the potential of modern functional brain imaging, which utilizes vascular responses to map brain activity. Therefore, understanding the signalling cascade of regional vasodilation due to functional activation is of great importance. In the present work, we have shown that there is no evidence neither for an early deoxygenation nor for an early decrease in glucose concentration in the tissue at the onset of increased neuronal activity. The first event inducing regional cerebral blood flow increase as well as the vascular compartment, at which vasodilation starts (arteriole, capillary, venule), is still not known so far and has to be further investigated. In disease neurovascular coupling may be disturbed, while this disturbance may itself further contribute to tissue damage. Therefore a thorough elucidation of the physiology and pathophysiology of neurometabolic and neurovascular coupling may contribute to the development of treatment strategies in acute and chronic CNS disorders. Beside the mechanisms, little is known concerning the mediators of neurovascular coupling. The involvement of the highly diffusible vasodilator bioradical nitric oxide (NO) in the regulation of regional cerebral blood flow is widely accepted. In the present work, it has been shown that NO acts as a modulator rather than a mediator of vascular relaxation due to functional activation or systemic hypercapnia in the cerebral cortex, permitting vasodilation mediated by other agents. This modulation mainly occurs via a basal cyclic guanosin-3',5'-monophosphate (cGMP) production within the vascular smooth muscle cell. The basal modulatory concentration of NO / cyclic GMP may be disturbed during cerebrovascular disease, leading to a mismatch of regional cerebral blood flow and metabolic demand.

Kleine Moleküle wie Treibhausgase, aber auch Distickstoff und Disauerstoff stehen im Fokus der chemischen Forschung. Solche Moleküle sind durch ihr Vorkommen in der Atmosphäre ubiquitär vorhanden, preiswert und könnten als Synthesebausteine für die Darstellung von komplexeren Molekülen verwendet werden. In dieser Arbeit wurde die Reaktion koordinativ ungesättigter Diketiminato-Nickelkomplexe ([LNi] Komplexe) mit kleinen Molekülen untersucht. Zunächst wurden die Mechanismen der N2-Aktivierung durch reduzierte [LtBuNiI]- und [LMe6NiI] Komplexe miteinander verglichen. Dabei konnte das distickstoffaktivierende Schlüsselintermediat identifiziert und strukturell charakterisiert werden. Weiter wurden die N2-Komplexe [(LtBuNiI)( 1 1 N2)] bzw. K2[(LtBuNiI)( 1 1 N2)], die Vorläufer für [LNiI]- und [LNi0]– Komplexfragmente darstellen, hinsichtlich ihrer Potentials zur Aktivierung der reaktionsträgen Treibhausgase SF6 und NF3 untersucht. Über Reaktionen von Übergangsmetallkomplexen mit NF3 war bis dahin noch nicht berichtet worden; zur Umsetzung von SF6 existierten wenige Publikationen, in denen aber sehr viele mechanistische Fragen offengeblieben sind. Die Mechanismen der SF6- und NF3-Aktivierung wurden durch Kombination einer Vielzahl von ex- und in situ Analysen beleuchtet. Im Falle der SF6 Aktivierung gelang es zudem, ein Nickel(I)-Intermediat zu isolieren. Ein Produkt beider Systeme war der Fluorido-Nickel(II)-Komplex [LtBuNiIIF], dessen Reaktionsverhalten ebenfalls studiert wurde. Doch nicht nur Komplexe mit Nickelatomen in niedrigen Oxidationsstufen erwiesen sich für die Aktivierung kleiner Moleküle geeignet, sondern auch kationische [LtBuNiII(D)]+-Komplexe. Diese Nickel(II)-Komplexe reagierten mit fluorierten Molekülen, N2O sowie O2, was bemerkenswert ist, da Nickel(II)-Komplexe üblicherweise inert gegenüber O2 sind. Im Zuge der O2-Studien wurde ein metastabiler Oranoperoxidkomplex isoliert und strukturell charakterisiert, was beispiellos in der Literatur ist. / Current research focuses on the activation of small molecules like greenhouse gases, thermodynamically stable molecules like N2 and kinetically stabilized molecules like O2, which are all abundant in the atmosphere. Thus, it appears to be alluring to use them as cheap and readily available building blocks for the synthesis of value-added compounds. This dissertation deals with the reaction of low-coordinate diketiminate nickel complexes [LNi] and such small molecules. Initially, the mechanisms of the dinitrogen activation by reduced [LtBuNiI] and [LMe6NiI] complexes were studied. As a result, the key intermediate [(LtBuNiI)x(3 Br)xKx] (x > 1) was identified and structurally characterized. Subsequently, the nickel complexes [(LtBuNiI)( 1 1 N2)] and K2[(LtBuNiI)( 1 1 N2)], which represent sources for [LtBuNiI] and [LtBuNi0]– moieties, were applied to the activation of the inert, but very efficient greenhouse gases SF6 and NF3. Prior to these investigations, no transition metal complex had been reported to react with NF3. Publications dealing with the conversion of SF6 had been scarce, too, while at same time, the mechanisms involving its activation had been speculative. The mechanisms of the NF3 and SF6 activation reactions were deduced combining numerous ex-situ and in situ analytical methods. In case of the SF6 activation, even an intermediate could be isolated. In both systems, the nickel fluoride complex [LtBuNiIIF] was formed and its reaction behaviour was also studied. Furthermore, not only [LtBuNiI]- and [LtBuNi0]– moieties proved to be reactive towards small molecules, but also cationic [LtBuNiII(D)]+ complexes, which were specifically developed for this purpose. The reactions of [LtBuNiII(D)]+ complexes with fluorinated molecules (e. g. PhF, NF3), O2 and N2O were studied. In course of the O2 activation, a metastable organoperoxide complex was isolated and structurally characterized, which is unparalleled in the literature.