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Die Plasmamembran lebender Zellen stellt die Hauptbarriere für alle Arten von extrazellulären Signalen dar. Viele davon werden ins Innere der Zelle weitergeleitet, hier lösen sie im Kern transkiptionelle Veränderungen und damit die Anpassung der Zelle auf Proteinebene aus. Andere wiederum werden direkt erkannt und in unmittelbare molekulare Antworten umgewandelt, wie zum Beispiel die Sekretion von gespeicherten Stoffen oder Konformations-änderungen von Proteinen. Besonders in Pflanzen, welche durch ihre sesshafte Lebensweise auf die rechtzeitige und spezifische Erkennung von Umweltveränderungen angewiesen sind, hat sich ein höchst diverses Rezeptorsystem entwickelt. In der Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana, der in dieser Arbeit verwendeten Modellpflanze, wurden 610 verschiedene Rezeptorproteine identifiziert, welche wiederum von zahlreichen interagierenden, und bis jetzt weitestgehend unerforschten Proteinen reguliert werden. Als entscheidendes Prinzip, dieses Aufgebot an membran-gebundenen Komponenten von Signalkaskaden zu organisieren, gilt inzwischen die zeitliche und lokale Kompartimentierung der Plasmamembran. Durch Akkumulation relevanter Bestandteile von biologischen Prozessen in sogenannten Membrandomänen werden kurze Reaktionszeiten und die unmittelbare Signalweiterleitung garantiert. Besonders wichtig bei solchen Prozessen sind sogenannte Gerüstproteine, welche als Adaptoren zwischen anderen Komponenten fungieren. In dieser Arbeit wurden Remorine, eine Familie pflanzenspezifische Proteinen ohne bisher definierte Funktion, aufgrund ihrer Eigenschaft Membrandomänen zu markieren und ihrer mutmaßlichen Beteiligung an Pflanzen-Pathogen-Interaktionen, genauer untersucht. Eine systematische Expression von Remorinen als Fluorophor-Fusionen mit anschließender hochauflösender mikroskopischer und quantitativer Untersuchung offenbarte, dass die meisten Remorine sich in deutlich unterschiedlichen Mustern an der Membran verteilen. Untersucht wurden dabei Parameter wie die Größe der erkennbaren Domänen, die Form, die Helligkeit, aus welcher auf die Proteinkonzentration rückgeschlossen werden kann, sowie die Domänendichte an der Membran. Diese Ergebnisse wurden von Kolokalisationsanalysen unterstützt, welche die Lokalisation in unterschiedlichen, koexistierenden Membrankompartimenten erkennen ließen. Ferner wurden die Eigenschaften der von Remorinen markierten Membrandomänen, wie zum Beispiel der Austausch an Proteinen mit der umgebenden Membran, sowie lokale und zeitliche Dynamik und Stabilität untersucht. Dabei konnte eine hohe Fluktuation einzelner Proteine zwischen Domäne und umliegender Membran, jedoch eine klare laterale Immobilität der gesamten Domäne nachgewiesen werden. Zusätzlich zeichneten sich die untersuchten Domänen teilweise durch eine außerordentlich große zeitliche Stabilität aus, andere wiederum scheinen abhängig von bestimmten Stimuli zu entstehen. Weitergehende Arbeiten dienten der Identifizierung der Funktion einzelner Bereiche der Proteine. Hierbei konnte die entscheidende Rolle des äußersten C-terminalen Bereichs, des so- genannten RemCAs (Perraki et al., 2012; Konrad et al., 2014) als Membrananker bestätigt werden. Zusätzlich wurden mit Hilfe eines Hefe-2-Hybrid Ansatzes zahlreiche neue Interaktoren für eine Auswahl von Remorinen identifiziert. Dabei wurde ein essentieller Rezeptor der basalen Immunantwort, BAK1 als Interaktor für Remorin 6.4 gefunden. Zuletzt wurden einige wenige Remorine mit Hilfe von Mutantenlinien in einer genetischen Studie phänotypischen Analysen bezüglich ihrer Funktion bei Pflanzen-Pathogen Interaktionen unterzogen. Remorin 6.4 spielt hiernach eine Rolle bei der Immunantwort nach Befall mit virulenten Bakterien. Die grundlegende Erkenntnis, dass in lebenden Zellen zahlreiche klar unterscheidbare Arten an Membrandomänen koexistieren, ist ein Meilenstein auf dem Weg zur Anerkennung einer neuen Vorstellung vom Aufbau der Zytoplasmamembran. Diese wird häufig noch als undifferenzierte zweidimensionale Flüssigkeit beschrieben, in welcher stellenweise sogenannte Lipidflöße, festere Strukturen aus Cholesterin und Sphingolipiden, die auch bestimmte Proteine beherbergen können, auftreten. Anhand der in dieser Arbeit gewonnen Ergebnisse, sowie ähnlicher Studien in Hefe lässt sich nun folgendes Bild zeichnen: Es ist davon auszugehen, dass unterschiedliche Proteine, welche im selben biologischen Prozess involviert sind, in unmittelbarer Nachbarschaft oder sogar im selben Proteinkomplex in der Membran organisiert sind. Die Lipidzusammensetzung in der unmittelbaren Umgebung wird von diesen Proteinen bestimmt, bietet jedoch auch die Grundlage für die Bildung der Domäne, indem sie die Lokalisation der Komponenten in diesem Bereich fördert. Die zahlreichen an der Zellmembran gleichzeitig ablaufenden, unterschiedlichen Prozesse erfordern eine hochkomplexe, zeitlich und räumlich stark regulierte Kompartimentierung der Membran. Es kann vermutet werden, dass Remorine eine Rolle als Gerüstproteine bei der Ausbildung einer Auswahl dieser Domänen bilden. Im Fall von Remorin 6.4 ist das Protein für den Prozess der Flagellin-Erkennung und die unmittelbaren Abwehrantworten, welche nachweislich eine Präformierung der beteiligten Proteinkomplexe voraussetzen, notwendig.

Fluorescent protein sensors have gained great importance in research as they exhibit a number of advantages over synthetic dyes. They can be targeted precisely, large populations of cells can be imaged simultaneously, and they allow for chronic imaging approaches. Many of them however still suffer from comparably low signal changes. Improving fluorescent protein sensors can be tedious and time-consuming. For this reason, great efforts have been made not only to improve existing sensors, but also to develop better strategies to improve them. In this work, a novel large-scale bacterial based screening assay was established to complement rational design. Sensor expression, stimulation, and screening in bacteria, as well as the handling of large amounts of data created by such a screening assay were optimized. While the new assay can be adapted for other applications, it is especially well suited for the screening of genetically encoded Ca2+ indicators of the basis of FRET (Förster Resonance Energy Transfer). We used the assay to optimize such sensors, utilizing the Ca2+ binding protein Troponin C fused between the fluorescent proteins ECFP and cpCitrine. The resulting ‘Twitch’ sensor series exhibited a large dynamic range of up to 1000% FRET ratio change, great sensitivity and fast kinetics. In a second approach, we attempted to develop a similar sensor deploying red-shifted fluorescent proteins. To this end, further screening was conducted to optimize the orange fluorescent protein mKOκ for FRET, and a FRET sensor deploying mKOκ. The sensor we developed utilized troponin C and the fluorescent protein Dreiklang (photoswitchable) in addition to mKOκ. It was bright and exhibited a FRET ratio change of approximately 170%. In summary, the screening procedures presented in this thesis, will facilitate the development of a range of genetically encoded biosensors, and were already employed to develop a number of highly effective Ca2+ FRET indicators.

Today’s pervasive presence of stress renders stress-related psychiatric disorders (SRPDs), a relevant global health problem. Memory impairment is a major symptom likely mediated by the hippocampus (HIP), a limbic brain region highly vulnerable to stress. Recent evidence suggests that information processing problems within specific neuronal networks might underlie SRPDs. However, the precise functional neurocircuitry that mediates hippocampal CA1 long-term potentiation (LTP), a putative correlate of mammalian learning and memory, remains unknown at present. Furthermore, valuable assays for studying stress and drug effects on polysynaptic activity flow through the classical input/output circuit of the HIP are missing. To engage a circuit-centered approach, voltage-sensitive dye imaging was applied in mouse brain slices. Single pulse entorhinal cortex (EC) to dentate gyrus (DG) input, evoked by perforant path stimulation, entailed strong neuronal activity in the DG, but no distinct neuronal activity in the CA3 and CA1 subfield of the HIP. In contrast, a thetafrequency (5 Hz) stimulus train induced waves of neuronal activity percolating through the entire hippocampal trisynaptic circuit (HTC-waves). Spatially restricted blocking of glutamate release at CA3 mossy fiber synapses caused a complete disappearance of HTC-waves, suggesting frequency facilitation at DG to CA3 synapses the pivotal gating mechanism. In turn, non-theta frequency stimulations (0.2/1/20 Hz) proved much less effective at generating HTC-waves. CA1 long-term potentiation (CA1 LTP) is the best understood form of synaptic plasticity in the brain, but predominantly at the monosynaptic level. Here, HTC-waves comprise high-frequency firing of CA3 pyramidal neurons (>100 Hz), inducing NMDA receptordependent CA1 LTP within a few seconds. Detailed examination revealed the existence of an induction threshold for LTP. Consequently, baseline recordings with a reduced number of HTC-waves were carried out to test the effects of memory enhancing drugs and HPA axis hormones on hippocampal network dynamics. Bath application of caffeine (5 mM), corticosterone (100 nM) and corticotropin-releasing hormone (5 & 50 nM) rapidly boosted HTC-waves. Cognitive processes taking place within the HIP are challenged by stress exposure, but whether and how chronic stress shapes "net" neuronal activity flow through the HIP remains elusive. The HTC-wave assay, refined for group comparisons, revealed that chronic stress markedly lowers the strength of evoked neuronal activity propagation through the hippocampal trisynaptic circuit. In contrast, antidepressants (ADs) of several classes, the mood stabilizer lithium, the anesthetic ketamine, and the neurotrophin brainderived neurotrophic factor amplified HTC-waves. An opposite effect was obtained with the antipsychotic haloperidol and the anxiolytic diazepam. The tested ADs exert this effect at low micromolar concentrations, but not at 100 nM, and nearly always, also not at 500 nM. Furthermore, the AD fluoxetine was found to facilitate LTP of HTC-waves. Finally, pharmacological blockade of the tyrosine-related kinase B receptor abolished fluoxetine effects on HTC-waves. These results highlight a circuit-centered approach suggesting evoked synchronous theta rhythmical firing of EC principal cells as a valuable tool to investigate several aspects of neuronal activity flow through the HIP. The physiological relevance is emphasized by the finding that the resulting HTC-waves, which likely occur during EC theta oscillations, evoke NMDA receptor-dependent CA1 LTP within a few seconds. Furthermore, HTC-waves allow to integrate molecular, cellular and structural adaptations in the HIP, pointing to a monoaminergic neurotransmission-independent, "circuit-level" mechanism of ADs, to balance the detrimental effects of chronic stress on HIP-dependent cognitive abilities.

Durch Fehler entstandene tetraploide Zellen sind chromosomal instabil und können zu Zelltransformation führen. Die Beweise verdichten sich, dass die Propagation von tetraploiden Säugetierzellen durch einen p53-vermittelten Arrest eingeschränkt wird; jedoch ist weiterhin unklar, was die Ursache dieses p53-vermittelten Arrests ist. Um die Ursache des p53-vermittelten Arrests zu identifizieren, wurden individuelle Zellen mittels zeitraffender Mikroskopie in Echtzeit verfolgt. Neu entstandene tetraploide Zellen können einen Zellzyklus vollenden, aber die Mehrzahl der Zellen starb oder verharrte in einem Arrest in der folgenden G1-Phase, abhängig davon ob die vorangegangene Mitose fehlerfrei verlief oder nicht. Tochterzellen, denen eine fehlerhafte Mitose voranging, akkumulierten p53 im Zellkern, was zum Zelltod oder einem irreversiblen Zellzyklusarrest führte. Es zeigte sich durch den Anstieg von 8-OHdG, einem Indikator für oxidative DNA Schädigung, dass tetraploide Zellen durch die vermehrten fehlerhaften Mitosen höheren Konzentrationen von reaktiven oxidativen Spezien (ROS) ausgesetzt sind. Der Anstieg von 8-OHdG korrelierte mit der p53-Akkumulation im Zellkern. Da keine vermehrte Phosphorylierung des Histons H2AX (γ-H2AX), ein Marker für DNA-Strangbrüche, detektiert wurde, lässt sich schlussfolgern, dass ROS entscheidend für den p53 vermittelten Arrest verantwortlich sind. Mehrere p53-aktivierende Kinasen wurden mittels RNA Interferenz (RNAi) und chemischer Genetik untersucht, ob sie einen Einfluss auf den Zellzyklusarrest von tetraploiden Zellen haben. Von den getesteten Kinasen hatte nur ATM einen Einfluss auf die Aktivierung von p53 nach fehlerhaften tetraploiden Mitosen. Zwar wird ATM in der Regel durch DNA-Schäden aktiviert, jedoch wurde bereits zuvor gezeigt, dass ATM auch durch erhöhte ROS Konzentrationen aktiviert werden kann. Um die Zusammenhänge des Zellzyklusarrests weiter aufzuklären, wurde ein genomübergreifender esiRNA Screen etabliert, der die Zellproliferation nach induzierter Tetraploidisierung analysiert. Durch Kombination der Zellzyklusanalyse an Hand des DNA-Gehalts zusammen mit den FUCCI-Zellzyklusindikatoren, konnten tetraploide und diploide Zellen nebeneinander mikroskopisch analysiert werden, ohne zuvor tetraploide und diploide Zellen isolieren zu müssen. Dieser neue experimentelle Ansatz ermöglichte die Identifikation von Genen, die spezifisch die Proliferation von tetraploiden Zellen verstärken oder einschränken Im Primärscreen wurden 1159 Gene identifiziert, deren Inhibition die Proliferation einschränken. Weiter wurden 431 Gene identifiziert, deren Inhibition die Proliferation der tetraploiden Zellen verstärken. Von den 431 Genen, deren Inhibition die Proliferation verstärken, wurden 371 Gene einem Konfirmationsscreen unterzogen, in dem 158 der identifizierten 371 Gene bestätigt wurden. Die bioinformatische Analyse der 158 Gene zeigte eine signifikante Anhäufung von Genen, die mit DNA-Replikation, dem kanonischen Wnt-Signalweg oder mit Tumorsignalwegen assoziiert sind. Unter letzteren ist CCDC6 sehr interessant, da dessen Genprodukt durch ATM phosphoryliert wird und nachgeschaltet den Tumorsuppressor 14-3-3σ reguliert. Des weiteren wurden mittels einer Meta Analyse der Ergebnisse des Primärscreens, zusammen mit den Daten aus dem “Project Achilles”, welches genomweit den Effekt von shRNA-vermittelter Geninhibition auf die Proliferation von 108 Krebszelllinien untersuchte, 18 Gene identifiziert, deren Inhibition sowohl die Proliferation von tetraploiden Zellen einschränkt, als auch die Proliferation von Zelllinien hemmt, welche von Krebsarten stammen, die zu meist chromosomale Instabilitäten (CIN) aufweisen. Damit bilden die präsentierten Daten nicht nur eine gute Basis zur Aufklärung des Zellzyklusarrests tetraploider Zellen, sondern auch für die Identifikation neuer potentieller Zielmoleküle, welche benutzt werden können um Tumorerkrankungen mit chromosomaler Instabilität zu behandeln, welche häufig resistent gegen die bislang verfügbaren Behandlungen sind. / Erroneously arising tetraploid mammalian cells are chromosomally unstable and may facilitate cell transformation. An increasing body of evidence suggests that the propagation of mammalian tetraploid cells is limited by a p53-dependent arrest, however, the triggers of this arrest have thus far not been identified. To elucidate the timing and causes of this arrest, time-lapse live cell imaging was performed to track the fate of individual cells immediately after tetraploidization. Newly formed tetraploid cells can progress through one cell cycle, but the majority of cells arrest or die in the subsequent G1 stage, with the fate of these tetraploid cells determined by the preceding mitosis. Daughter cells arising from defective mitosis accumulated p53 in the nucleus, which led to irreversible cell cycle arrest or death. Furthermore this p53 accumulation coincides and correlates with an increase of the oxidative DNA damage marker 8-OHdG, suggesting an increase in reactive oxygen species (ROS), but does not coincide with the phosphorylation of H2AX (γ-H2AX), a marker for canonical DNA damage. Using RNA interference and chemical genetics, several p53 activating kinases were tested for their contribution to the cell cycle arrest of tetraploid cells. Of the tested kinases, only ATM was shown to play a role in the activation of p53 after defects in mitosis. ATM kinase is a DNA damage-responsive kinase, however, it has been shown that increased ROS levels activate ATM in a non-canonical way. To gain further insights into arrest of tetraploid cells, an unbiased genome-wide esiRNA screen was performed to analyze cell proliferation after induced tetraploidization. Using FUCCI cell cycle probes, combined with DNA content cell cycle profiling, allowed an image-based assay to examine tetraploid and diploid cells side-by-side. This novel approach enabled us to screen for genes that specifically restricts or enhances cell proliferation after tetraploidization, if inhibited by esiRNA mediated knockdown. From the primary screen we identified 1159 genes that decreased and 431 genes that increased the cell proliferation after tetraploidization, if knocked down by esiRNA. From the 431 genes that increased proliferation upon knockdown, 374 were selected and subjected to a re-screen. Of these 374 genes, we were able to confirm the results for 158 of the genes. A bioinformatics analysis of the 158 genes for which the phenotype were confirmed by the re-screen revealed a significant enrichment of genes involved in DNA replication, the canonical Wnt signaling pathway and in pathways linked to cancer. Among the latter, CCDC6 is particularly interesting, because its gene product is a target of the ATM kinase and an upstream regulator of the tumor suppressor 14-3-3σ. Moreover, by comparing the results of the primary screen with the data of the “Project Archilles”, which measured the proliferation in genome wide pooled-shRNA screens for 108 cancer cell lines, 18 genes were identified that are essential for the proliferation of cells after tetraploidization, as well as for the proliferation of cancer cell lines that derive from cancer types with a high incidence for chromosomal instability (CIN). Taken together, the presented data builds an excellent resource not only for elucidating how the arrest after tetraploidization is mediated, but also to identify novel potential therapeutic targets against tumors with CIN, which are frequently resistant to many of today’s anti-cancer therapies.

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