CCA-adding enzymes synthesize and maintain the C-C-A sequence at the tRNA 3'-end, generating the attachment site for amino acids. While tRNAs are the most prominent substrates for this polymerase, CCA additions on non-tRNA transcripts are described as well. To identify general features for substrate requirement, a pool of randomized transcripts was incubated with the human CCA-adding enzyme. Most of the RNAs accepted for CCA addition carry an acceptor stem-like terminal structure, consistent with tRNA as the main substrate group for this enzyme. While these RNAs show no sequence conservation, the position upstream of the CCA end was in most cases represented by an adenosine residue. In tRNA, this position is described as discriminator base, an important identity element for correct aminoacylation. Mutational analysis of the impact of the discriminator identity on CCA addition revealed that purine bases (with a preference for adenosine) are strongly favoured over pyrimidines. Furthermore, depending on the tRNA context, a cytosine discriminator can cause a dramatic number of misincorporations during CCA addition. The data correlate with a high frequency of adenosine residues at the discriminator position observed in vivo. Originally identified as a prominent identity element for aminoacylation, this position represents a likewise important element for efficient and accurate CCA addition.

Chronic inflammatory diseases such as rheumatoid arthritis, type 2 diabetes and cardiovascular diseases, are associated with the homeostatic imbalance of one of several physiological systems combined with the lack of spontaneous remission, which causes the disease to persevere throughout patients’ lives. The inflammatory response relies mainly on tissue-resident, pro-inflammatory M1 type macrophages and, consequently, a chance for therapeutic intervention lies in driving macrophage polarization towards the anti-inflammatory M2 phenotype. Therefore, anti-inflammatory cytokines that promote M2 polarization, including interleukin-4 (IL4), have promising therapeutic potential. Unfortunately, their systemic use is hampered by a short serum half-life and dose-limiting toxicity. On the way towards cytokine therapies with superior safety and efficacy, this thesis is focused on designing bioresponsive delivery systems for the anti-inflammatory cytokine IL4. Chapter 1 describes how anti-inflammatory cytokines are tightly regulated in chronic, systemic inflammation as in rheumatoid arthritis but also in acute, local inflammation as in myocardial infarction. Both diseases show a characteristic progression during which anti-inflammatory cytokine delivery is of variable benefit. A conventional, passive drug delivery system is unlikely to release the cytokines such that the delivery matches the dynamic course of the (patho-)physiological progress. This chapter presents a blueprint for active drug delivery systems equipped with a 24/7 inflammation detector that continuously senses for matrix metalloproteinases (MMP) as surrogate markers of the disease progress and responds by releasing cytokines into the affected tissues at the right time and place. Because they are silent during phases of low disease activity, bioresponsive depots could be used to treat patients in asymptomatic states, as a preventive measure. The drug delivery system only gets activated during flares of inflammation, which are then immediately suppressed by the released cytokine drug and could prevent the steady damage of subclinical chronic inflammation, and therefore reduce hospitalization rates. In a first proof of concept study on controlled cytokine delivery (chapter 2), we developed IL4-decorated particles aiming at sustained and localized cytokine activity. Genetic code expansion was deployed to generate muteins with the IL4’s lysine 42 replaced by two different unnatural amino acids bearing a side chain suitable for click chemistry modification. The new IL4 muteins were thoroughly characterized to ensure proper folding and full bioactivity. Both muteins showed cell-stimulating ability and binding affinity to IL4 receptor alpha similar to those of wild type IL4. Copper-catalyzed (CuAAC) and strain-promoted (SPAAC) azide–alkyne cycloadditions were used to site-selectively anchor IL4 to agarose particles. These particles had sustained IL4 activity, as demonstrated by the induction of TF-1 cell proliferation and anti-inflammatory M2 polarization of M-CSF-generated human macrophages. This approach of site-directed IL4 anchoring on particles demonstrates that cytokine-functionalized particles can provide sustained and spatially controlled immune-modulating stimuli. The idea of a 24/7 sensing, MMP driven cytokine delivery system, as described in the introductory chapter, was applied in chapter 3. There, we simulated the natural process of cytokine storage in the extracellular matrix (ECM) by using an injectable solution of IL4 for depot formation by enzyme-catalyzed covalent attachment to ECM components such as fibronectin. The immobilized construct is meant to be cleaved from the ECM by matrix-metalloproteinases (MMPs) which are upregulated during flares of inflammation. These two functionalities are facilitated by a peptide containing two sequences: a protease-sensitive peptide linker (PSL) for MMP cleavage and a sequence for covalent attachment by activated human transglutaminase FXIIIa (TGase) included in the injection mix for co-administration. This peptide was site-selectively conjugated to the unnatural amino acid at IL4 position 42 allowing to preserve wild type bioactivity of IL4. In vitro experiments confirmed the anticipated MMP response towards the PSL and TGase-mediated construct attachment to fibronectin of the ECM. Furthermore, the IL4-peptide conjugates were able to reduce inflammation and protect non-load bearing cartilage along with the anterior cruciate ligament from degradation in an osteoarthritis model in rabbits. This represents the first step towards a minimally invasive treatment option using bioresponsive cytokine depots with potential clinical value for inflammatory conditions. One of the challenges with this approach was the production of the cytokine conjugate, with incorporation of the unnatural amino acid into IL4 being the main bottleneck. Therefore, in chapter 4, we designed a simplified version of this depot system by genetically fusing the bifunctional peptide via a flexible peptide spacer to murine IL4. While human IL4 loses its activity upon C-terminal elongation, murine IL4 is not affected by this modification. The produced murine IL4 fusion protein could be effectively bound to in vitro grown extracellular matrix in presence of TGase. Moreover, the protease-sensitive linker was selectively recognized and cleaved by MMPs, liberating intact and active IL4, although at a slower rate than expected. Murine IL4 offers the advantage to evaluate the bioresponsive cytokine depot in many available mouse models, which was so far not possible with human IL4 due to species selectivity. For murine IL4, the approach was further extended to systemic delivery in chapter 5. To increase the half-life and specifically target disease sites, we engineered a murine IL4 variant conjugated with a folate-bearing PEG chain for targeting of activated macrophages. The bioactive IL4 conjugate had a high serum stability and the PEGylation increased the half-life to 4 h in vivo. Surprisingly, the folate moiety did not improve targeting in an antigen-induced arthritis (AIA) mouse model. IL4-PEG performed better in targeting the inflamed joint, while IL4-PEG-folate showed stronger accumulation in the liver. Fortunately, the modular nature of the IL4 conjugate facilitates convenient adaption of PEG chain length and the targeting moiety to further improve the half-life and localization of the cytokine. In summary, this thesis describes a platform technology for the controlled release of cytokines in response to inflammation. By restricting the release of the therapeutic to the site of inflammation, the benefit-risk ratio of this potent class of biologics can be positively influenced. Future research will help to deepen our understanding of how to perfectly combine cytokine, protease-sensitive linker and immobilization tag or targeting moiety to tackle different diseases. / Chronische Entzündungskrankheiten wie rheumatoide Arthritis, Typ-2-Diabetes oder Herz-Kreislauf-Erkrankungen werden durch das Ungleichgewicht eines von mehreren physiologischen Systemen in Verbindung mit fehlender spontaner Remission verursacht, wodurch die Krankheiten lebenslang bestehen bleiben. Die zugrunde liegenden Entzündungsreaktionen beruhen hauptsächlich auf im Gewebe vorhandenen Makrophagen und deren Polarisation in Richtung des entzündlichen M1-Phänotyps, was gleichzeitig die Möglichkeit einer therapeutischen Intervention bietet. Entzündungshemmende Zytokine, einschließlich Interleukin-4 (IL4), haben ein großes therapeutisches Potenzial, da sie Makrophagen in Richtung des entzündungshemmenden M2-Phänotyps zu polarisieren vermögen. Leider ist ihre systemische Anwendung durch eine kurze Serumhalbwertszeit und dosislimitierende Toxizität eingeschränkt. Auf dem Weg zu Zytokintherapeutika mit verbesserter Sicherheit und Wirksamkeit konzentriert sich diese Arbeit auf die Entwicklung von bioresponsiven Freisetzungssystemen für das entzündungshemmende Zytokin IL4. Kapitel 1 beschreibt, wie entzündungshemmende Zytokine bei chronischen systemischen Entzündungen wie rheumatoider Arthritis im Vergleich zu akuten lokalen Entzündungen wie dem Myokardinfarkt reguliert werden. Beide Erkrankungen zeigen einen charakteristischen Verlauf, währenddessen die Freisetzung von entzündungshemmenden Zytokinen von unterschiedlich großem Nutzen ist. Gewöhnliche, passive Arzneimittelfreisetzungssysteme sind nicht in der Lage, Zytokine in idealer Menge zur optimalen Unterdrückung des dynamischen, (patho-)physiologischen Verlaufs der Krankheit freizusetzen. In diesem Kapitel werden deshalb aktive Arzneimittelfreisetzungssysteme vorgestellt, die mit einer Sensorik für die Entzündung ausgestattet sind, mit der sie kontinuierlich die Konzentration von Matrix-Metalloproteinasen (MMP) als Indikatoren für den Krankheitsverlauf erfassen können. Somit kann das aktive Arzneimittelfreisetzungssystem krankes Gewebe zum richtigen Zeitpunkt und am richtigen Ort mit Zytokinen behandeln. Solche bioresponsiven Depots können zur vorbeugenden Behandlung von asymptomatischen Patienten eingesetzt werden, da sie während Phasen geringer Krankheitsaktivität inaktiv sind. Das Freisetzungssystem wird erst durch Entzündungsschübe aktiviert, die dann sofort durch die freigesetzten Zytokine unterdrückt werden. Dadurch könnte die dauerhafte Schädigung durch subklinische, chronische Entzündung verhindert und als Konsequenz die Hospitalisierungsrate gesenkt werden. In einer ersten Machbarkeitsstudie wurden in Kapitel 2 IL4-dekorierte Partikel mit dem Ziel entwickelt, eine langanhaltende und lokalisierte Zytokinaktivität zu gewährleisten. Dazu wurden IL4-Muteine erzeugt, bei denen das Lysin 42 mittels Erweiterung des genetischen Codes durch zwei verschiedene unnatürliche Aminosäuren ersetzt wurde, die jeweils eine für Klick-Chemie geeignete Seitenkette tragen. Die IL4-Muteine wurden ausführlich charakterisiert, um eine korrekte Faltung und volle Bioaktivität sicherzustellen. Beide Muteine zeigten zellstimulierende Fähigkeit und Bindungsaffinität an IL4-Rezeptor-alpha, die mit der von Wildtyp-IL4 vergleichbar ist. Anschließend wurde kupferkatalysierte (CuAAC) und kupferfreie (SPAAC) Azid-Alkin-Cycloaddition verwendet, um IL4 ortsspezifisch auf Agarosepartikeln zu verankern. Die Partikel waren in der Lage, die IL4-Aktivität über längere Zeit aufrecht zu erhalten, was durch TF-1-Zellproliferation und M2-Polarisation von M-CSF-generierten, humanen Makrophagen gezeigt werden konnte. Dieser Ansatz der ortsspezifischen Verankerung von IL4 auf Agarosepartikeln zeigt, dass zytokinfunktionalisierte Partikel anhaltende und räumlich kontrollierte, immunmodulierende Stimuli liefern können. Die Idee eines MMP-gesteuerten Zytokinfreisetzungssystems mit 24/7-Sensorik, das im Einleitungskapitel vorgestellt wurde, wurde in Kapitel 3 umgesetzt. Der natürliche Prozess der Zytokinspeicherung in der extrazellulären Matrix (EZM) wurde mithilfe einer injizierbaren IL4-Lösung zur enzymatischen Depotbildung durch kovalente Bindung an EZM-Komponenten, z. B. Fibronektin, simuliert. Nach der Bindung soll das Konstrukt durch Matrix-Metalloproteinasen (MMPs), die während Entzündungsschüben hochreguliert werden, aus der EZM freigesetzt werden können. Eine Peptidsequenz, die ein Protease-sensitives Verbindungsstück und eine Sequenz, mit der das Zytokin bei gleichzeitiger Injektion von aktivierter menschlicher Transglutaminase FXIIIa (TGase) kovalent auf der EZM immobilisiert wird enthält, wurde ortsspezifisch über eine unnatürliche Aminosäure an Position 42 von IL4 gekoppelt. Dadurch wurde die Bioaktivität von IL4 vollständig erhalten, während das Protease-sensitive Verbindungsstück auf MMPs reagierte und das Konstrukt durch TGase an das Fibronektin der EZM gebunden werden konnte. Die IL4-Peptid-Konjugate waren in einem Osteoarthritis-Modell bei Kaninchen in der Lage, die Entzündung des Kniegelenks zu verringern und den nicht-tragenden Knorpel sowie das vordere Kreuzband vor Degradation zu schützen. Dies ist der erste Schritt in Richtung einer minimalinvasiven Behandlung durch Verwendung von bioresponsiven Zytokindepots mit potenziellem klinischem Nutzen bei Entzündungserkrankungen. Eine der Herausforderungen bei diesem Vorgehen war die Herstellung der Zytokinkonjugate, wobei der Einbau der unnatürlichen Aminosäure in IL4 den größten Engpass darstellte. Deshalb wurde in Kapitel 4 eine vereinfachte Version dieses Depotsystems entworfen, indem das bifunktionelle Peptid über eine flexible Verbindungssequenz mit murinem IL4 genetisch fusioniert wurde. Während humanes IL4 bei C-terminaler Verlängerung an Aktivität verliert, ist murines IL4 durch die Modifikation nicht beeinflusst. Die murinen IL4-Fusionsproteine konnten in Gegenwart von TGase wirksam an in vitro generierte extrazelluläre Matrix gebunden werden. Darüber hinaus wurde das Protease-sensitive Verbindungsstück selektiv von MMPs erkannt und gespalten, wobei intaktes und aktives IL4 freigesetzt wurde, wenn auch mit einer langsameren Rate als erwartet. Murines IL4 bietet die Möglichkeit das bioresponsive Zytokindepot in den vielen verfügbaren Mausmodellen zu testen, was mit humanem IL4 aufgrund der Speziesselektivität nicht möglich ist. Für murines IL4 wurde die Entwicklung in Kapitel 5 auf die systemische Applikation ausgeweitet. Um die Serumhalbwertszeit zu erhöhen und eine Wirkstofflokalisation im entzündeten Gewebe zu erreichen, wurde eine murine IL4-Variante entwickelt, die mit einer Folat-tragenden PEG-Kette konjugiert wurde, um aktivierte M1 Makrophagen zu adressieren. Das bioaktive IL4-Konjugat wies eine hohe Serumstabilität auf und die PEGylierung erhöhte die Halbwertszeit in vivo auf 4 h. Allerdings konnte durch die Konjugation der Folatgruppe an IL4 die Wirkstofflokalisation in einem Mausmodell mit Antigen-induzierter Arthritis (AIA) nicht verbessert werden. IL4-PEG akkumulierte sich stärker im entzündeten Gelenk, während IL4-PEG-Folat eine stärkere Anreicherung in der Leber zeigte. Erfreulicherweise erleichtert der modulare Aufbau des IL4-Konjugats die bequeme Anpassung der PEG-Kettenlänge und der zielorientierten Einheit, um die Halbwertszeit und Lokalisierung des Zytokins weiter zu verbessern. Zusammenfassend beschreibt diese Arbeit eine Plattformtechnologie zur kontrollierten Freisetzung von Zytokinen als Reaktion auf Entzündungen. Durch die Beschränkung der Freisetzung des Therapeutikums auf den Ort der Entzündung kann das Nutzen-Risiko-Verhältnis dieser potenten Klasse von Biologika positiv beeinflusst werden. Zukünftige Forschungen werden dazu beitragen zu verstehen, wie Zytokin, Protease-sensitives Verbindungsstück und Immobilisierungsanhängsel oder etwaige zielorientierte Einheiten zur Bekämpfung verschiedener Krankheiten perfekt kombiniert werden können.

To this day, opioids represent the most effective class of drugs for the treatment of severe pain. On a molecular level, all opioids in use today are agonists at the μ-opioid receptor (μ receptor). The μ receptor is a class A G protein-coupled receptor (GPCR). GPCRs are among the biological structures most frequently targeted by pharmaceuticals. They are membrane bound receptors, which confer their signals into the cell primarily by activating a variety of GTPases called G proteins. In the course of the signaling process, the μ receptor will be phosphorylated by GRKs, increasing its affinity for another entity of signaling proteins called β-arrestins (β-arrs). The binding of a β-arr to the activated μ receptor will end the G protein signal and cause the receptor to be internalized into the cell. Past research showed that the μ receptor’s G protein signal puts into effect the desired pain relieving properties of opioid drugs, whereas β-arr recruitment is more often linked to adverse effects like obstipation, tolerance, and respiratory depression. Recent work in academic and industrial research picked up on these findings and looked into the possibility of enhancing G protein signaling while suppressing β-arr recruitment. The conceptual groundwork of such approaches is the phenomenon of biased agonism. It appreciates the fact that different ligands can change the relative contribution of any given pathway to the overall downstream signaling, thus enabling not only receptor-specific but even pathway-specific signaling. This work examined the ability of a variety of common opioid drugs to specifically activate the different signaling pathways and quantify it by means of resonance energy transfer and protein complementation experiments in living cells. Phosphorylation of the activated receptor is a central step in the canonical GPCR signaling process. Therefore, in a second step, expression levels of the phosphorylating GRKs were enhanced in search for possible effects on receptor signaling and ligand bias. In short, detailed pharmacological profiles of 17 opioid ligands were recorded. Comparison with known clinical properties of the compounds showed robust correlation of G protein activation efficacy and analgesic potency. Ligand bias (i.e. significant preference of any path- way over another by a given agonist) was found for a number of opioids in native HEK293 cells overexpressing μ receptor and β-arrs. Furthermore, overexpression of GRK2 was shown to fundamentally change β-arr pharmacodynamics of nearly all opioids. As a consequence, any ligand bias as detected earlier was abolished with GRK2 overexpression, with the exception of buprenorhin. In summary, the following key findings stand out: (1) Common opioid drugs exert biased agonism at the μ receptor to a small extent. (2) Ligand bias is influenced by expression levels of GRK2, which may vary between individuals, target tissues or even over time. (3) One of the opioids, buprenorhin, did not change its signaling properties with the overexpression of GRK2. This might serve as a starting point for the development of new opioids which could lack the ability of β-arr recruitment altogether and thus might help reduce adverse side effects in the treatment of severe pain. / Nach wie vor stellen Opioide die wirkstärkste Gruppe von Medikamenten zu Behandlung starker Schmerzen dar. Auf molekularer Ebene sind alle heute gebräuchlichen Opioide Agonisten am μ-Opioidrezeptor. Der μ-Opioidrezeptor ist ein G-Protein-gekoppelter Rezeptor (GPCR) der Klasse A. GPCR zählen zu den häufigsten Zielstrukturen von Pharmaka. Sie sind membranständige Rezeptoren, die ihr Signal in erster Linie durch die Aktivierung von G-Proteine genannten GTPasen in die Zelle weiterleiten. Im Laufe des Signalprozesses wird der GPCR von GRK phosphoryliert, wodurch seine Affinität zu einer weiteren Gruppe von Signalproteinen, den sog. β-Arrestinen erhöht wird. Bindet ein β-Arrestin an den Rezeptor, beendet dies das G-Proteinsignal und veranlasst die Internalisierung des Rezeptors ins Zellinnere. Bisherige Forschung zeigte, dass das G-Proteinsignal des μ-Opioidrezeptors die erwünschte Schmerzlinderung vermittelt, wohingegen die Rekrutierung von β-Arrestin oftmals mit unerwünschten Wirkungen wie Obstipation, Toleranzentwicklung und Atemdepression in Verbindung gebracht wird. Neuere akademische und industrielle Forschung griff diese Erkenntnisse auf und erkundete die Möglichkeit, das G-Proteinsignal zu verstärken und zur gleichen Zeit die β-Arrestinrekrutierung zu inhibieren. Die theoretische Grundlage solcher Ansätze liegt im Konzept des biased agonism. Dieses berücksichtigt die Tatsache, dass verschiedene Liganden den Anteil eines bestimmten Signalweges am gesamten vom Rezeptor ausgehenden Signals beeinflussen kann und damit nicht nur rezeptor-, sondern sogar signalwegspezifische Signale möglich sein sollten. Die vorliegende Arbeit untersuchte eine Reihe von gängigen Opioiden auf ihre Fähigkeit hin, die einzelnen Signalwege spezifisch zu aktivieren und quantifizierte dies mit Methoden des Resonanzenergietransfers sowie der Proteinkomplementierung in lebenden Zellen. Die Phosphorylierung des Rezeptors ist ein zentrales Ereignis in der anerkannten Abfolge der Signalprozesse an GPCR. Daher wurde in einem weiteren Schritt die Expression der phosphorylierenden GRK erhöht und nach möglichen Auswirkungen auf die Selektivität der Signalwegaktivierung gesucht. Hierbei wurde detaillierte pharmakologische Profile von 17 Opioiden erstellt. Der Abgleich mit bekannten klinischen Wirkeigenschaften der Substanzen zeigte einen robusten Zusammenhang zwischen der Fähigkeit, G-Proteine zu aktivieren und der analgetischen Wirkstärke. Ligand bias, d.h. die signifikante Bevorzugung eines Signalweges gegenüber einem anderen durch einen Liganden, konnte für eine Reihe von Opioiden in lebenden HEK293-Zellen gezeigt werden, die den μ-Opioidrezeptor sowie β-Arrestine überexprimierten. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die zusätzliche Überexpression von GRK2 die pharmakodynamischen Eigenschaften nahezu aller Opioide grundlegend veränderte. In der Folge war jeder zuvor gezeigte ligand bias mit Ausnahme von Buprenorphin aufgehoben. Zusammenfassend stehen die folgenden drei Erkenntnisse im Vordergrund: (1) Gängige Opioide zeigen in einem gewissen Maß Selektivität zwischen den Signalwegen. (2) Ligand bias wird beeinflusst von GRK2-Expressionsleveln, welche zwischen Individuen, verschiedenen Gewebetypen oder auch im zeitlichen Verlauf variieren können. (3) Als einziges der untersuchten Opioide änderte Buprenorphin seine Signaleigenschaften durch die Überexpression von GRK2 nicht. Dies könnte als Anknüpfungspunkt in der Entwicklung neuer Opioide dienen, die keinerlei β-Arrestinrekrutierung bewirken und dadurch helfen könnten, unerwünschte Wirkungen in der Behandlung starker Schmerzen zu verhindern.

The deregulation of the MYC oncoprotein family plays a major role in tumorigenesis and tumour maintenance of many human tumours. Because of their structure and nuclear localisation, they are defined as undruggable targets which makes it difficult to find direct therapeutic approaches. An alternative approach for targeting MYC-driven tumours is the identification and targeting of partner proteins which score as essential in a synthetic lethality screen. Neuroblastoma, an aggressive entity of MYCN-driven tumours coming along with a bad prognosis, are dependent on the tumour suppressor protein BRCA1 as synthetic lethal data showed. BRCA1 is recruited to promoter regions in a MYCN-dependent manner. The aim of this study was to characterise the role of BRCA1 in neuroblastoma with molecular biological methods. BRCA1 prevents the accumulation of RNA Polymerase II (RNAPII) at the promoter region. Its absence results in the formation of DNA/RNA-hybrids, so called R-loops, and DNA damage. To prevent the accumulation of RNAPII, the cell uses DCP1A, a decapping factor known for its cytoplasmatic and nuclear role in mRNA decay. It is the priming factor in the removal of the protective 5’CAP of mRNA, which leads to degradation by exonucleases. BRCA1 is necessary for the chromatin recruitment of DCP1A and its proximity to RNAPII. Cells showed upon acute activation of MYCN a higher dependency on DCP1A. Its activity prevents the deregulation of transcription and leads to proper coordination of transcription and replication. The deregulation of transcription in the absence of DCP1A results in replication fork stalling and leads to activation of the Ataxia telangiectasia and Rad3 related (ATR) kinase. The result is a disturbed cell proliferation to the point of increased apoptosis. The activation of the ATR kinase pathway in the situation where DCP1A is knocked down and MYCN is activated, makes those cells more vulnerable for the treatment with ATR inhibitors. In summary, the tumour suppressor protein BRCA1 and the decapping factor DCP1A, mainly known for its function in the cytoplasm, have a new nuclear role in a MYCN-dependent context. This study shows their essentiality in the coordination of transcription and replication which leads to an unrestrained growth of tumour cells if uncontrolled. / Die MYC Onkoproteine spielen in einer Vielzahl humaner Tumore eine entscheidende Rolle und sind in fast allen Fällen dereguliert. Aufgrund ihrer Struktur und Lokalisation im Zellkern gelten sie für die Arzneimittelentwicklung als therapeutisch schwer angreifbar. Der Ansatz der synthetischen Lethalität ist es, Partnerproteine zu finden, die gerade für MYC-getriebene Tumore essenziell sind und diese zu inhibieren. Neuroblastome, die in einer besonders aggressiven Entität durch eine MYCN-Amplifikation getrieben sind und damit mit einer schlechten Prognose einhergehen, sind abhängig vom Tumorsupressor BRCA1, wie Daten zur synthetischen Lethalität zeigten. BRCA1 wird in Abhängigkeit von MYCN zu Promotoren rekrutiert. Diese Arbeit diente daher der Charakterisierung der Funktionalität von BRCA1 im Neuroblastom. BRCA1 verhindert die Akkumulation von RNA Polymerase II (RNAPII) in der Promoterregion. Ist BRCA1 nicht präsent, führt dies zur Bildung von DNA/RNA-Hybriden, sogenannten R-loops, und zu DNA Schäden. Um die Akkumulation von RNAPII zu verhindern, nutzt die Zelle DCP1A, einen Decapping Faktor, der sowohl im Cytoplasma als auch im Nukleus eine Rolle im mRNA Abbau spielt. DCP1A entfernt den schützenden 5’CAP der mRNA, wodurch diese von Exonukleasen abgebaut wird. BRCA1 ist notwendig für die Chromatin Bindung von DCP1A und die Rekrutierung zu RNAPII. Zellen mit einer akuten Aktivierung des MYCN Onkoproteins zeigen eine erhöhte Abhängigkeit von DCP1A. DCP1A verhindert eine Deregulation der Transkription, um Transkription mit Replikation erfolgreich zu koordinieren. Andernfalls führt dies beim Verlust von DCP1A zur Blockierung von Replikationsgabeln und der Aktivierung der Ataxia telangiectasia and Rad3 related (ATR) Kinase führt. In der Folge ist das Zellwachstum gestört und Zellen gehen vermehrt in Apoptose. Die Aktivierung des ATR Signalweges beim Verlust von DCP1A und MYCN Aktivierung verhindert vorerst den Zelltod, wodurch diese Zellen jedoch sensitiver auf die Inhibition von ATR reagieren. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass BRCA1 als Tumorsupressor und DCP1A als Decapping Faktor, hauptsächlich beschrieben als cytoplasmatisches Protein, eine entscheidende nukleäre Rolle in der Situation einer akuten Aktivierung von MYCN spielen. Dort sind sie essenziell um Transkription mit Replikation zu koordinieren und damit zu einem ungebremsten Wachstum der Tumorzellen beizutragen.

This decade saw the development of new high-end light microscopy approaches. These technologies are increasingly used to expand our understanding of cellular function and the molecular mechanisms of life and disease. The precision of state-of-the-art super resolution microscopy is limited by the properties of the applied fluorescent label. Here I describe the synthesis and evaluation of new functional fluorescent probes that specifically stain gephyrin, universal marker of the neuronal inhibitory post-synapse. Selected probe precursor peptides were synthesised using solid phase peptide synthesis and conjugated with selected super resolution capable fluorescent dyes. Identity and purity were defined using chromatography and mass spectrometric methods. To probe the target specificity of the resulting probe variants in cellular context, a high-throughput assay was established. The established semi-automated and parallel workflow was used for the evaluation of three selected probes by defining their co-localization with the expressed fluorescent target protein. My work provided NN1Dc and established the probe as a visualisation tool for essentially background-free visualisation of the synaptic marker protein gephyrin in a cellular context. Furthermore, NN1DA became part of a toolbox for studying the inhibitory synapse ultrastructure and brain connectivity and turned out useful for the development of a label-free, high-throughput protein interaction quantification assay. / Neuentwickelte, hochauflösende Fluoreszenzmikroskopieverfahren sind prinzipiell geeignet, molekulare Mechanismen und zelluläre Vorgänge im niedrigen Nanometerbereich aufzulösen. Die maximal erreichbare Auflösung wird unter anderem von der eingesetzten Fluoreszenzmarkierung beeinflusst. In dieser Arbeit beschreibe ich die Synthese neuartiger, funktioneller, fluoreszierender Proben und evaluiere deren Eigenschaft Gephyrin, einen universalen Marker der neuronalen inhibitorischen Postsynapse, zu visualisieren. Hierzu wurden Peptide mittels Festphasenpeptidsyntese hergestellt und mit fluoreszierenden Farbstoffen konjugiert, die für hochauflösende Mikroskopieverfahren geeignet sind. Der Syntheseerfolg und die Reinheit der Stoffe wurde mittels massenspektrometrischer und chromatographischer Methoden bestimmt. In einem Hochdurchsatzverfahren wurden die Proben in einem zellulären Kontext untersucht, spezifisch Gephyrin zu markieren. In einem semi-automatisierten, parallelen Verfahren wurden drei ausgewählte Proben synthetisiert und deren Kolokalisation mit dem fluoreszierenden Zielprotein in transfizierten HEK-Zellen untersucht. Aus dieser Arbeit ist NN1DC hervorgegangen, eine peptidische Sonde zur Visualisierung von Gephyrin. Diese Probe weist verbesserte Färbeeigenschaften wie eine höhere Spezifität und Sensitivität, verglichen mit bisher bekannten peptidischen Gephyrinsonden, auf. Darüber hinaus kann NN1DA als hochaffiner Binder von Gephyrin zur Entwicklung neuer gephyrinbindender Moleküle in einem high-througput Verfahren genutzt werden.

The cancer stem cell hypothesis is a cancer development model which elicited great interest in the last decades stating that cancer heterogeneity arises from a stem cell through asymmetrical division. The Cancer Stem Cell subset is described as the only population to be tumorigenic and having the potential to renew. Conventional therapy often fails to eradicate CSC resulting in tumor relapse. Consequently, it is of great inter-est to eliminate this subset of cells to provide the best patient outcome. In the last years several approaches to target CSC were developed, one of them being immunotherapeu-tic targeting with antibodies. Since markers associated with CSC are also expressed on normal stem cells or healthy adjacent tissue in colorectal cancer, dual targeting strate-gies are preferred over targeting only a single antigen. Subsequently, the idea of dual targeting two CSC markers in parallel by a newly developed split T cell-engaging anti-body format termed as Hemibodies emerged. In a preliminary single cell RNA sequenc-ing analysis of colorectal cancer cells CD133, CD24, CD166 and CEA were identified as suitable targets for the combinatorial targeting strategy. Therefore, this study focused on trispecific and trivalent Hemibodies comprising a split binding moiety against CD3 and a binding moiety against either CD133, CD24, CD166 or CEA to overcome the occurrence of resistance and to efficiently eradicate all tumor cells including the CSC compartment. The study showed that the Hemibody combinations CD133xCD24, CD133xCD166 and CD133xCEA are able to eliminate double positive CHO cells with high efficacy while having a high specificity indicated by no killing of single antigen positive cells. A thera-peutic window ranging between one to two log levels could be achieved for all combina-tions mentioned above. The combinations CD133xCD24 and CD133xCD166 further-more proved its efficacy and specificity on established colorectal cancer cell lines. Be-sides the evaluation of specificity and efficacy the already introduced 1st generation of Hemibodies could be improved into a 2nd generation Hemibody format with increased half-life, stability and production yield. In future experiments the applicability of above-mentioned Hemibodies will be proven on patient-derived micro tumors to also include variables like tumor microenvironment and infiltration. / In den letzten Jahrzenten wurde neben der klonalen Evolution ein weiteres Modell zur Krebsentstehung und dessen Heterogenität entwickelt: die Krebsstammzellhypothe-se. Diese Hypothese besagt, dass die Heterogenität eines Tumors durch asymmetri-sche Teilung von sogenannten Krebsstammzellen entsteht. Nur diese sind tumorigen und in der Lage Metastasen zu bilden. Außerdem werden Krebsstammzellen als re-sistent gegen konventionelle Therapien beschrieben, weshalb es nach einer anfängli-chen Tumorregression oft zu einem Rezidiv durch erneutes Auswachsen von zurück-bleibenden Krebsstammzellen kommt. Deshalb ist es von großem Interesse genau diese Population abzutöten, um eine erfolgreiche Therapie zu gewährleisten. In den letzten Jahren wurden zahlreiche Medikationen entwickelt, um Krebsstammzellen ge-zielt anzugreifen. Ein vielversprechender Ansatz ist hierbei die immuntherapeutische Adressierung mittels Antikörpern gegen Krebsstammzellmarkern. Einzelne Marker sind allerdings auch auf normalen Stammzellen und gesundem Gewebe exprimiert, weshalb Therapien, die auf mindestens zwei verschiedene Oberflächenproteine ab-zielen, erfolgsversprechender sind. In dieser Arbeit wurde ein neues T-Zell rekrutie-rendes Antikörperformat entwickelt, sogenannte Hemibodies. Hierbei handelt es sich um ein trispezifisches und trivalentes Format, bestehend aus jeweils zwei Fragmen-ten. Jedes Fragment besteht aus einer Bindedomäne gegen ein Krebsstammzellmar-ker und einer geteilten Bindedomäne gegen CD3. Durch Bindung beider Fragmente an einen Stammzellmarker kommt es zur Komplementierung der geteilten anti-CD3 Domäne und zur T-Zellrekrutierung. Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit der bioin-formatischen Analyse von Einzelzell-RNA-Daten des kolorektalen Karzinoms (KRK) zur Identifizierung von potentiellen Krebsstammzellmarkern. Dabei konnten die Ober-flächenproteine CD24, CD133, CD166 und CEA und besonders deren Kombination als geeignete Zielstrukturen identifiziert werden. Die gegen oben genannte Antigene gerichteten Hemibodies zeigten in den Kombinationen CD133xCD24, CD133xCD166 und CD133xCEA auf doppelt positiven CHO-Zellen eine hohe Effektivität. Außerdem konnte die Spezifität durch ein Ausbleiben von Zelltod auf einzel-positiven CHO Zellen bewiesen werden. Die Kombinationen CD133xCD24 und CD133xCD166 konnten Effektivität und Spezifität auch auf etablierten Krebszellen zeigen. Die oben genann-ten Kombinationen waren in einem therapeutischen Fenster von ein bis zwei Logstu-fen funktional. Neben der Testung verschiedener Hemibody-Kombinationen konnten die bereits publizierten Hemibodies der ersten Generation in ein neues Format der zweiten Generation weiterentwickelt werden. Das neue Format zeigte eine verbesser-te Halbwertszeit, Stabilität und Produzierbarkeit. In zukünftigen Experimenten werden die in der Thesis benutzten Hemibodies auf Mikrotumoren getestet, um weitere Vari-ablen, die die Effektivität und Spezifität beeinflussen zu ermitteln.

Ubiquitination is an important post-translational modification that maintains cellular homeostasis by regulating various biological processes. Deubiquitinases (DUBs) are enzymes that reverse the ubiquitination process by catalyzing the removal of ubiquitin from a substrate. Abnormal expression or function of DUBs is often associated with the onset and progression of various diseases, including cancer. Ubiquitin specific proteases (USPs), which constitute the largest family of DUBs in humans, have become the center of interest as potential targets in cancer therapy as many of them display increased activity or are overexpressed in a range of malignant tumors or the tumor microenvironment. Two related members of the USP family, USP28 and USP25, share high sequence identities but play diverse biological roles. USP28 regulates cell proliferation, oncogenesis, DNA damage repair and apoptosis, whereas USP25 is involved in the anti-viral response, innate immunity and ER-associated degradation in addition to carcinogenesis. USP28 and USP25 also exhibit different oligomeric states – while USP28 is a constitutively active dimer, USP25 assumes an auto-inhibited tetrameric structure. The catalytic domains of both USP28 and USP25 comprise the canonical, globular USP-domain but contain an additional, extended insertion site called USP25/28 catalytic domain inserted domain (UCID) that mediates oligomerization of the proteins. Disruption of the USP25 tetramer leads to the formation of an activated dimeric protein. However, it is still not clear what triggers its activation. Due to their role in maintaining and stabilizing numerous oncoproteins, USP28 and USP25 have emerged as interesting candidates for anti-cancer therapy. Recent advances in small-molecular inhibitor development have led to the discovery of relatively potent inhibitors of USP28 and USP25. This thesis focuses on the structural elucidation of USP28 and the biochemical characterization of USP28/USP25, both in complex with representatives of three out of the eight compound classes reported as USP28/USP25-specific inhibitors. The crystal structures of USP28 in complex with the AZ compounds, Vismodegib and FT206 reveal that all three inhibitor classes bind into the same allosteric pocket distant from the catalytic center, located between the palm and the thumb subdomains (the S1-site). Intriguingly, this binding pocket is identical to the UCID-tip binding interface in the USP25 tetramer, rendering the protein in a locked, inactive conformation. Formation of the binding pocket in USP28 requires a shift in the helix α5, which induces conformational changes and local distortion of the binding channel that typically accommodates the C-terminal tail of Ubiquitin, thus preventing catalysis and abrogating USP28 activity. The key residues of the USP28-inhibitor binding pocket are highly conserved in USP25. Mutagenesis studies of these residues accompanied by biochemical and biophysical assays confirm the proposed mechanism of inhibition and similar binding to USP25. This work provides valuable insights into the inhibition mechanism of the small molecule compounds specifically for the DUBs USP28 and USP25. The USP28-inhibitor complex structures offer a framework to develop more specific and potent inhibitors. / Ubiquitinierung ist eine wichtige posttranslationale Modifikation, die die zelluläre Homöostase aufrechterhält, indem sie verschiedene biologische Prozesse reguliert. Deubiquitinasen (DUBs) sind Enzyme, die den Ubiquitinierungsprozess umkehren, indem sie die Entfernung von Ubiquitin von einem Substrat katalysieren. Eine abnorme Expression oder Funktion von DUBs wird häufig mit dem Auftreten und Fortschreiten verschiedener Krankheiten, einschließlich Krebs, in Verbindung gebracht. Ubiquitin-spezifische Proteasen (USPs), die im Menschen die größte Familie der DUBs bilden, sind als potenzielle Ziele in der Krebstherapie von besonderem Interesse, da viele von ihnen in bösartigen Tumoren oder deren Mikroumgebung abnormal aktiv oder überexprimiert sind. Die zwei eng verwandten Mitglieder der USP-Familie, USP28 und USP25, weisen eine hohe Sequenzidentität auf, sind aber an unterschiedlichen biologischen Prozessen beteiligt. USP28 reguliert die Zellproliferation, die Onkogenese, die Reparatur von DNA-Schäden und die Apoptose, während USP25 eine Rolle bei der antiviralen Reaktion, der angeborenen Immunität, dem ER-assoziierten Abbau und der Carcinogenese spielt. USP28 und USP25 weisen auch unterschiedliche oligomere Zustände auf. Während USP28 ein konstitutiv aktives Dimer bildet, tritt USP25 als auto-inhibiertes Tetramer auf. Strukturell bestehen die katalytischen Domänen sowohl von USP28 als auch von USP25 aus der kanonischen globulären USP-Domäne enthalten jedoch eine zusätzliche Insertion, die als „USP25/28 catalytic domain inserted domain (UCID)“ bezeichnet wird und die Oligomerisierung der Proteine vermittelt. Die Dissoziation des USP25 Tetramers in Dimere führt zu einem aktivierten USP25-Protein. Es ist jedoch immer noch nicht klar, was seine Aktivierung auslöst. Aufgrund ihrer Rolle bei der Aufrechterhaltung und Stabilisierung zahlreicher Onkoproteine haben sich USP28 und USP25 als interessante Kandidaten für die Entwicklung von Medikamenten in der Krebstherapie erwiesen. Jüngste Fortschritte in der Entwicklung von niedermolekularen Inhibitoren haben zur Entdeckung von relativ potenten Inhibitoren von USP28 und USP25 geführt. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Strukturaufklärung von USP28 und die biochemische Charakterisierung von USP28/USP25, beide im Komplex mit Vertretern von drei der acht Verbindungsklassen, die als USP28/USP25-spezifische Inhibitoren bekannt sind. Die Kristallstrukturen von USP28 im Komplex mit den AZ-Verbindungen, Vismodegib und FT206 zeigen, dass alle Inhibitoren in einer ähnlichen Region an USP28 binden - einer allosterischen Tasche, die in der Nähe des katalytischen Zentrums liegt und sich zwischen der Handflächen- und der Daumen-Subdomäne befindet. Diese Bindungstasche ist identisch mit der Position, an der der „UCID-tip“ im USP25-Tetramer bindet und das Protein in eine verschränkte, inaktive Konformation versetzt. Die Bildung der Bindungstasche in USP28 erfordert eine Verschiebung der α5-Helix, die zu Konformationsänderungen und einer lokalen Verzerrung des Bindungskanalsführt, der normalerweise den C-terminus des Ubiquitin-Moleküls bindet und so die Katalyse verhindert und die Aktivität von USP28 hemmt. Die Schlüsselreste der USP28-Inhibitor-Bindungstasche sind in USP25 hoch konserviert. Mutagenese-Studien dieser Aminosäuren, begleitet von biochemischen und biophysikalischen Analysen, bestätigen den vorgeschlagenen Mechanismus der Hemmung und eine ähnliche Bindung der Inhibitoren an USP25. Diese Arbeit liefert wertvolle Einblicke in den Hemmungsmechanismus der Kleinmolekülverbindungen, die spezifisch für die DUBs USP28 und USP25 entwickelt worden sind. Die Strukturen der USP28-Inhibitor-Komplexe bieten eine Grundlage für die zukünftige Entwicklung spezifischerer und wirksamerer Inhibitoren.

Palm oil empty fruit bunches (EFB) is an abundant and cheap lignocellulose material in South East Asia. Its use as the sole medium for producing lignocellulose-hydrolyzing enzymes would increase its commercial value. A newly isolated Aspergillus niger DSM 26641 was investigated for its capability of producing hemicellulases in EFB hydrolysate obtained by treatment with pressurized hot water (1-20%, w/v) at 120-180◦C in a 1 L Parr reactor for 10-60 min. The optimal hydrolysate for the fungal growth and endoxylanase production was obtained when 10% (w/v) of empty fruit bunch was treated at 120◦C or 150◦C for 10 min, giving an endoxylanase activity of 24.5 mU ml-1 on RBB-Xylan and a saccharification activity of 5 U ml-1 on xylan (DNS assay). When the hydrolysates were produced at higher temperatures, longer treatment times or higher biomass contents, only less than 20% of the above maximal endoxylanase activity was detected, possibly due to the higher carbohydrate concentrations in the medium. Transcriptome analysis showed that 3 endoxylanases (expression levels 59-100%, the highest level was set as 100%), 2 b-xylosidases (4%), 4 side chain-cleaving arabinofuranosidases (1-95%), 1 acetyl xylan esterase (9%) and 2 ferulic acid esterases (0.3-9%) were produced together.

For complete degradation of hemicellulose into its monomers from lignocellulose biomass, the synergistic action of a broad range of hydrolytic enzymes is needed. Therefore, production of enzymes from their natural producer is desirable. To obtain a powerful b-1,4-endoxylanase producing fungus, 304 environmental samples were collected from various locations in Singapore, leading to 603 isolates. Among them, 71 exhibiting b-1,4-endoxylanase activity were identified belonging mainly to the genera of Aspergillus, Penicillium, and Trichoderma. Further analysis revealed Aspergillus niger DSM 26641 as a potential and stable b-1,4-endoxylanase producer, being able to grow in hydrothermal lignocellulose hydrolysate exhibiting its maximal b-1,4-endoxylanase activity at pH 4 and 60◦C. This strain is thought to be very suitable for lactic acid production in a simultaneous saccharification and fermentation at pH values below 5.

Visceral adipose tissue derived serine protease inhibitor (vaspin) or SERPINA12 according to the serpin nomenclature was identified together with other genes and gene products that  were specifically expressed or overexpressed in the intra abdominal or visceral adipose tissue  (AT) of the Otsuka Long-Evans Tokushima fatty rat. These rats spontaneously develop visceral  obesity, insulin resistance, hyperinsulinemia and ‐glycemia, as well as hypertension and thus represent a well suited animal model of obesity and related metabolic disorders such as type  2 diabetes.  The follow-up study reporting the cloning, expression and functional characterization of  vaspin suggested the great and promising potential of this molecule to counteract obesity induced insulin resistance and inflammation and has since initiated over 300 publications, clinical and experimental, that have contributed to uncover the multifaceted functions and molecular mechanisms of vaspin action not only in the adipose, but in many different cells, tissues and organs. This review will give an update on mechanistic and structural aspects of vaspin with a focus on its serpin function, the physiology and regulation of vaspin expression, and will summarize the latest on vaspin function in various tissues such as the different adipose tissue depots as well as the vasculature, skin, bone and the brain.