Ziel der Arbeit war die Erstellung eines „Kaliumkanal-Chips“, die Entwicklung einer geeigneten Messmethode und Auswertungsstrategie, die Durchführung von Testmessungen und die Untersuchung eines Knockout-Mausstammes auf den Genexpressionsstatus und die auftretenden Kompensationsmechanismen. Am Beginn der Arbeit stand vor allem die Auswahl der zu untersuchenden Kaliumkanal-Gene und die Sammlung von Sequenz-Informationen. Ausgehend davon konnte die cDNAMicroarray-Technologie als Methode der Wahl bestimmt werden und die entsprechenden Vorbereitungen für die Umsetzung getroffen werden. Die ersten Messungen im Zuge der Methodenentwicklungen zeigten vor allem, dass jeder Microarray seine individuellen Probleme mit sich bringt, ließen jedoch auch schon erahnen, welche umfangreichen Möglichkeiten diese Technologie bietet. Dann folgten Versuchsmessreihen, wie die Untersuchung der lterspezifischen Expression und der Vergleich von bestimmten Gehirnabschnitten mit dem Gesamtgehirn. Den Abschluss bildete die Messung der TRESK-Knockout-Mauslinie im Vergleich zu ihrem Wildtyp. Hier stand die Frage nach möglichen Kompensationsmechanismen im Vordergrund. Mit kcnk16 haben die Messungen einen interessanten Kandidaten aus der gleichen Genfamilie geliefert, dessen Funktion und Kompensationsvermögen nun in weiteren Tests zu untersuchen ist. Die Arbeit hat gezeigt, dass der Einsatz der Microarray-Technologie zur Untersuchung von Genexpressionsdaten bei Ionenkanalfamilien geeignet ist. Das Fundament der Microarrayanalyse von Kaliumkanälen mit einem individuell entwickelten Microarray ist zum einen das Wissen um Genetik und Funktion der Kaliumkanäle und zum anderen die Technologie, die eine solche Analyse möglich macht. Die Tatsache, dass Säugerorganismen wie Maus und Mensch eine solch hohe Zahl an Kaliumkanälen entwickelt haben und im ständigen Zellstoffwechsel in umfassender Form einsetzen, zeigt die Bedeutung dieser Ionenkanalfamilie und macht die Forschung an diesen Kanälen so interessant und wichtig für die medizinische Grundlagenforschung. Eine Vielzahl von Krankheiten kann schon jetzt direkt oder indirekt auf Gendefekte bei Kaliumkanal-Genen zurückgeführt werden. Mit der Microarray-Analyse steht nun eine Technologie zu Verfügung, die es ermöglicht, die Expression dieser Gene direkt zu untersuchen und mögliche Kompensationsvorgänge aufzudecken. Damit können Zusammenhänge ermittelt werden, die die Grundlage für weitere Forschungen sein können, mit deren Hilfe wir Krankheiten wie Depression eines Tages wirklich verstehen und behandeln können. / The aims of this dissertation were the creation of a „potassium channel chip“, the development of adequate measurement method and strategy of analysis, the performance of developmental experiments and the analysis of the status of genexpression and the occurring mechanisms of compensation in a knockout mouse stem. In beginning the selection of the potassium channel genes to be considered as interesting part of the microarray and the compilation of the sequence information was the main part of the work. Starting from this the choice of the adequate cDNA-microarray-technology and the preparation of the implementation was possible. The first experiments performed in the course of the method development have given a hint on the problems connected with every microarray. However they also have shown the great possibilities of the microarray technology. In the ollowing series of measurements like the investigation of variation of expression during the juvenile development and the comparison of different parts of the brain with the whole brain were performed. The studies were completed by the investigation of the TRESK-Knockout mouse stem in comparison to its wild type. The centre of these studies was the question for possible mechanisms of compensation. As a result kcnk16 - being part of the same gene family as TRESK - can be named as an interesting candidate to be investigated for its function and capacity of compensation in the future. In my dissertation I was able to show that the microarray technology is an adequate method for the comparison of genexpression between members of ion channel families. The bases of the microarray analysis of potassium channels with a individually designed microarray are on the one side the knowledge of the genetics and function of the potassium channels and on the other side the technology which allows this kind of analysis. The fact that mammalian organism like mouse and human have developed such a great number of potassium channels and are using these in the regular cell metabolism in a comprehensive way shows the importance of this ion channel family and makes the research on these channels so interesting and important for fundamental research. A multiplicity of diseases can be attributed indirectly or directly to gene malfunctions in potassium channels. With microarray a technology is available, which permits to investigate the expression of these genes directly and to discover possible ways of compensation. By this coherences can be identified being the basis for continuative research which one day will make it possible to really understand and treat diseases like depression.

Techn. Universiẗat, Diss., 2005--Darmstadt.

Humboldt-Universiẗat, Diss.--Berlin, 2007.

Tübingen, Univ., Diss., 2004.

During this PhD project three technical platforms were either improved or newly established in order to identify interesting genes involved in SNF, validate their expression and functionally characterise them. An existing 5.6K cDNA array (Colebatch et al., 2004) was extended to produce the 9.6K LjNEST array, while a second array, the 11.6K LjKDRI array, was also produced. Furthermore, the protocol for array hybridisation was substantially improved (Ott et al., in press). After functional classification of all clones according to the MIPS database and annotation of their corresponding tentative consensus sequence (TIGR) these cDNA arrays were used by several international collaborators and by our group (Krusell et al., 2005; in press). To confirm results obtained from the cDNA array analysis different sets of cDNA pools were generated that facilitate rapid qRT-PCR analysis of candidate gene expression. As stable transformation of Lotus japonicus takes several months, an Agrobacterium rhizogenes transformation system was established in the lab and growth conditions for screening transformants for symbiotic phenotypes were improved. These platforms enable us to identify genes, validate their expression and functionally characterise them in the minimum of time.<br> The resources that I helped to establish, were used in collaboration with other people to characterise several genes like the potassium transporter LjKup and the sulphate transporter LjSst1, that were transcriptionally induced in nodules compared to uninfected roots, in more detail (Desbrosses et al., 2004; Krusell et al., 2005). Another gene that was studied in detail was LjAox1. This gene was identified during cDNA array experiments and detailed expression analysis revealed a strong and early induction of the gene during nodulation with high expression in young nodules which declines with the age of the nodule. Therefore, LjAox1 is an early nodulin. Promoter:gus fusions revealed an LjAox1 expression around the nodule endodermis. The physiological role of LjAox1 is currently being persued via RNAi.<br> Using RNA interference, the synthesis of all symbiotic leghemoglobins was silenced simultaneously in Lotus japonicus. As a result, growth of LbRNAi lines was severely inhibited compared to wild-type plants when plants were grown under symbiotic conditions in the absence of mineral nitrogen. The nodules of these plants were arrested in growth 14 post inoculation and lacked the characteristic pinkish colour. Growing these transgenic plants in conditions where reduced nitrogen is available for the plant led to normal plant growth and development. This demonstrates that leghemoglobins are not required for plant development per se, and proves for the first time that leghemoglobins are indispensable for symbiotic nitrogen fixation. Absence of leghemoglobins in LbRNAi nodules led to significant increases in free-oxygen concentrations throughout the nodules, a decrease in energy status as reflected by the ATP/ADP ratio, and an absence of the bacterial nitrogenase protein. The bacterial population within nodules of LbRNAi plants was slightly reduced. Alterations of plant nitrogen and carbon metabolism in LbRNAi nodules was reflected in changes in amino acid composition and starch deposition (Ott et al., 2005). These data provide strong evidence that nodule leghemoglobins function as oxygen transporters that facilitate high flux rates of oxygen to the sites of respiration at low free oxygen concentrations within the infected cells. / Pflanzen der Ordnung der Leguminosen sind von weltweiter Bedeutung für Landwirtschaft und die allgemeine Nährstoffzusammensetzung von Böden. Die physiologische Besonderheit der Leguminosen liegt in ihrer Fähigkeit begründet, zusammen mit Bakterien, den sogenannten Rhizobien, eine Symbiose einzugehen, im Zuge derer es möglich wird, molekularen Luftstickstoff zu binden. Dieser biochemische Prozess findet in neu gebildeten Pflanzenorganen, den sogenannten Wurzelknöllchen statt.<br> In den Pflanzenwissenschaften werden Gene, die im Zuge der Infektion von Leguminosen mit Rhizobien reguliert werden und für den Entwicklungsprozess der Knöllchen eine wichtige Rolle zu spielen scheinen, als Noduline bezeichnet. Mit Hilfe von sogenannten Hochdurchsatzverfahren ist es in den letzten Jahren möglich geworden, die differentielle Expression von Tausenden von Genen gleichzeitig zu beobachten. Zu diesen Verfahren gehören sogenannte cDNA Arrays. Im Zuge dieser Doktorarbeit wurden die weltweit zweitgrößten cDNA Arrays für die Modell-Leguminose Hornklee (Lotus japonicus), der in unserer Gruppe als Untersuchungsobjekt verwendet wird, entwickelt. Mit Hilfe dieser Methode ist es uns möglich, die Regulation von etwa 15.000 Genen gleichzeitig zu untersuchen. Im Zuge von Untersuchungen, die sich mit der Entwicklung von Wurzelknöllchen in Lotus japonicus beschäftigten wurde ein Nodulin, dessen Existenz früher schon einmal beschrieben wurde, noch einmal bestätigt und die Funktion dieses Genes genauer untersucht. Es kodiert für das Enzym Vitamin C Oxidase, das unter Verwendung von molekularem Sauerstoff reduziertes Vitamin C zu einer anderen Form, dem Dehydroascorbat, oxidiert. Dabei wird Wasserstoffperoxid gebildet. Es konnte gezeigt werden, dass sich die Transkription dieses Gens in infizierten Wurzeln kontinuierlich im Verlauf der Symbiose erhöht, jedoch ist die Transkription in jungen Wurzelknöllchen höher als in alten. Darüber hinaus ist es in nur einer Zellschicht der Wurzelknöllchen, die sehr wichtig für die Entwicklung und tatsächliche Funktion der Knöllchen ist, aktiv. Aus den Beobachtungen kann geschlossen werden, dass dieses Gen eine wichtige Funktion in der Entwicklung der Knöllchen zu spielen scheint und vermutlich zur Zellstreckung und Zellteilung in dieser speziellen Zellschicht beiträgt. In einem zweiten Teil der Arbeit wurde sich einem zweiten und dem wohl wichtigsten Nodulin der Leguminosen, dem Leghämoglobin, gewidmet. Leghämoglobin ist dem menschlichen Blutbestandteil Hämoglobin sehr ähnlich und erfüllt dieselbe Aufgabe: es bindet Sauerstoff. Dieser Prozess ist für Leguminosen von erheblicher Bedeutung, da die bereits beschriebene Fixierung von molekularem Luftstickstoff durch ein bakterielles Enzym katalysiert wird, das extrem sauerstoffempfindlich ist. Leghämoglobine gelten unbestritten als die am besten charakterisierten Einweiße aus Wurzelknöllchen und Wissenschaftler behaupten seit fast 40 Jahren, dass sie essentiell für die Funktion der Knöllchen sind. Doch dies wurde bis jetzt nie bewiesen.<br> Mit Hilfe einer neuen Methode, die die spezifische Bildung von Eiweißen verhindert, war es uns möglich, die Synthese von Leghämoglobin in Lotus japonicus vollkommen zu unterdrücken. In Folge dessen zeigen die transgenen Pflanzen deutliche Nährstoffmangelerscheinungen, wenn sie ohne zusätzlichen Stickstoff aber zusammen mit Rhizobien angezogen werden. Sie können zwar Wurzelknöllchen bilden, jedoch sind diese kleiner und haben nicht die charakteristische rötliche Farbe, die bei unveränderten Pflanzen gefunden wird. Der Phänotyp dieser transgenen Pflanzen wird ganz eindeutig durch ihre Unfähigkeit hervorgerufen, Luftstickstoff fixieren zu können. Der Grund dafür ist das Fehlen des bakteriellen Enzyms, das für die Fixierung verantwortlich ist. Dieser Verlust wird durch erhöhte Sauerstoffgehalte in den Knöllchen verursacht. Außerdem konnten durch weitere Untersuchungen eine der vermuteten Funktionsmechanismen von Leghämoglobin bestätigt werden. Diese hier präsentierten Untersuchungen beweisen erstmalig die jahrzehnte alte Hypothese, dass Leghämoglobine essentiell für die Stickstofffixierung in Leguminosen sind.