Arterien und Venen sind aufgrund ihrer Funktion im Körper morphologisch, funktionell und genetisch unterschiedlich. Schon die großen Blutgefässe auskleidende Endothelzellen zeigen eine arteriovenöse Determinierung. Ausgehend von einer Mikroarray-Analyse der mRNA-Expression arterieller und venöser Endothelzellen der Nabelschnur wurde im Rahmen dieser Arbeit auf Moleküle des Notch-Signalwegs, Dll-4, Notch-4, Hey-1 und Hey-2 fokussiert, die präferenziell bis exklusiv arteriell exprimiert werden. Weitere Gene mit einem arteriellen Expressionsmuster, die im Rahmen der vorliegenden Arbeit analysiert wurden, sind Angiopoietin-2 und CD44s. Trotz der genetisch definierten Unterschiede ließ der Vergleich physiologisch relevanter Funktionen, wie Proliferation oder die Interaktion mit monozytären Zellen keinen vom endothelialen Zelltyp abhängigen Unterschied erkennen. Die im Matrigel ausgebildeten kapillar-ähnlichen Strukturen sind durch homogene, eng beieinander liegende Netzwerke charakterisiert. Studien über den Einfluss von Wachstumsfaktoren und Schubspannung auf die arteriovenöse Expression von Angiopoietin-2 deuten auf eine schubspannungsvermittelte Regulation der Gefäßstabilität und Differenzierung hin. Die in der Zellkultur durchgeführten Manipulationen, wie der Einfluss verschiedener Wachstumsfaktoren oder die Applikation unterschiedlicher Schubspannungen, erreichten in Bezug auf die Expression der untersuchten Markergene keine tiefer greifende Redifferenzierung des jeweiligen endothelialen Phänotyps. Der evolutionär hoch konservierte Notch-Signalweg ist präferenziell arteriell exprimiert, wobei Hey-2 ausschließlich arteriell exprimiert wird. In adulten Endothelzellen erfolgt die Hey-2-Regulation jedoch Notch-unabhängig. Die arteriovenöse Genexpression von Molekülen des Notch-Signalwegs ist unabhängig von der Schubspannung. Unter hypoxischen Bedingungen verringerte sich die Expression von Dll-4, Hey-1 / 2 dramatisch, ohne das jedoch physiologische Beeinträchtigungen zu beobachten waren. Die Expression des venösen COUP-TF II wird in arteriellen Endothelzellen nicht durch den Notch-Signalweg reguliert. Die Auswertung der Daten in der vorgelegten Arbeit lässt vermuten, dass die einmal festgelegte genetische Determinierung adulter Endothelzellen fixiert und äußeren Einflüssen gegenüber stabil und unumkehrbar ist. Dennoch ist eine gewisse Anpassungsfähigkeit der Endothelzellen an bestimmte Situationen möglich, die zwar die Ausprägung von Merkmalen des jeweilig anderen Phänotyps beinhaltet, jedoch nicht eine vollständige Redifferenzierung.

Diabetes mellitus is a group of metabolic disorders that are characterized by chronic hyperglycaemia. There are currently over 460 million people living with diabetes and the incidence rate for the most common types is sharply on the rise. The hyperglycaemia and subsequently the majority of diabetic side-effects can be cured by ß-cell transplantation. There is a severe lack of donor tissue for clinical transplantations, hence ß cells derived from human pluripotent stem cells (hPSCs) offer an attractive option for obtaining the necessary cells for a ß-cell therapy. The current ß-cell differentiation protocols are lengthy, expensive and relatively inefficient. Therefore, it remains unrealistic to scale up production to obtain the necessary 1 billion cells per patient to achieve normoglycaemia. The exponential expansion of an intermediate pancreatic progenitor (PP) population would allow for significant reduction of the cost and time necessary for the production of ß-cells in vitro and, more importantly, it would allow to relatively easily obtain the number of cells necessary for clinical applications. Thus far, the reproducible expansion of suitable hPSC-derived PPs in a chemically-defined, feeder-free culture condition has not been reported. Our lab has found that a previously reported medium suitable for the temporary expansion of reprogrammed fibroblast-derived PPs could occasionally, in 20% of the cases, mediate expansion of PSC derived PPs. To elucidate the requirements for reproducible expansion, I analysed transcriptomic data from PSC-derived PPs before and following expansion. Several regulated signalling pathways were identified and from these data, I formulated nine candidate expansion conditions (C0-C8) to test. Five of these conditions were able to reproducibly expand hPSC-derived PPs. Of those five conditions, C6 was found to mediate the fastest expansion with a doubling time of 2.2 days, maintained a stable expression of the crucial bipotent trunk progenitor transcription factor (TF) markers PDX1, NKX6.1, SOX9 and FOXA2 and minimized the expression of the hepatic and intestinal markers AFP and CDX2. The C6 expanded PPs were able to further differentiate into pancreatic endocrine progenitors (PEPs) in three-dimensional (3-D) islet-sized clusters formed in micropatterned wells. Micropatterned wells offer the additional advantage of size-controlled, uniform clusters and low culture volumes compared to suspension culture bioreactors proposed for the large-scale production of such clusters, but the use of micropatterned wells has not been reported for such an application thus far. These PEPs showed strong upregulation of the crucial endocrine specific TF NGN3 and around 90% were positive for NEUROD1, a downstream effector of NGN3, as determined by flow cytometry analysis. The PEPs were subsequently differentiated into insulin (INS)-producing ß-cells at around 20% efficiency. The ß-cells were also strongly expressing functionality genes such as zinc transporter 8 (ZnT8), glucokinase (GCK), prohormone convertase 1/3 (PC1/3) and sulfonylurea receptor 1 (SUR1, a subunit of KATP channel) and around 10% of them were expressing the crucial maturation marker MAFA, as determined by flow cytometry analysis of ß-cells derived from the H1INS1-GFP/MAFA-mCHERRY double reporter line generated in the lab. In summary, I have established a feeder-free, chemically defined and ‘good manufacturing practice’ (GMP)-compatible culture condition for the exponential expansion of hPSC-derived PPs that allows for the production of ß-cells at a fraction of the cost of conventional differentiation protocols. Ongoing work is being done to further optimise the expansion conditions to completely eliminate hepatic and intestinal markers and to optimise the subsequent differentiation steps in micropatterned wells to achieve a high-efficiency differentiation towards functional ß-cells. / Diabetes Mellitus ist eine Gruppe metabolischer Krankheiten, die sich durch chronische Hyperglykämie charakterisiert. Es gibt zurzeit über 460 Millionen Menschen, die mit Diabetes leben und die Inzidenzrate der häufigsten Formen steigt dramatisch. Die Hyperglykämie und die Mehrheit der daraus resultierenden diabetischen Begleiterscheinungen können durch ß Zell Transplantation geheilt werden. Da es einen enormen Gewebespendermangel für klinische Transplantationen gibt, bieten von humanen pluripotenten Stammzellen (hPSCs) stammende ß Zellen eine attraktive Option, um die notwendigen Zellen für eine ß Zell Therapie zu erhalten. Die momentanen ß Zell Differenzierungsprotokolle sind langwierig, teuer und relativ ineffizient. Deshalb bleibt eine Produktionsvergrößerung zur Gewinnung der notwenigen 1 Milliarde Zellen pro Patient zum Erreichen einer Normoglykämie unrealistisch. Die exponentielle Expansion einer intermediären pankreatischen Vorläuferpopulation (PP) würde eine signifikante Kosten und Zeitreduktion zur Produktion von ß Zellen in vitro erlauben und, noch wichtiger, würde relativ einfach ermöglichen, die notwendigen Zellzahlen für klinische Anwendungen zu erzielen. Bisher wurde von einer reproduzierbaren Expansion geeigneter, von hPSC stammenden PPs in einer chemisch definierten Zellkulturbedingung, die frei von Feeder Zellen ist, nicht berichtet. Unser Labor fand heraus, dass ein im Vorfeld veröffentlichtes Medium, welches für die vorrübergehende Expansion von reprogrammierten, von Fibroblasten stammenden PPs geeignet ist, in 20% der Fälle die Expansion von aus hPSC gewonnenen PPs herbeiführen konnte. Um die Anforderungen für eine reproduzierbare Expansion zu eruieren, analysierte ich transkriptomische Daten von aus PSC gewonnenen PPs vor und nach erfolgter Expansion. Mehrere regulierte Signalwege wurden identifiziert und von diesen Daten formulierte ich neun zu testende Kandidatenexpansionsbedingungen (C0-C8). Fünf dieser Bedingungen ermöglichten es von PSC stammende PPs reproduzierbar zu expandieren. Von diesen fünf Bedingungen war C6 die, welche die schnellste Expansion mit einer Dopplungszeit von 2.2 Tagen herbeiführte, eine stabile Expression der essenziellen Marker von bipotenten Stammvorläuferzellen, PDX1, NKX6.1, SOX9 und FOXA2, aufrechterhielt und die Expression von den hepatischen und intestinalen Markern AFP und CDX2 minimierte. Den C6 expandierten PPs war es möglich, sich in pankreatisch endokrine Vorläufer (PEP) in dreidimensionalen (3 D), inselgroßen Kluster, welche in mikrogemusterten Wells geformt wurden, zu differenzieren. Mikrogemusterte Wells bieten den zusätzlichen Vorteil von größenkontrollierten, uniformen Kluster und niedrigen Kulturvolumina im Vergleich zu Suspensionskulturbioreaktoren, welche für die Großmengenproduktion solcher Kluster vorgeschlagen wurden. Jedoch wurde bisher über die Benutzung von mikrogemusterten Wells für solch eine Anwendung nicht berichtet. Diese PEPs zeigten eine starke Hochregulation des essenziellen, endokrin spezifischen Transkriptionsfaktors (TF) NGN3 und 90% waren positiv für NEUROD1, einem nachgelagerten Effektor von NGN3, was anhand der Analyse der Durchflusszytometrie bestimmt wurde. Darauffolgend wurden die PEPs mit einer Effizienz von etwa 20% in Insulin (INS) produzierende ß Zellen differenziert. Diese ß Zellen zeigten ebenfalls eine starke Expression von Funktionalitätsgenen wie ZnT8, GCK, PC1/3 und SUR1 und etwa 10% von ihnen exprimierten den essenziellen Maturationsmarker MAFA, wie es mittels Analyse der Durchflusszytometrie von aus einer INS-GFP/MAFA-mCHERRY Doppelreporterlinie gewonnenen ß Zellen bestimmt wurde. Zusammenfassend habe ich eine Kulturbedingung für die exponentielle Expansion von aus hPSC gewonnenen PPs etabliert, die frei von Feeder Zellen, chemisch definiert und kompatibel mit der Guten Herstellungspraxis ist, welche die Produktion von ß Zellen zu einem Bruchteil der Kosten konventioneller Differenzierungsprotokollen ermöglicht. Es wird weiterhin daran gearbeitet, die Expansionsbedingungen zu optimieren, um die hepatischen und intestinalen Marker komplett zu eliminieren und die darauffolgenden Differenziationsschritte in mikrogemusterten Wells zu verbessern, um letztendlich eine hocheffiziente Differenzierung zu funktionellen ß-Zellen zu erreichen.

Pancreatic β-cells have a central function in the regulation of glucose homeostasis by releasing the blood sugar-lowering hormone insulin. Disruption of this process results in diabetes, which has a tremendous impact on the quality of life and requires lifelong treatment. Elucidating the mechanisms of pancreatic progenitor cell differentiation into fully functional β-cells will contribute to identifying the underlying reasons for β-cell dysfunction and to finding a cure for diabetes. Aldh1b1 was identified by our research group as a regulator of pancreas development and β-cell functionality. Aldh1b1 is a mitochondrial enzyme, expressed in all embryonic pancreas progenitors. Its expression is switched off during the process of differentiation and is undetectable in differentiated cells. Functional inactivation of Aldh1b1 in the mouse leads to premature differentiation of progenitor cells in the embryo and dysfunctional β-cells in the adult. However, the enzymatic function of Aldh1b1 in pancreas progenitors and how it ultimately affects β-cell functionality remained to be elucidated. In this study, I analyzed the role of Aldh1b1 in the metabolism of embryonic pancreas progenitor cells and its impact on chromatin structure and gene expression in both, progenitors and postnatal β-cells. Flow cytometry analysis of freshly isolated Aldh1b1 null embryonic pancreas progenitors showed a significant increase in ROS levels as well as a significant decrease in mitochondrial mass, whereas the mitochondrial membrane potential was not affected. To elucidate the impact of Aldh1b1 on cellular metabolism, I conducted metabolic flux experiments and untargeted metabolomics studies using FACS-isolated embryonic pancreas progenitors expanded in a 3D spheroid culture. Analyses following metabolic labeling with either 13C6-Glucose or 13C2-Glutamine showed that the absence of Aldh1b1 lead to an increase of the reductive glutamine metabolism towards citrate, a reaction that channels carbon units into the acetyl-CoA biosynthesis. However, the ACLy-dependent flux towards acetyl-coA synthesis was reduced and this was consistent with reduced expression of ACLy as well as the citrate transporter SLC25a1. A decrease in cellular acetyl-CoA would reduce histone acetylation. Untargeted metabolomics showed an increase in the concentration of S-adenosyl-methionine, suggesting increased DNA and histone methylation. Consistent with these findings, ATAC-Seq analyses on freshly isolated pancreatic progenitors showed reduced chromatin accessibility at genes implicated in chromatin organization, protein acetylation and histone modification. Transcription motif analysis showed that the affected genomic sites were mainly associated with the binding of Klf/Sp and Nrf1 transcription factors. Transcriptome analyses displayed that the expression of genes implicated in progenitor differentiation, ECM organization and transcriptional regulation was affected. Furthermore, transcriptome analyses of early postnatal β-cells uncovered early signs of oxidative stress and increased proliferation, thus providing the basis to explain the β-cell phenotype in Aldh1b1 null mice. I then used organotypic cultures of embryonic pancreata to investigate the connection between high ROS levels and aberrant differentiation in the Aldh1b1 null pancreata. Reducing ROS levels using NAC enabled the reversal of the aberrant transcription factor expression and increased viability of Aldh1b1 null explants, thus identifying high ROS levels as a driving force in this process. To investigate how persisting Aldh1b1 expression would affect progenitor differentiation, I generated ROSA26LSLAldh1b1, an inducible constitutive Aldh1b1 expression line. Progenitors with continuous Aldh1b1 expression avoided the endocrine cell fate, underscoring the importance of timely Aldh1b1 downregulation in the course of β-cell differentiation. Altogether, my work provides strong evidence for the role of Aldh1b1 as a metabolic regulator in the process of progenitor cell differentiation and identifies a link between metabolism and gene regulation through chromatin accessibility during development. Aldh1b1 inactivity causes defects in embryonic progenitor cells as well as postnatal β-cells and could therefore contribute, as genetic risk factor, to the development of hyperglycemia and diabetes later in life. Comprehending the mechanisms underlying the process of pancreas progenitor differentiation as well as the origins of β cell dysfunction should assist in the design of novel therapeutic interventions for diabetes.

Die Grundlage der Entwicklung multizellulärer Lebewesen bildet die Herausbildung stabiler Zelllinien aus einer einzelnen Zygote. Die Expression spezifischer Kombinationen von Transkriptionsfaktoren ist von zentraler Bedeutung für diesen Prozess. Des Weiteren sind epigenetische Veränderungen des Genoms von Bedeutung, über deren Verhältnis zu Änderungen der Zell-Identitäten weniger bekannt ist. In dieser Arbeit nutze ich Daten aus scATAC-seq und scRNA-seq (mit metabolischer Markierung; scSLAM-seq) um die regulierenden Elemente im Seeigel zu charakterisieren – vom 4-Zell-Stadium, über die Aktivierung des zygotischen Genoms, bis hin zu den Strukturen der frühen Pluteus-Larve. Die Schicksale der einzelnen Zellen des Seeigels sind gut erforscht und ab der vierten Zellteilung etabliert (auch wenn einzelne Veränderungen bis zum 128-Zell Stadium induziert werden können), wonach die Keimblätter fest verankert sind. Plastizität innerhalb der Keimblätter ist mindestens bis zum Ende der Gastrulation möglich. Mithilfe dieser Daten, sowie den bekannten Ergebnissen der Erforschung der Zellschicksale vergangener Jahrzehnte, ist eine Diversifizierung von Zelltypen ersichtlich, die beim 128-Zell-Stadium mit der großen Welle der zygotischen Genomaktivierung (ZGA), einer Veränderung des Chromatinzustandes und dem Verlust der Entwicklungsplastizität einhergeht. Ein kleiner Teil von Genen, im Allgemeinen zelltypspezifische Transkriptionsfaktoren, wird schon vor der großen Welle der ZGA exprimiert, während sich gut offene Chromatinstrukturen auf wenige, distinkte regulatorische Sequenzen beschränken. Von diesem Zeitpunkt an, wird die Genexpression zelltypspezifisch, auch wenn viele Chromatinelemente weiterhin zelltypübergreifend offen sind. Insgesamt sind die Chromatinelemente recht kompakt und Elemente innerhalb der Gene häufig. Danach porträtiere ich noch die regulatorischen Veränderungen die mit der neuralen Entwicklung, sowie der Diversität von skelettbildenden Zellen im Seeigel einhergehen. Zuletzt identifiziere ich ~ 100 Gene, die in die Kalzifizierung des Skelettes des Seeigels involviert sind. / The emergence of multiple, stable cell lineages from a single-cell zygote is the essence of multicellular development. Combinatorial transcription factor expression is central to this process, as well as epigenetic changes whose relationship to changes in cell-identity are far less well understood. In this thesis, I use data from scATAC-seq and scRNA-seq (with metabolic labeling; scSLAM-seq) to characterize the regulatory landscapes of sea urchin development spanning from the 4-cell embryo through maternal zygotic transition (MZT), gastrulation, and the early pluteus larvae with its ecologically relevant structures (~72h). The early fate-map in sea urchins is well understood, providing an ideal model for this analysis; the basic fate-map is established by the fourth cleavage (though inducible lineage changes are possible up to the 128-cell stage) after which germ-layer identity is locked, though there remains considerable plasticity within lineages at least through gastrulation. Using these data, along-side classic research into cell fate maps in the early embryo, I find that cell-type diversification and a loss of plasticity at 128-cell stage corresponds to a major wave of zygotic genome activation (ZGA) and a clear resolution of the chromatin landscape in the sea urchin. However, a subset of genes, often cell-type-specific transcription factors, shows evidence of pre-MZT zygotic expression with early chromatin accessibility limited to few sites with distinct regulatory sequences. From this time, gene expression profiles become highly cell-type-specific, though many regulatory elements remain ubiquitously accessible, suggesting differential transcription factor occupancy at broadly accessible sites. Overall, the regulatory landscape is fairly compact with accessible intragenic elements being frequent. Subsequently, I profile the regulatory changes underlying neurodevelopment and the diversity of skeletogenic cells in the sea urchin. Finally, I also identify ~ 100 genes that are associated with calcification of the sea urchin skeleton.

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We report the use of thin film poly(dimethylsiloxane) (PDMS) prints for the arrayed mass production of highly uniform 3-D human HT29 colon carcinoma spheroids. The spheroids have an organotypic density and, as determined by 3-axis imaging, were genuinely spherical. Critically, the array density impacts growth kinetics and can be tuned to produce spheroids ranging in diameter from 200 to 550 µm. The diffusive limit of competition for media occurred with a pitch of ≥1250 µm and was used for the optimal array-based culture of large, viable spheroids. During sustained culture mass transfer gradients surrounding and within the spheroids are established, and lead to growth cessation, altered expression patterns and the formation of a central secondary necrosis. These features reflect the microenvironment of avascularised tumours, making the array format well suited for the production of model tumours with defined sizes and thus defined spatio-temporal pathophysiological gradients. Experimental windows, before and after the onset of hypoxia, were identified and used with an enzyme activity-based viability assay to measure the chemosensitivity towards irinotecan. Compared to monolayer cultures, a marked reduction in the drug efficacy towards the different spheroid culture states was observed and attributed to cell cycle arrest, the 3-D character, scale and/or hypoxia factors. In summary, spheroid culture using the array format has great potential to support drug discovery and development, as well as tumour biology research. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Das Enzym 11beta-HSD1 stellt im intrazellulären Glucocorticoidstoffwechsel eine wichtige Prärezeptorkontrolle dar. Es reguliert die intrazelluläre Cortisolkonzentration durch die enzymatische Umwandlung des aus dem Blutkreislauf aufgenommenen und hormonell inaktiven Cortisons zum aktiven Cortisol. Die Bedeutung einer erhöhten 11beta-HSD1 Expression und Aktivität bei der Entstehung von Übergewicht und Insulinresistenz wurde bisher vorwiegend in Leber und Fettgewebe untersucht und nachgewiesen. Wenig erforscht sind die Funktionen der 11beta-HSD1 im Muskelgewebe. In dieser Arbeit wurde die Funktion und Regulation der 11beta-HSD1 im Skelettmuskel mithilfe der murinen Skelettmuskelzelllinie C2C12 und primärer humaner Myoblasten untersucht. Es konnte demonstriert werden, dass die 11beta-HSD1 in Abhängigkeit des Differenzierungsgrades exprimiert wird und als Oxo-Reduktase aktiv ist, sowie selbst einen Regulator der Differenzierung darstellt. Es zeigte sich ein Feed-Forward-Mechanismus des Cortisons, das die 11beta-HSD1 in den Skelettmuskelzellen akut und chronisch induzierte, sowie eine gleichzeitige Veränderung der GRalpha- und MRalpha-Expressionen gegenregulatorisch zur 11beta-HSD1. Die Daten aus der Mauszelllinie konnten zum größten Teil in primären humanen Myoblasten bestätigt werden. Zudem konnten mehrere Transkriptionsfaktoren wie CREB, Myogenin und MEF-2c identifiziert werden, die in den verschiedenen Phasen der Differenzierung unterschiedliche Relevanz für die Regulation der 11beta-HSD1 Promotoraktivität hatten. Des Weiteren wurden die Proteolyserate und die Expression der E3-Ubiquitin-Ligasen Atrogin-1 und MuRF-1 11beta-HSD1-abhängig durch Cortison induziert. Trotz alledem führte eine Langzeit-Stimulation mit Cortison zu einer 11beta-HSD1-abhängigen Induktion der Differenzierung mit einer Veränderung der Muskelfasertypen in Richtung langsam-zuckender Muskelfasern, was eine Bedeutung für das klinische Bild der glucocorticoid-induzierten Muskelatrophie haben kann. / The enzyme 11beta-HSD1 functions as an important pre-receptor control of intracellular glucocorticoid action regulating the intracellular cortisol concentration by enzymatic conversion of the hormonal inactive cortisone up-taken from blood circulation to the active cortisol. A pivotal role of an increased 11beta-HSD1 expression and activity for the development of overweight and insulin resistance has been analysed and demonstrated particularly in liver and adipose tissue. However, the functions of 11beta-HSD1 in skeletal muscle tissue are rarely investigated. For analysis of function and regulation of the 11beta-HSD1 in skeletal muscle the murine skeletal muscle cell line C2C12 as well as primary human myoblasts from healthy volunteers were used. 11beta-HSD1 was shown to be expressed and functionally active as oxo-reductase in human and murine skeletal muscle cells dependent on the differentiation but as well to function as a regulator of differentiation itself. The stimulation experiments revealed a feed-forward-mechanism of cortisone that induced 11beta-HSD1 acutely and chronically. Concurrently, GRalpha and MRalpha were expressed contra-regulatory to 11beta-HSD1. For the most part these data were confirmed in human primary myoblasts. Several transcription factors as CREB, Myogenin and MEF-2c were identified having different relevance for regulation of 11beta-HSD1 promoter activity during the different phases of differentiation. Furthermore, treatment with cortisone increased protein degradation and expression of the two E3-ubiquitin-ligases Atrogin-1 and MuRF-1 in an 11beta-HSD1-dependent way. Nonetheless, a long-term stimulation by cortisone revealed an 11beta-HSD1-dependent induction of differentiation accompanied by modification of muscle fiber type composition towards slow-twitch muscle fibers that may play a role for the clinical picture of glucocorticoid-induced muscle atrophy.

Die Motive von Gewalthandlungen unterscheiden sich erheblich voneinander. Verschiedene wissenschaftliche Fachrichtungen beschäftigen sich intensiv mit der Differenzierung von Dissozialität, Gewalt und Aggression. Vor allem in der Neurobiologie, der Psychologie und Psychiatrie (dort insbesondere in psychoanalytischen Konzepten), in der Untersuchung von Lebensverläufen und in der Kriminologie werden häufig zwei Handlungsmotive unterschieden: ein affektives Motiv und ein instrumentelles Motiv. Wenngleich viele verschiedene Begrifflichkeiten verwendet werden und fachrichtungsspezifisch jeweils andere Aspekte der Phänomene im Fokus der Betrachtung stehen, werden doch in vielen Publikationen ähnliche Sachverhalte beschrieben. Legt man die Ergebnisse der unterschiedlichen Studien übereinander, ergibt sich ein recht scharf umrissenes instrumentelles Motiv und ein weniger deutliches affektives Motiv. In dieser Arbeit wird deshalb eine weitere Unterteilung des affektiven Motivs in ein reaktives und ein intrinsisches vorgeschlagen, die in einem dimensionalen Bezug zueinander stehen. Diese Dreiteilung ließ sich in einer quantitativen Untersuchung abbilden. Die differenzierende Beschreibung eines reaktiven, intrinsischen und instrumentellen Motivs als Ergebnis vielfältiger Verknüpfung, hat eine hohe Relevanz für die pädagogische Praxis. Fast alle Programme sind für reaktiv motivierte Täter entwickelt und berücksichtigen die Spezifika der anderen Motivlagen kaum oder gar nicht. Die vorliegende Arbeit schließt deshalb mit einer Empfehlung für die Praxis, die den Weg zu passgenauen, für spezifische Motivlagen geeignete Programme ebnen könnte, so dass eine indikative Auswahl auf der Basis einer pädagogischen Diagnostik möglich würde. / The motives regarding the acts of violence differ considerably. Various scientific fields closely examine the differentiation of dissociality, violence and aggression. Particularly in neurobiology, psychology and psychiatry (especially within psychoanalytical concepts), in the examination of life courses, and criminology two motives are frequently distinguished: an affective and an instrumental motive. Even though many different terms are used and, depending on the field, other aspects of the phenomena are focused on, scientific publications describe similar circumstances. The comparison of the findings of the different studies results in a well-defined instrumental and a less distinct affective motive. Therefore, this paper suggests a further differentiation of the affective motive into a reactive and an intrinsic one, with a dimensional connection to each other. This tripartition is shown in a quantitative study. The differentiated description of a reactive, intrinsic and instrumental motive as a result of multiple conjunctions is highly relevant for the pedagogical practice. Almost all programs are designed for reactive motivated offenders and hardly consider the specifics of other motives if they consider them at all. Therefore, this paper concludes with a recommendation for the practice, which could initiate the start of adequate programs related to the specific motives and facilitate an indicative selection based on pedagogical diagnostic.

Mit der vorliegenden Arbeit wurde ein Konzept zur differenzierten Beurteilung und Rückmeldung mathematischer Kompetenzen entwickelt und exemplarisch erprobt. Damit liegt ein Beurteilungskonzept vor, dass fachdidaktischen Anforderungen an einen kompetenzorientierten Mathematikunterricht genügt aber auch alltagstauglich ist. Es erlaubt dem Lehrer seinen Schülern ihre Stärken und Schwächen bei der Bearbeitung mathematischer Aufgaben differenziert und konkret aufzuzeigen und Hinweise zum selbständigen Lernen zu geben. Die Differenzierung in die vier Kompetenzbereiche darstellend-interpretativ, heuristisch-experimentell, formal-operativ und kritisch-argumentativ spiegelt fachdidaktische Zielsetzungen an den Mathematikunterricht wider. Das mathematische Grundwissen bildet als Grundlage der Ausprägung von Kompetenzen die fünfte Beurteilungskomponente. Für den spezifischen Zweck der differenzierten Beurteilung wurde ein Aufgabenanalyseinstrument entwickelt. Dieses vereint Kriterien an Aufgaben zum Leisten, allgemeine Kriterien der Aufgabenqualität und Kriterien verbunden mit der Anregung vielseitiger mathematischer Kompetenzen. Darüber hinaus werden kompetenzspezifische Anforderungen beschrieben. Die Beurteilung der bei der Aufgabenbearbeitung dargelegten Kompetenzen erfolgt durch kompetenz- und aufgabenspezifische Beurteilungskriterien. Individuelle Rückmeldungsbögen enthalten für die erfassten Kompetenzen kriterienorientierte Beurteilungen und lernfördernde Hinweise. Bei der exemplarischen Erprobung des Konzeptes in drei mathematisch profilierten Klassen zeigten sich unterschiedliche Leistungsverteilungen für die einzelnen Kompetenzbereiche. Es wurden zum einen Stärken und Schwächen der Schüler deutlich. Zum anderen zeigten aufgabenabhängige Unterschiede innerhalb der Kompetenzbereiche, dass die Kompetenzdarlegungen von der Art der Aufgabe oder vom speziellen angesprochenen Inhalt abhängen. In einer weiteren Untersuchung wurden die mit einer Aufgabe intendierten Aktivitäten den tatsächlich ausgeführten gegenübergestellt. Aus der Umsetzung verschiedener Aufgaben wurden Hinweise zur Aufgabengestaltung für die differenzierte Beurteilung im Mathematikunterricht abgeleitet. / With the presented paper a concept of differentiated assessment and feedback of mathematical competencies was developed and exemplary tested. It allows the teacher to show his students in a differentiated and task-bounded way their strong and weak points connected with recommendations for independent learning. The differentiation in descriptive, heuristic, formal and argumentative competencies reflects didactically goals for mathematical lessons. Any development and demonstration of competencies is only possible if the necessary knowledge is available. For this reason the mathematical knowledge is another important element of competence-orientated assessment. To choose and construct tasks for the differentiated assessment an analysis instrument was developed. It includes criterions on tasks for testing, general criterions on task quality and the claim to stimulate various mathematical activities. In addition the analysis instrument describes properties of competence specific claims. For a transparent and objective assessment of ambitious competencies like arguing or problem solving competence and task specific criterions of assessment were prepared. Individual feedback-sheets include for the competencies related to the task a quantitative criterion-orientated assessment, verbal interpretations and learning-supporting recommendations. The concept was exemplary tested in three mathematical profiled classes. Differentiated performance distributions were observed for the different areas of competencies. Strong and weak points of the student could be shown in nearly constant levels, but also task-depending variations. The clearly task-depending variations within an area of competencies indicates that the shown competencies are depending on the kind of the task or on there special mathematical topic. This speaks for a concrete task-related feedback. In a further investigation the potential of the task to induce activities was confronted with the activities really carried out by the students. From the realization of different tasks recommendations to design tasks for the differentiated assessment of mathematical competencies were deduced.