Wachstum und Entwicklung pflanzlicher Gewebe bedingen eine fortwährende Veränderung von Source-Sink Beziehungen. Gewebe mit einem Nettoexport (Source) oder - import (Sink) von Kohlenhydraten müssen ihren aktuellen Bedarf an Assimilaten entsprechend dem Entwicklungsstadium anpassen. Darüber hinaus haben Pflanzen als ortsgebundene Lebewesen Regulationsmechanismen entwickelt, die eine flexible Antwort der Assimilatverteilung auf spezielle Anforderungen des Habitats, wie biotische oder abiotische Stressfaktoren und wechselnde Lichtbedingungen, ermöglichen. Die Assimilatverteilung ist vielfältig reguliert und erfordert spezifische Enzymfunktionen, wie Zuckertransporter und saccharosespaltende Enzyme. Extrazelluläre Invertasen nehmen eine essentielle Funktion in der apoplastischen Phloementladung und in der Regulation von Source-Sink Übergängen ein. Dies spiegelt sich in dem Auftreten verschiedener Invertase- Isoenzyme mit speziellen Expressions- und Regulationsmustern wider, welche eine Koordination des Kohlenhydratmetabolismus in unterschiedlichen Geweben, zu unterschiedlichen Entwicklungsstufen und unter sich ändernden Umweltbedingungen ermöglichen. Ein detailliertes Wissen über die Funktion extrazellulärer Invertasen könnte eingesetzt werden, um Wachstum, Entwicklung oder Pathogenresisitenz von Nutzpflanzen gezielt zu verändern. In der vorliegenden Studie wurden die Regulationsmuster und die Funktion dreier extrazellulärer Invertasen aus Tomate, Lin5, Lin6 und Lin7 untersucht. Durch umfangreiche Promotorstudien konnte eine gewebe- und entwicklungsspezifische Expression dieser Isoenzyme und entsprechende Regulationsmuster offengelegt werden. Lin5 zeigt eine entwicklungsabhängige Expression in Früchten. Lin6 wird in frühen Entwicklungsstadien, beginnend mit der Samenkeimung, exprimiert; in ausgewachsenen Pflanzen ist eine Lin6 Expression nur in Pollen oder nach Verwundungsinduktion nachweisbar. Lin7 wird ausschließlich in Tapetum-Gewebe und Pollen exprimiert. Die hormonelle Regulation der Isogene wurde im Detail untersucht, hierbei konnten bekannte Phänotypen, welche durch Gibberellinsäure und Jasmonate bedingt werden, mit Invertasefunktionen in Korrelation gebracht werden. Darüber hinaus konnte in einem funktionalen Ansatz gezeigt werden, dass Lin7 eine wichtige Rolle in der Pollenkeimung zukommt. Die vorliegende Arbeit stellt die umfassendste Untersuchung extrazellulärer Invertasen während der Blütenentwicklung dar, an der drei Isoenzyme aus Tomate beteiligt sind. Dadurch, dass den einzelnen Invertasen Lin5, Lin6 und Lin7 individuelle Funktionen zugewiesen werden konnten, eröffnen sich neue Erkenntnisse über die Kohlenhydratversorgung während der Blüten- und Fruchtentwicklung. Für die untersuchten gewebespezifischen Promotoren eröffnen sich zudem Anwendungsmöglichkeiten in der Biotechnologie, was insbesondere für den pollenspezifischen Lin7 Promotor zutrifft. Es konnte gezeigt werden, dass der Lin6 Promotor das Ziel von hormon-, zucker- und verwundungsvermittelten Signalwegen ist. Darüber hinaus konnte nachgewiesen werden, dass Elemente des circadianen Oszillators von A. thaliana mit dem Lin6 Promotor funktionell interagieren und die Lin6 Expression einem diurnalen Rhythmus unterliegt. Dieses komplexe Regulationsmuster spiegelt sich in vielen cis-aktiven Elementen wider, die im Lin6 Promotor vorgefunden wurden. Durch dieses Merkmal wird die These gestützt, dass verschiedene Stimuli über die extrazelluläre Invertase integriert werden und so eine koordinierte Zellantwort auf sich ändernde interne und externe Bedingungen ermöglicht wird. Nachdem Zuckermoleküle ihrerseits die Expression von Lin6 induzieren, wird dadurch eine Amplifikation von Signalen über eine positive Rückkopplungsschleife ermöglicht. Die Vielzahl an cis-aktiven Elementen und deren Anordnung im Lin6 Promotor stellen ein ideales Modellsystem dar, um Fragen in Bezug auf Signalinteraktion und -integration zu untersuchen. In einer umfangreichen Studie wurde der Lin6 Promotor erfolgreich als induzierbares Expressionssystem eingesetzt. Hierbei wurde ein Invertaseinhibitor unter der Kontrolle des cytokinininduzierbaren Lin6 Promotors in transgenen Tabakpflanzen exprimiert. Mit diesem Ansatz ist es gelungen einen kausalen Zusammenhang zwischen dem Hormon Cytokinin und extrazellulären Invertasen in der Seneszenzverzögerung herzustellen. Diese Studie zeigt, dass induzierbare Expressionssysteme essentiell sind, um spezifische Fragestellungen auf molekularer Ebene klären zu können. Bei der Klonierung obig genannter Promotorsequenzen haben sich zudem zwei interessante strukturelle Besonderheiten ergeben. Zum einen sind die Gene von Lin5 und Lin7 in einem Tandem auf dem Genom angeordnet, zum anderen konnte eine Transposoninsertion im Intron I des Lin5 Gens gezeigt werden. Mit einem Primerpaar, das aus der Transposaseregion dieses Transposons abgeleitet wurde, konnten entsprechende Sequenzen von mehreren Solanaceae Spezies gewonnen werden. / Because of growth and development, plant tissues are characterised by a permanent change in source-sink relations. Tissues with a net carbohydrate export (source) or import (sink) have to adopt their actual demand for assimilates according to the developmental status. Furthermore, plants, as sessile life forms, have developed regulatory mechanisms that enable a flexible response of assimilate partitioning to specific requirements of the habitat, like biotic and abiotic stress factors and changing light conditions. The distribution of assimilates involves specific enzyme functions including sugar transporters and sucrose cleaving enzymes and is regulated by a variety of stimuli. Extracellular invertases cover an essential function in apoplastic phloem unloading and play an important role in regulating source-sink relations. This property is reflected by the occurrence of different invertase isoenzymes with specific expression and regulation patterns that enable a co-ordination of the carbohydrate metabolism in diverse tissues, at different developmental stages, and under varying environmental conditions. Improved knowledge of extracellular invertase function might allow altering growth, development or pathogen resistance of crop plants in a specific way. The present study is aimed at elucidating the regulation patterns and functions of three members of the extracellular invertase gene family of tomato, Lin5, Lin6, and Lin7. Detailed promoter analysis revealed a tissue- and developmental-specific expression of isoenzymes and corresponding regulation patterns. Lin5 shows a developmental regulated expression in fruits. Lin6 is expressed in early developmental stages starting in germinating seeds; in grown up plants Lin6 is solely expressed in pollen and upon wound-stimulation. Lin7 is exclusively expressed in tapetum and pollen tissue. The hormonal regulation of all three isogenes was analysed in detail, whereby known GA- and JA-mediated flower phenotypes could be correlated with invertase functions. In addition, an important role of Lin7 invertase in pollen germination was demonstrated in a functional approach. This is the most profound analysis of extracellular invertases in the delicate process of floral organ development that includes three tomato isoenzymes. In particular, dissection of the individual roles of Lin5, Lin6, and Lin7 reveals novel insights in carbohydrate supply during flower and fruit development. The analysed tissue-specific promoters are profitable tools in plant biotechnology, which in particular applies to the pollen-specific Lin7 promoter. It has been demonstrated that the Lin6 promoter serves as target for hormonal-, sugar-, and wound-mediated signalling pathways. Moreover, a functional interaction of circadian oscillator elements of A. thaliana with the Lin6 promoter and a diurnal rhythm of Lin6 expression have been substantiated. This complex regulation pattern is reflected by the identification of many well-defined cis-acting elements within the Lin6 promoter. This feature supports an integration of various stimuli mediated via extracellular invertase expression resulting in a co-ordinated cellular response to changing internal and external conditions. As sugars on their part induce Lin6 expression, this could result in signal amplification via a positive feedback loop. Furthermore, the extensive appearance and constellation of cisacting elements within the Lin6 promoter provides the basis to answer questions in signal cross-talk and signal integration in plant gene expression. In addition, the Lin6 promoter was successfully used as an inducible expression system. In transgenic tobacco lines an invertase inhibitor was expressed under control of the cytokinin-inducible Lin6 promoter. Thereby, a causal relationship between cytokinin and extracellular invertase for the delay of senescence was demonstrated. This study emphasises the importance of inducible expression systems to address specific questions on a molecular basis. The above-mentioned promoter sequences were obtained via sequential genome walks. Hereby two interesting structural features appeared. First, Lin5 and Lin7 genes are arranged in a direct tandem repeat on the genome. Second, a CACTA-like transposon insertion in intron I of the Lin5 gene was revealed. A primer pair deduced from the transposase region of this transposon allowed the amplification of similar sequences of various Solanaceae species.

In the last years it became evident that many cytokines do not only bind to their specific cell surface receptors but also interact with components of the extracellular matrix. Mainly in Drosophila, several enzymes were identified, that are involved in glycosaminoglycan synthesis. Mutations in these enzymes mostly result in disturbances of several signaling pathways like hedgehog, wingless, FGF or dpp. In most cases it was, due to these pleiotropic effects, not possible to examine the relevance of matrix interactions for single pathways. The aim of this work was to examine the relevance of matrix interactions for the TGF-ß superfamily member DPP. Based on the fact that DPP is highly homologous to human BMP-2, the basic N-terminus of mature DPP was mutated, which has been shown to contain a heparin-binding site in BMP-2. Thus, a wildtype variant (D-MYC), a deletion variant (D-DEL), which lacked the whole basic part of the N-terminus and a duplication variant (D-DUP), which contained a second copy of the basic core moitiv, were generated. In order to characterise the variants biochemically, they were expressed in E.coli and refolded in a bioactive form. In chicken limbbud assay, the deletion variant was much more active than the wildtype variant, comparable to data of BMP-2. By means of biacore mesurements with the immobilised ectodomain of the high affinity type I receptor thick veins, it could be demonstrated, that the variants differ only in matrix binding and not in their receptor affinity. Different matrix binding was shown by Heparin FPLC. The biological relevance of the matrix interaction of DPP was examined in transgenic flies. To allow expression of the different variants under the control of various Gal4 driver lines, they were cloned behind an UAS-promoter site. In early tracheal development, a strong dependence of DPP signaling on matrix binding was observed. While ectopic expression of the deletion variant caused only minor defects, the branching pattern was strongly disturbed by overexpression of wildtype and duplication variant. Ubiquitous expression of the variants in the wing imaginal disc caused overproliferation of the disc and expansion of the omb target gene expression. The extent of phenotypes correlated with the matrix binding ability of the variants. Corresponding disturbances of the wing vein pattern was observed in adult flies. By the crossing of different dpp allels, transheterozygous animals were created, that lack dpp only in imaginal discs. Expression of the variants under the control of a suitable dpp-Gal4 driver line revealed insights into the biological relevance of matrix binding on DPP gradient formation and specific target gene activation in wing imaginal discs. It was shown, that all variants were able to generate a functional DPP gradient with correct expression of the target genes omb and spalt. Again a correlation between extent of target gene domains and matrix binding ability of the corresponding variants was found. Thus by mutating the N-terminus of DPP, it could be shown that this is responsible for DPP`s matrix interaction. Also the relevance of matrix binding of DPP in different tissues was examined. It turned out, that the reorganisation of tracheal branching by DPP strongly depends on matrix interactions wheras the establishing of a gradient in wing imaginal discs depends only gradually on matrix interactions. Based on these data a model for the action of DPP/TGFßs as morphogens was established. While a deletion of matrix binding leads to a decrease in specific bioactivity of the cytokine, the latter is increased by additional matrix binding sites. / In den letzten Jahren wurde deutlich, daß viele Zytokine nicht nur mit ihren spezifischen Zelloberflächen-Rezeptoren interagieren, sondern auch Affinität zu Komponenten der Extrazellulären Matrix zeigen. Vor allem in Drosophila konnten viele Enzyme zur Synthese von Glukosaminoglykanen identifiziert werden. Mutationen in diesen Enzymen führen in der Regel zu Störungen verschiedener Signalwege, wie z.B. hedgehog, wingless, FGF oder dpp. Aufgrund dieser pleiotropen Effekte, war es meist nicht möglich, die Bedeutung der Matrix-Interaktionen für bestimmte Zytokine zu untersuchen. In dieser Arbeit sollte die Bedeutung der Matrix-Interaktion für das TGF-ß-Superfamilienmitglied DPP unter-sucht werden. Ausgehend von der hohen Homologie zwischen humanem BMP-2 und DPP wurde der basische N-Terminus von DPP, der im BMP-2 für die Heparininteraktion verantwortlich ist, verändert. Es wurde neben einer Wildtypvariante (D-MYC) eine Deletionsvariante (D-DEL) generiert, die keine basischen Aminosäuren im N-Terminus aufweist, sowie eine Duplikationsvariante (D-DUP), die eine zweite Kopie des basischen Hauptmotivs im N-Terminus enthält. Zur biochemischen Charakterisierung wurden die Varianten sowie wildtypisches DPP in E.coli exprimiert und in eine bioaktive Form zurückgefaltet. Im Limbbud-Test zeigte sich vergleichbar zum BMP-2 eine stark erhöhte Aktivität der Deletionsvariante gegenüber Wildtyp-DPP. Durch Biacore-Messungen an der immobilisierten Ektodomäne des hochaffinen DPP TypI-Rezeptors Thick veins konnte gezeigt werden, daß alle Varianten gleiche Rezeptoraffinität haben und sich nur in der Matrixbindung unterscheiden. Letzteres wurde durch eine analytische FPLC mit Heparin als Matrix gezeigt. Die biologische Relevanz der Matrixbindung wurde in transgenen Fliegen untersucht. Hierbei wurden die DPP-Varianten hinter einen UAS-Promoter kloniert, um jene unter der Kontrolle verschiedener Gal4-Treiberlinien exprimieren zu können. In der frühen Tracheenentwicklung zeigte sich eine sehr starke Matrix-Abhängigkeit der DPP-Wirkung. Während ektopische Expression der Deletionsvariante fast keine Störung der Zellmigration verursachte, war das Muster der Tracheenäste bei ektopischer Expression von D-MYC als auch D-DUP massiv gestört. Ubiquitäre Expression der Varianten in der Flügelimaginalscheibe verursachte Überproliferation und eine Ausdehnung der Expressionsdomäne des omb-Genes. Die Stärke der Phänotypen korrelierte dabei mit der Matrixbindung der Varianten. Entsprechende Störungen des Venenmusters konnten in Flügeln adulter Tiere festgestellt werden. Durch Kreuzung zweier dpp-Allele konnten transheterozygote Fliegen gewonnen werden, die keine dpp-Expression in den Imaginalscheiben zeigen. Die Expression der Varianten unter Kontrolle eines geeigneten dpp-Gal4-Treibers in diesen Fliegen gab Aufschluß über die tatsächliche Relevanz der DPP-Matrix-Interaktion für die Ausbildung eines DPP-Gradienten und spezifische Aktivierung verschiedener Targetgene in der Flügelscheibe. Es wurde gezeigt, daß alle Varianten dazu in der Lage sind, einen DPP-Gradienten mit entsprechender Expression der Targetgene omb und spalt zu erzeugen. Wieder wurde eine Korrelation zwischen Ausdehnung der Targetgen-Domänen und der Matrixbindung der Varianten beobachtet. Somit konnte durch Mutation des N-Terminus des DPP-Proteins gezeigt werden, daß dieser für die Matrixinteraktion von DPP verantwortlich ist. Auch wurde Aufschluß über die Bedeutung der Matrixinteraktion an verschiedenen DPP-Wirkungsorten gewonnen. Die Abhängigkeit des DPP-Signalpotentials von der Matrixbindung differiert zwischen verschiedenen Gewebetypen. Während die Wirkung von DPP in der Restrukturierung der trachealen Migration sehr stark von einer Matrixbindung abhängt, sieht man in bei der Proliferation und Musterbildung in der Imaginalscheibe nur graduelle Effekte. Diese Daten führten zur Etablierung eines Models für den Wirkungsmechanismus von DPP/TGFß Molekülen als morphogene Faktoren. Während eine Deletion von Matrixbindung zu einem Verlust der spezifischen biologischen Aktivität führt, wird durch zusätzliche Matrixbindung eine erhöhte Aktivität erreicht.

Das Tissue Engineering von Fettgewebe befasst sich mit der Herstellung von biologisch äquivalenten Gewebekonstrukten mit dem Ziel, diese in der Regenerativen Medizin zur Deckung von Weichteildefekten einzusetzen. Für die Ausreifung, Funktion und das Überleben von Adipozyten wurde die Bedeutung der Extrazellulärmatrix (EZM) zunehmend deutlich.18-20 Untersuchungen zur EZM und ihrer Einflussnahme auf die Adipogenese wurden bislang hauptsächlich an konventionellen zweidimensionalen Zellkulturen unter Verwendung von mesenchymalen Stammzellen aus dem Knochenmark (bone marrow-derived MSC), Präadipozyten der Mauszelllinie 3T3-L1 und intramuskulären Präadipozyten aus Rindern (bovine intramuscular preadipocytes, BIP) vorgenommen.23,56,69,76,115 Ziel dieser Arbeit war es Erkenntnisse über den Einfluss der EZM auf die adipogene Differenzierungsfähigkeit unter Verwendung von humanen mesenchymalen Stammzellen des Fettgewebes (human adipose-derived stem cells, hASC) zu gewinnen. Um in vitro eine natürlichere Mikroumgebung der Zellen zu generieren, wurde neben einer 2D Kultur vergleichend ein 3D Modell bestehend aus multizellulären Sphäroiden verwendet.84,85 Zudem war die Bestimmung eines stabilen Housekeeping-Gens notwendig, um valide Ergebnisse in qPCR-Analysen von Genexpressionsstudien zu gewährleisten. Die Auswertung statistischer Parameter (Standardabweichung und Interquartilsbereich) sowie die Ergebnisse dreier zur Stabilitätsprüfung eingesetzten Softwares identifizierten EF1α als robustestes HKG. Der Zusammenhang zwischen der EZM-Entwicklung und der Adipogenese wurde durch Hemmung der Kollagenentwicklung unter Verwendung von Ethyl-3,4-dihydroxybenzoat (EDHB) untersucht. Bei Betrachtung der Triglyceridsynthese mittels Histologie und quantitativer Analyse (Triglyceridassay) konnte in beiden Kultursystemen eine konzentrationsabhängige Hemmung der Adipogenese festgestellt werden. Im Unterschied zur 2D Kultur konnte der Triglyceridgehalt im 3D Modell annähernd auf das Niveau der nicht-induzierten Kontrolle gesenkt werden und damit ein tendenziell stärkerer negativer Effekt im 3D Modell demonstriert werden. In Untersuchungen zur Genexpression wurde die Expressionsrate der späten adipogenen Marker aP2 und C/EBPα maximal durch Zugabe von 0,05 mM EDHB gesenkt, wobei der Effekt in 3D erneut stärker ausgeprägt war. Bei Betrachtung der Kollagenentwicklung zeigte sich immunhistochemisch zunächst eine Adipogenese-assoziierte Entwicklung der Kollagene I, IV und VI im 2D und 3D Modell. Durch die Zugabe von EDHB ließ sich die Kollagenbildung gleichermaßen in 2D und 3D konzentrationsabhängig inhibieren. Damit konnte ein Rückgang der Synthese von drei für die Adipozyten relevanten Kollagenen zusammen mit der Störung der adipogenen Differenzierung nachgewiesen werden. Auf mRNA-Ebene hingegen war eine unterschiedliche Expression von Kollagen I und IV nachweisbar. Für Kollagen I wurde eine Abnahme der Expression bei Differenzierung der Zellen beobachtet, während die Expressionsrate von Kollagen IV erst mit Beginn der Adipogenese gesteigert wurde. Die Genexpression der untersuchten Kollagene wurde durch EDHB nicht negativ beeinflusst. Insgesamt weisen die Ergebnisse auf einen engen Zusammenhang der Kollagensynthese mit der Adipogenese hin. Inwieweit eine durch Zell-Matrix-Interaktionen ausgelöste Signaltransduktion und regulatorische Mechanismen in den Präadipozyten die Adipogenese beeinflussen, bleibt jedoch Gegenstand zukünftiger Forschung. / Adipose tissue engineering focuses on the generation of biologically equivalent tissue constructs that can be used in regenerative medicine to cover tissue defects. The relevance of the extracellular matrix (ECM) in adipocyte maturation, function, and survival has become increasingly apparent.18-20 Studies on the ECM and its influence on adipogenesis have so far mainly been performed on conventional two-dimensional cell cultures using bone marrow-derived mesenchymal stem cells (bone marrow-derived MSC), mouse cell line 3T3-L1 preadipocytes, and bovine intramuscular preadipocytes (BIP).23,56,69,76,115 The goal of the study was to gain insights into the role of the ECM on adipogenic differentiation capacity using human adipose-derived stem cells (hASC). To generate a more natural cell microenvironment in vitro, a 3D model consisting of multicellular spheroids was used in comparison to a 2D culture.84,85 Moreover, to ensure valid results in gene expression studies obtained by qPCR analyses, determination of a stable housekeeping gene was necessary. The evaluation of statistical parameters (standard deviation and interquartile range) and the results achieved by three softwares known for stability testing identified EF1α as the most robust HKG. The relationship between ECM development and adipogenesis was investigated by inhibition of collagen development using ethyl-3,4-dihydroxybenzoate (EDHB). Histological staining of lipids and quantitative analysis (triglyceride assay) revealed a concentration-dependent inhibition of adipogenesis in both culture systems. In contrast to the 2D culture, the triglyceride content in the 3D model could be reduced approximately to the level of the non-induced control, demonstrating an overall stronger inhibitory effect in the 3D model. In gene expression studies, the expression levels of the late adipogenic markers aP2 and C/EBPα were maximally decreased by addition of 0.05 mM EDHB, whereby the effect was again more pronounced in 3D. Regarding the collagen development, an adipogenesis-associated development of collagen I, IV, and VI was seen by immunohistochemical analysis in the 2D and 3D models. Addition of EDHB equally inhibited collagen formation in 2D and 3D in a concentration-dependent manner. This demonstrated a decrease in the synthesis of three collagens relevant to adipocytes along with the disruption of adipogenic differentiation. In contrast, a different expression pattern of collagen I and IV was detectable at the mRNA level. For collagen I, a decrease in expression was observed upon differentiation of the cells, whereas the expression level of collagen IV was increased only with the onset of adipogenesis. Both expression patterns were not affected by EDHB. Overall, the results indicate a close relationship of collagen synthesis with adipogenesis. However, the extent to which signal transduction triggered by cell-matrix interactions and regulatory mechanisms in preadipocytes influence adipogenesis remains the subject of future research.