Universiẗat, Diss., 2001--Mainz.

Universiẗat, Diss., 2003--Heidelberg.

Universiẗat, Diss., 2003--Heidelberg.

University, Diss., 2003--Marburg.

Universiẗat, Diss., 2003--Frankfurt (Main).

Universiẗat, Diss., 2004--Kiel.

Östrogene spielen eine entscheidende Rolle in der Regulation einer Vielzahl physiologischer Prozesse sowohl im reproduktiven als auch im nicht reproduktiven Bereich des menschlichen Körpers. Viele Wirkungen der Östrogene werden über Östrogenrezeptoren vermittelt. Um zu gewährleisten, dass die richtige Menge des Rezeptors zur richtigen Zeit am richtigen Ort ist, ist eine Kontrolle der Expression unabdingbar. Die Ergebnisse vorhergehender Studien legen die Vermutung nahe, dass eine derartige Kontrolle beim ER-Alpha über die Nutzung multipler Promotoren ausgeführt wird. Durch Interaktionen mit spezifischen Transkriptionsfaktoren ermöglicht dieses System eine zell-, entwicklungsstadien- und dignitätsspezifische Expression des Rezeptors. Um diese Hypothese zu überprüfen, wurde in der vorliegenden Arbeit die Nutzung der 8 untranslatierten Exons und des Exons A des ER-Alpha Gens als alternative Transkriptionsstartpunkte bei osteoblastären Zellen, neuronalen Zellen, mesenchymalen Stammzellen und Chondrozyten mittels der RT-PCR Methodik und anschließender Sequenzierung untersucht. So konnte bei allen vier untersuchten Zelltypen eine Nutzung der Exons F, E1, C, B und (A) als alternative Promotoren nachgewiesen werden. Bei neuronalen Zellen, Chondrozyten und mesenchymalen Stammzellen konnte zusätzlich eine Nutzung des Promotors T2 beobachtet werden. Bei osteoblastären und neuronalen Zellen wurde bei Nutzung der Promotoren F und E1 außerdem ein alternativer Spleißvorgang festgestellt. Bei diesem Spleißvorgang dient Exon E1 als Spleißdonor und Exon 2 als Spleißakzeptor. Die dadurch entstehenden mRNA-Isoformen generieren einen um die A/B-Domäne verkürzten ER-Alpha, welcher jedoch funktionell aktiv ist. Die Nutzung der multiplen Promotoren des ER-Alpha Gens bei mesenchymalen Stammzellen und Chondrozyten wurde in der vorliegenden Arbeit erstmalig nachgewiesen. Zusätzlich zu den bisher in der Literatur beschriebenen Exons konnte außerdem erstmalig eine Verwendung der Promotoren E1, B und (A) als alternative Transkriptionsstartpunkte bei osteoblastären Zellen nachgewiesen werden, sowie bei den neuronalen Zellen von Exons E1 und T2. Die Nutzung der Exons E1 und T2 als Transkriptionsstartpunkte konnte in der vorliegenden Arbeit generell zum ersten Mal beobachtet werden. Diese beiden untranslatierten Exons sind bisher nur als zweite zwischengeschaltete Exons beschrieben worden. Die Versuchsergebnisse der vorliegenden Arbeit beweisen somit eine Nutzung von al-ternativen Promotoren des ER-Alpha Gens in allen untersuchten Zellen. Da mit der in der vorliegenden Arbeit verwendeten Methodik keine Aussagen über die quantitative Verteilung der Nutzung der untranslatierten Exons in den untersuchten Zellen gemacht werden können, kann die Bedeutung der einzelnen untranslatierten Exons in den Zellen noch nicht gedeutet werden. Neben einer quantitativen Analyse der Nutzungsmuster in den verschiedenen Zellen wäre auch der Versuch eines partiellen Knockouts einzelner alternativer Promotoren ein Ansatzpunkt für folgende Arbeiten, um die Bedeutung der einzelnen untranslatierten Exons in den Zellen zu erleuchten. Obwohl quantitative Analysen der Nutzung der einzelnen Exons bei den untersuchten Zellen noch ausstehen, deuten die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit darauf hin, dass eine Regulation der Expression von ER-Alpha in den vier Zelltypen über die Nutzung von multiplen Promotoren erfolgen könnte. Eine derartige Regulation des ER-Alpha Gens bietet mehrere Ansatzpunkte der Einflussnahme auf die Expression. Beispielsweise durch Beeinflussung von Transkriptionsfaktoren, die spezifisch an bestimmte Promotoren binden oder durch Herstellung von antisense Oligonukleotiden, welche spezifisch eine bestimmte mRNA-Variante binden, andere hingegen unbeeinflusst lassen. Auch die in der vorliegenden Arbeit erstmalig vorgenommene Untersuchung der un-translatierten Exons des ER-Alpha Gens bei mesenchymalen Stammzellen und Chondrozyten bietet Ansatzpunkte für weiterführende Fragestellungen. Hierzu zählen beispielsweise die Fragen nach der Beeinflussbarkeit der Differenzierung der pluripotenten me-senchymalen Stammzellen durch Veränderungen an den alternativen Promotoren und nach der Nutzung der untranslatierten Exons während der chondrogenen Differenzierung. Diese neuen offenen Fragen führen zu Aufgabenstellungen weitergehender Arbeiten. / Estrogens play an important roll in the regulation of multiple processes in reproduction as in other non-reproductive systems of the human body.Various functions of oestrogen occur over oestrogen receptors. A precise control over the amount of receptor present at a given place and given time is vital. Results of previous investigations suggest that this control function over ER-Alpha is by use of multiple promotors. Through the interaction of specific transcription factors it is possible to achieve a cell-, developement- and origin specific expression of the receptor. To examine this hypothesis the following investigation was made into the use of eight untranslated exons and exons A of the ER-Alpha gene,as alternative transcription starting points in osteoblasts, neuronal cells, mesenchymal stem cells and chrondrocytes using the RT-PCR method and the following sequences. It was shown that in all four examined cell types exons F, E1, C, B and A were used as alternative promotors. Not only was the use of promotor T2 in neuronal cells, chondrocytes and mesenchymal stem cells seen but by osteoblasts and neuronal cells the use of F and E1 showed alternative splicing. In this splicing exon E1 served as a donor and exon 2 as a receiver, the resulting mRNA-Isoform generated ER-Alpha that was shortened of A/B domain which remained functionally active. The following paper describes for the very first time that mesenchymal stem cells and chondrocytes use the multiple promotors of ER-Alpha . The published descriptions of exons can now be extended for the first time to include the function of promotors E1, B and A as alternative transcription starting points in osteoblast cells, as also the use of exons E1 and T2 in the neuronal cells. The use of exons E1 and T2 as alternative transcription starting points was described in the following investigation in general for the first time, whereas these two untranslated exons have only previously been seen to work as secondary intermediate exons. The experimental results prove the utilisation of ER-Alpha gene alternative promotors in all examined cells. As there can be no quantification of the amount of untranslated exons present in the examined cells by the method used, the importance of individual untranslated exons can not be established. Parallel to a quantative analysis of the utilisation pattern in the different cells an experiment to partially knockout single promotors would be an interesting subject for further research into the importance of individual untranslated exon function. Even without the specific knowledge of individual exon function the possibility of regulating the expression of ER-Alpha in the four named cell types through multiple promotors is highly probable given the results of the following paper. Such a regulation of the ER-Alpha gene offers many possibilities to affect the expression of ER-Alpha. For instance through the manipulation of the transcription factors that combine with specific promotors, or by the production of antisense oligonucleotides which combine with a definitive mRNA variant leaving others unchanged. A catalogue of comprehensive questions follow the investigations made in the paper published here for the first time to untranslated exons from the ER gene and their activity in mesenchymal stem cells and chondrocytes. Questions as to the influence on differentiation of multipotent mesenchymal stem cells by changes in the alternative promotors and the use of untranslated exons during the proccess of chondrocyte differentiation. These new questions lead to further investigations and studies in the area of Estrogen receptor expression.

The bacterial pathogen Legionella pneumophila replicates intracellularly in protozoa, but can also cause severe pneumonia, called Legionnaires' disease. The bacteria invade and proliferate in the alveolar macrophages of the human lung. L. pneumophila bacteria exhibit a biphasic life cycle: replicative bacteria are avirulent; in contrast, transmissive bacteria express virulence traits and flagella. Primarily aim of this thesis was to evaluate the impact of the regulatory proteins FleQ, FleR, and RpoN in flagellar gene regulation. Phenotypic analysis, Western blot and electron microscopy of regulatory mutants in the genes coding for FleQ, RpoN and FleR demonstrated that flagellin expression is strongly repressed and that these mutants are non-flagellated in transmissive phase. Transcriptomic studies of these putative flagellar gene expression regulators demonstrated that fleQ controls the expression of numerous flagellar biosynthetic genes. Together with RpoN, FleQ controls transcription of 14 out of 31 flagellar class II genes, coding for the basal body, hook, and regulatory proteins. Unexpectedly, 7 out of 15 late flagellar genes class III and IV) are expressed dependent on FleQ but independent of RpoN. Thus, in contrast to the commonly accepted view that enhancer binding proteins as FleQ always interact with RpoN to initiate transcription, our results strongly indicate that FleQ of L. pneumophila regulates gene expression RpoN-dependent as well as RpoN-independent. Moreover, transcriptome analysis of a fleR mutant strain elucidated that FleR does not regulate the flagellar class III genes as previously suggested. Instead FleR regulates together with RpoN numerous protein biosynthesis and metabolic genes. Based on these experimental results our modified model for the transcriptional regulation of flagellar genes in L. pneumophila is that flagellar class II genes are controlled by FleQ and RpoN, while flagellar class III and IV genes are controlled in a fleQ-dependent but rpoN-independent manner. Although all L. pneumophila strains share the same complex life style, various pathotypes have evolved. This is reflected by the genomes, which contain e.g. genomic islands. The genomic island Trb-1 of L. pneumophila Corby, carries all genes necessary for a type-IV conjugation system, an integrase gene and a putative oriT site. The second aim of this thesis was to investigate the implication of this genomic island in conjugative DNA transfer. Using conjugation assays we showed that the oriT site located on Trb-1 is functional and contributes to conjugation between different L. pneumophila strains. As this is the first oriT site of L. pneumophila known to be functional our results provide evidence that conjugation is a major mechanism for the evolution of new pathotypes in L. pneumophila. / Das pathogene Bakterium Legionella pneumophila repliziert sich in der Natur intrazellulär in Protozoen. Beim Menschen kann das Bakterium eine schwere Pneumonie, die sogenannte Legionärskrankheit auslösen. Hierbei vermehren sich die Bakterien in Alveolarmakrophagen der Lunge. Der Lebenszyklus von L. pneumophila Bakterien ist gekennzeichnet durch zwei Phase: replikative Bakterien sind avirulent; im Gegensatz dazu sind transmissive Bakterien virulent und flagelliert. Hauptziel dieser Arbeit war es die Beteiligung der regulatorischen Proteins FleQ, FleR, and RpoN an der Flagellengenregulation zu ermitteln. Mutanten für die Gene welche für FleQ, FleR oder RpoN codieren exprimieren in der transmissiven Phase im Genesatz zum Wildtyp nur wenig Flagellin und sind nicht flagelliert. Nachgewiesen wurde dies durch eine phänotypische Analyse, Western blot und Ektronenmikroskopie. Studien des Transkripoms dieser Mutanten zeigten, daß FleQ die Expression zahlreicher Flagellenbiosynthesegenen kontrolliert. Gemeinsam mit RpoN kontrolliert FleQ die Transkription von 14 der 31 Klasse II Flagellengene, welche für Basalkörper, Haken und regulatorische Proteine codieren. Überraschenderweise sind 7 der 15 späten Flagellengenen (Klasse III und IV) abhängig von FleQ, aber unabhängig von RpoN exprimiert. Daher und entgegen der allgemeinen Auffassung dass sogenannte ‚enhancer binding' Proteine wie FleQ zur Transkriptionsinitiation immer mit RpoN interagieren, deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass FleQ von L. pneumophila Genexpression sowohl RpoN-abhängig, als auch RpoN-unabhängig reguliert. Ebenso anders als zuvor vorgeschlagen, verdeutlichen Studien des Transkriptoms einer fleR Mutante, dass FleR nicht die Expression der Klasse III Flagellengene induziert. Statt dessen reguliert FleR gemeinsam mit RpoN zahlreiche Gene der Proteinbiosynthese und des Metabolismus. Basierend auf diesen experimentellen Ergebnissen sind in unserem modifizierten Modell für die transkriptionelle Regulation der L. pneumophila Flagellengene die Flagellengene der Klasse II von FleQ und RpoN kontrolliert, während die Flagellengene der Klasse III und IV in einer fleQ-abhängigen aber rpoN-unabhängigen Weise kontrolliert sind. Obwohl alle L. pneumophila Stämme den zweiphasigen Lebenszyklus aufweisen haben sich unterschiedliche Pathotypen evolviert. Das ist auch in den Genomen sichtbar, die z. B. genomische Inseln enthalten. Die genomische Insel Trb-1 von L. pneumophila Corby trägt alle Gene eines Typ-IV Konjugationssystem, ein ntegrase-Gen und einen putative oriT-Bereich. Das zweite Ziel dieser Arbeit war es also zu untersuchen, inwieweit Trb-1 an konjugativem DNA-Transfer beteiligt ist. Mit Hilfe von Konjugationsexperimenten, zeigten wir, dass der oriT-Bereich von Trb-1 funktional ist und zur Konjugation zwischen verschiedenen L. pneumophila Stämmen beiträgt. Dies ist der erste oriT Bereich von L. pneumophila, dessen Funktionalität nachgewiesen wurde. Damit bekräftigen unsere Ergebnisse, dass Konjugation eine treibende Kraft für die Evolution neuer Pathotypen in L. pneumophila ist.

MicroRNAs sind kleine, nicht kodierende RNA-Moleküle, die posttranskriptionell die Genexpression regulieren. Sie binden hierfür spezifisch an 3’-UTRs von messenger-RNAs und führen entweder direkt zu deren Abbau oder inhibieren deren Translation. Über die Mechanismen, die die Expression von microRNAs regulieren, ist jedoch noch wenig bekannt. Die Tatsache, dass sie als lange Vorläufermoleküle (pri-microRNAs) durch die RNA-Polymerase-II transkribiert werden, legt die Existenz eines Promotorbereiches nahe, der dem proteinkodierender Gene ähnelt. Mit Hilfe von microRNA-Arrays konnten wir im linksventrikulären Myokard mehrere bei Herzinsuffizienz deutlich verändert exprimierte microRNAs identifizieren. Die microRNA-21 ist dabei bereits im Frühstadium der Herzinsuffizienz verstärkt exprimiert (Northern Blot). Auch in primären, kardialen Zellen (Fibroblasten, Kardiomyozyten) wird die microRNA-21 nach Induktion einer Hypertrophie verstärkt exprimiert. Weiterführendes Ziel dieser Arbeit war es nun, diejenigen Mechanismen aufzuklären, die der starken Induktion der microRNA-21 im erkrankten Myokard zu Grunde liegen. Durch bioinformatische Analyse des zugehörigen Promotorbereiches (Trans-Spezies-Konservierung) und Klonierung danach ausgerichteter Fragmente in Luciferase-basierte Reporter-Plasmide konnte ein 118 Basen langer Bereich identifiziert werden, der maßgeblich die Expression der microRNA-21 im Herzen bedingt. Durch Deaktivierung einzelner cis-Elemente konnte die kardiale Expression auf zwei essentielle Transkriptionsfaktorbindungsstellen zurückgeführt werden. Es handelt sich dabei um Erkennungssequenzen für die im Herz bedeutsamen Transkriptionsfaktoren CREB und SRF. Sie liegen in enger räumlicher Nachbarschaft ungefähr 1150 bp vor der Transkriptionsstartstelle. Die Suppression der Expression dieser beiden Transkriptionsfaktoren mittels geeigneter siRNAs führte jeweils zu einer signifikanten Aktivitätsminderung des microRNA-21-Promotors und konnte somit die vorangehenden Ergebnisse validieren. Durch Generierung einer transgenen Tierlinie, die lacZ unter der Kontrolle des microRNA-21-Promotors exprimiert, werden in naher Zukunft nähere Aufschlüsse über die gewebsspezifische Verteilung der microRNA-21-Expresssion in vivo möglich sein. Zusammenfassend beschreiben wir hier erstmals den Mechanismus der transkriptionellen Regulation der microRNA-21 im Herzen. Dieser Mechanismus bedingt wahrscheinlich die starke Induktion dieser microRNA bei kardialer Hypertrophie und Herzinsuffizienz. / MicroRNAs are small, non-coding RNA molecules that posttranscriptionally regulate gene expression. They specifically bind to 3’-UTRs of messenger RNAs and either directly lead to the degradation of the bound messenger-RNA or inhibit its translation. Only little is known, however, about the mechanisms that control the expression of microRNAs. The fact that they are being transcribed as long precursor-molecules (primary microRNAs, pri-microRNAs) by type-II-RNA-polymerase suggests that they have a promoter region similar to those of protein-coding genes. Using microRNA arrays, we were able to identify several differentially expressed microRNAs in the left ventricular myocardium of mice suffering from heart failure. MicroRNA-21 was found to be strikingly upregulated even in early stages of disease (Northern blot) and the induction of hypertrophy in vitro also elevated its expression. The aim of this study was to learn more about the molecular mechanisms that are responsible for the strong induction of microRNA-21 in the failing heart. Bioinformatic analysis of the microRNA-21 promoter region (trans species conservation) and cloning of several fragments into luciferase-based reporter plasmids revealed a 118 bp region to be fundamental to the activity of this promoter in cardiac cells. By deactivating single cis elements we were able to identify two transcription factor binding sites that are essential for microRNA-21 expression. These are recognition sites for the transcription factors CREB and SRF, both of which are known to be important in the heart. They are located in close proximity about 1150 bp upstream of the transcription start site. The suppression of these transcription factors through siRNAs lead to a strong reduction of the microRNA-21 promoter activity and thus validated the preceding results. Summing up we were able to describe the mechanisms that underlie the transcriptional regulation of microRNA-21 in the heart. This mechanism most likely leads to the strong induction of this microRNA in hypertrophy and heart failure.

Zugl.: Berlin, Humboldt-Univ., Diss., 2009