Regulatorische Landschaften von Genen steuern das präzise transkriptionelle Programm, das für die embryonale Entwicklung notwendig ist. Transkriptionsfaktoren (TFs) interagieren dabei mit regulatorischen Elementen (REs), um die Genexpression zu kontrollieren. Zur Untersuchung der zugrundeliegenden Mechanismen konzentriere ich mich auf das Xist-Gen, den Hauptregulator der X-Chromosom-Inaktivierung (XCI) in Säugetieren. In der Embryonalentwicklung wird Xist monoallelisch in weiblichen Zellen aktiviert, woraufhin die Xist-RNA das X-Chromosom überzieht und dessen Inaktivierung einleitet. Dadurch wird die erhöhte Dosis X-chromosomaler Gene in weiblichen Zellen kompensiert. Um ein umfassendes Verständnis der Xist-Regulatoren zu erhalten, nutze ich CRISPR-Screens, um REs und TFs in weiblichen embryonalen Stammzellen zu untersuchen. Dabei identifiziere ich ein neues nicht-kodierendes Gen namens Xert. Daruberhinaus stelle ich fest, dass promotor-nahe REs auf die Anzahl der X-Chromosomen reagieren, während distale REs unbeeinflusst bleiben. Durch meine TF-Screens entdecke ich zwei Gruppen von Aktivatoren: Die frühe Gruppe, darunter der X-chromosomale Faktor ZIC3, zeigt in weiblichen Zellen erhöhte Expression, was darauf hindeutet, dass sie die Xist-Expression auf weibliche Zellen beschränken. Die späte Gruppe, einschließlich OTX2, agiert geschlechtsunabhängig und stellt nach der initialen Xist-Aktivierung ein hohes Transkriptionslevel sicher. Mit weiteren CRISPR-Screens verknüpfe ich TFs mit REs und zeige, dass frühe Aktivatoren promotor-nahe REs beeinflussen, während späte Aktivatoren distale REs stärker regulieren. Diese Arbeit liefert eine systemische Perspektive des trans- und cis-regulatorischen Netzwerks, das die Xist-Aktivierung während der Differenzierung koordiniert und die Beschränkung auf weibliche Zellen gewährleistet. / The regulatory landscapes of developmental genes orchestrate precise and coordinated transcriptional programs required for embryonic development. During this process, transcription factors (TFs) interact with regulatory elements (RE) to finely tune gene expression. To study the regulatory principles acting in this context, I focus on the Xist gene, the master regulator of X-chromosome inactivation (XCI) in mammals. During early development, Xist is upregulated in a monoallelic fashion specifically in females. The Xist RNA then coats the X chromosome in cis, resulting in its inactivation. In this manner, female cells compensate for their increased X-chromosomal dosage in comparison to males. To obtain a complete understanding of Xist regulation, I first perform two CRISPR screens targeting REs and TFs during the early differentiation of female mouse embryonic stem cells. I identify Xist-controlling REs within the locus, unveiling a novel non-coding gene Xert. I further demonstrate the sensitivity of promoter-proximal REs to X-dosage, contrasted by the behavior of distal REs. In the TF screen, I detect two sets of activators which undergo transient upregulation at the onset of XCI. The early group of activators, including the X-linked TF ZIC3, exhibits higher expression levels in XX cells, indicating a role in restricting Xist expression to females. The late group of activators, including the master regulator of the epiblast OTX2, drives high transcript levels following Xist activation. Subsequently, I use a series of CRISPR screens targeting individual reporter constructs to map TF-RE wiring at the locus. I find that the early activators primarily act on the XX-dependent proximal REs. Contrary, the late activators interact with the sex-independent distal REs. With this study, I provide a systems level perspective of the trans- and cis-regulatory network that links Xist activation to early differentiation and ensures female-specificity.

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Biofilme aeroterrestrischer Mikroorganismen stellen im nicht-medizinischen Bereich ein ständig größer werdendes Problem dar. Sie tragen ebenfalls wesentlich zur Verwitterung von Fassaden bei und verursachen durch die daraus resultierende Notwendigkeit der Entfernung des Biofilms und Instandsetzung der Fassaden hohe Kosten. Auch das von Biofilmen auf Innenwänden von Gebäuden ausgehende Gesundheitsrisiko für den Menschen ist schwerwiegend. Solarzellen sind aufgrund ihrer rauen Glasoberfläche ebenfalls ein bevorzugter Siedlungsort für Biofilme. Auf diesen können sie durch Verschattung die Effizienz der Solarzellen deutlich herabsetzen. Die Entfernung von Biofilmen erfordert vor allem den Einsatz von Bioziden, welche ihrerseits eine Belastung für die Umwelt darstellen und zudem oft nur begrenzte Wirksamkeit zeigen. Ziel dieser Arbeit ist daher, das Potenzial der Photodynamischen Inaktivierung (PDI) als alternative Methode zur Beseitigung oder zur Prävention der Bildung von Biofilmen zu bestimmen. Dazu wurden unterschiedliche Photosensibilisatoren (PS) bezüglich ihrer Phototoxizität auf im Rahmen dieser Arbeit etablierte phototrophe Modellkulturen in Suspension, subaquatischen und subaerialen Biofilmen untersucht. Neben der Entwicklung der Biomasse während der PDI wurde mittels spektroskopischer Methoden zudem die Aktivität der Kulturen sowie die EPS-Sekretion und die Biofilmbildung gemessen. Dabei konnte gezeigt werden, dass die kationischen PS PCor+ und TMPyP zur PDI phototropher Kulturen erfolgreich genutzt und die Biofilmbildung verhindert werden kann. Es wurde gezeigt, dass dieses Resultat ohne Aufnahme der PS in die Zellen erzielt wird. Dies ist bezüglich der Vermeidung einer möglichen Resistenzentwicklung der Mikroorganismen von entscheidender Bedeutung. Somit wurden mit dieser Arbeit die Voraussetzungen für die Entwicklung photodynamisch aktiver, antimikrobieller Oberflächenbeschichtungen zur Prävention des Wachstums aeroterrestrischer Biofilme geschaffen. / Biofilms of aeroterrestrial microorganisms are an ever-increasing problem in non-medical applications. They also contribute significantly to the weathering of facades and cause high costs due to the resulting necessity of removing the biofilm and repairing the facades. Furthermore, the health risk for humans caused by biofilms on interior walls of buildings is serious. In addition, solar cells are a preferred location for biofilms due to condensation on their rough glass surface. Growing there, they can significantly reduce the efficiency of the solar cells by shading, a problem which gains even more importance with increasing operating times of solar modules. In the removal of biofilms, biocides are prevalent. They are in turn a burden on the environment and often show only limited effectiveness. The aim of this work is therefore to determine the potential of Photodynamic Inactivation (PDI) as an alternative method to eliminate or prevent the formation of biofilms. Different Photosensitizers (PSs) were investigated with respect to their phototoxicity on phototrophic model cultures established in suspension, subaquatic and subaerial biofilms. In addition to biomass development during PDI, spectroscopic methods were used to measure culture activity, EPS secretion and biofilm formation. It was shown that the cationic PSs PCor+ and TMPyP can be successfully used for PDI of phototrophic cultures and that biofilm formation can be prevented. It has been shown that this result is achieved without uptake of PS into the cells. This is of decisive importance with regard to the avoidance of a possible resistance development in the microorganisms. Thus, this work created the prerequisites for the development of photodynamically active, antimicrobial surface coatings for the prevention of the growth of aeroterrestrial biofilms.

Die Ausbreitung antimikrobieller Resistenzen stellt ein zunehmendes gesundheitliches und gesellschaftliches Risiko dar. Alternative antimikrobielle Verfahren mit einem geringen Resistenzpotenzial, breiten Wirkspektrum und geringen Umweltrisiko gewinnen an Bedeutung. Ein solches Verfahren stellt die Photodynamische Inaktivierung (PDI) dar. Ihr Wirkmechanismus beruht auf der photosensibilisierten Anregung von Singulettsauerstoff (1O2), der durch oxidativen Stress zum Zelltod führt. Der für die katalytische Aktivierung des Sauerstoffs verantwortliche Photosensibilisator (PS), muss nicht in die Mikroorganismen eindringen und wird durch sichtbares Licht angeregt. Die Übertragung einer stationär vermittelten PDI auf Oberflächen erscheint daher besonders sinnvoll. In der vorliegenden Arbeit werden erstmalig zwei Ansätze untersucht, die sowohl kommerzielle Substrate als auch industrielle Standardverfahren zur Oberflächenveredelung verwenden: Eine Elektronenstrahl-Funktionalisierung von Mikrofiltrationsmembranen und eine textiltechnologische Funktionalisierung von Polyestergeweben, insbesondere Reinraumtextilien. Für die Charakterisierung der Polymeroberflächen werden neben Versuchen zur Zellviabilität, optisch-spektroskopische Methoden und erstmalig orts- sowie zeit-aufgelöste Messungen der 1O2-Lumineszenz herangezogen. Im Resultat erweisen sich beide Funktionalisierungsansätze als geeignet für eine stationär vermittelte PDI. Dabei sind die textiltechnologisch funktionalisierten Polyestergewebe besonders Wirkungsvoll und erzielen bereits nach kurzer Weißlichtbestrahlung von unter 30 Minuten eine antimikrobielle Wirkung. Die Messungen der 1O2-Lumineszenzkinetik erweisen sich als eine vielversprechende Methode eine mögliche PDI-Aktivität vorab zu bewerten und bei der Entwicklung wichtige Impulse für die Oberflächenfunktionalisierung zu setzen. Schließlich ist eine systematisierte Methodologie zur Bewertung PDI-aktiver Oberflächen ein wesentliches Resultat dieser Arbeit. / The spread of antimicrobial resistance is an increasing health and social risk. Alternative antimicrobial methods with a low resistance potential, broad spectrum of activity and low environmental risk are gaining importance. Photodynamic inactivation (PDI) is one such method. Its mechanism of action is based on the photosensitised excitation of singlet oxygen (1O2), which leads to cell death through oxidative stress. The photosensitizer (PS), which is responsible for the catalytic activation of the oxygen, does not have to penetrate the microorganisms and is excited by visible light. The transfer of a stationary-mediated PDI to surfaces therefore seems particularly useful. In the present work, two approaches are investigated for the first time that use both commercial substrates and standard industrial processes for surface modification: An electron beam functionalisation of microfiltration membranes and a textile-technological functionalisation of polyester fabrics, especially cleanroom textiles. In addition to experiments on cell viability, optical spectroscopic methods and, for the first time, spatially and temporally resolved measurements of 1O2 luminescence are used to characterise the polymer surfaces. As a result, both functionalisation approaches prove to be suitable for a stationary-mediated PDI. The textile-technologically functionalised polyester fabrics are particularly effective and achieve an antimicrobial effect after only a short white light irradiation of less than 30 minutes. Measurements of 1O2 luminescence kinetics are proving to be a promising method of evaluating possible PDI activity in advance and providing important impetus for surface functionalisation during development. Finally, a systematised methodology for the evaluation of PDI-active surfaces is an essential result of this work.

Einige biologische Prozesse sind dosisabhängig, wobei nicht nur die Anwesenheit oder Abwesenheit bestimmter Genprodukte, sondern auch deren spezifische Mengen wichtig sind. Ein Beispiel ist die Dosis-Kompensation für Geschlechtschromosomen bei Säugetieren, die durch X-Chromosomen-Inaktivierung erreicht wird. Dieser Mechanismus ist auf Frauen beschränkt, da sie zwei X-Chromosomen besitzen, im Gegensatz zu Männern mit nur einem X-Chromosom. Dosisabhängigkeit spielt auch bei der Differenzierung pluripotenter Stammzellen eine Rolle. Geringe Schwankungen in der Menge des Pluripotenzfaktors OCT4 (POU5F1) können bestimmen, ob Maus-Embryonale Stammzellen (mESCs) sich in das Trophektoderm oder in meso-endodermale Linien differenzieren. Ebenso ist die Menge des Pluripotenzfaktors NANOG entscheidend für die Steuerung der naiven und vorbereiteten pluripotenten Zustände. Das Verständnis der dosisabhängigen Regulation biologischer Prozesse ist entscheidend, jedoch technisch anspruchsvoll, da es erfordert, die Proteinmenge quantitativ zu modulieren. Hier wurde ein auf Degron- und CRISPR/Cas-basiertes Toolkit, CasTuner, entwickelt, um die endogene Genexpression analog zu steuern. CasTuner basiert auf Cas-abgeleiteten Repressoren, die an eine Degron-Domäne fusioniert sind und durch die Titration der Konzentration eines Liganden gesteuert werden können. CasTuner ermöglicht eine homogene (analoge) Steuerung der Genexpression, im Gegensatz zum KRAB-basierten CRISPRi-System, das eine bimodale (digitale) Repression zeigt. Mit CasTuner wurden die Dosis-Wirkungs-Beziehungen von NANOG und OCT4 mit ihren Zielgenen und dem zellulären Phänotyp gemessen. Schließlich wurde CasTuner eingesetzt, um die dosisabhängige Rolle des X-gebundenen Xist-Aktivators RNF12 und des neu entdeckten Faktors ZIC3 zu untersuchen. Dabei wurde ein modifiziertes Modell für die zufällige X-Chromosomen-Inaktivierung vorgeschlagen. / Certain biological processes are dose-dependent, depending not only on the presence or absence of given gene products but also on their specific. The importance of quantitative regulation of gene expression is illustrated by the need for dosage compensation for sex chromosomes and by the presence of genes whose decreased expression is linked to diseases. The mechanism by which mammals achieve X-dosage compensation, X-chromosome inactivation, is itself dose-dependent, being restricted to females through sensing the two-fold higher dose for X-linked genes in females compared to males. Dose-dependency has been described in the differentiation of pluripotent stem cells into different lineages: small variations in the quantity of the pluripotency factor OCT4 (POU5F1) can determine the differentiation of mouse embryonic stem cells (mESCs) into the trophectoderm or meso-endoderm lineages. Similarly, the amount of the pluripotency factor NANOG is critical for the control of naïve and primed pluripotent states. Understanding the principles underlying the dose-dependent regulation of biological processes is crucial, but also technically challenging, since it requires the ability to quantitatively modulate protein abundance. Here, I developed a degron- and CRISPR/Cas-based toolkit, CasTuner, for analogue tuning of endogenous gene expression. CasTuner relies on Cas-derived repressors fused to a degron domain, which can be tuned by titrating the concentration of a ligand. I demonstrate homogenous (analogue) tuning of gene expression across cells, as opposed to the KRAB-based CRISPRi system, which exhibits bimodal (digital) repression. I employ CasTuner to measure the dose-response relationships of NANOG and OCT4 with their target genes and the cellular phenotype. Finally, I apply CasTuner to study the dose-dependent role of the X-linked Xist activator RNF12 and the newly discovered factor ZIC3, and propose a modified model for random X-chromosome inactivation.

Die Onychomykose ist eine sehr häufige Erkrankung, deren Auftreten weltweit zunimmt und mit einer Pilzinfektion der Nägel einhergeht. Die Ineffizienz der verabreichte Antimykotika motiviert Bemühungen, nach alternativen Behandlungsmethoden zu suchen. Diese Dissertation untersucht die Auswirkungen der photodynamischen Inaktivierung (PDI) auf Dermatophyten und Schimmelpilze. Als Modellorganismen werden drei der Onychomykose auslösenden Pathogene untersucht: Trichophyton rubrum, Trichophyton interdigitale und der Schimmelpilz Scopulariopsis brevicaulis. Um das Potenzial der PDI gegen Onychomykose verursachende Pathogene, abzuschätzen, wurden Phototoxizitätstests mit drei Photosensibilisatoren (PS) durchgeführt: 5,10,15,20-Tetrakis(1-methylpyridinium-4-yl) porphyrintetra(p-toluenesulfonate) (TMPyP) und and 5,10,15-tris-(1-methylpyridinium-2-yl) corrolato-(trans-dihydroxo) phosphorus(V) (PCor+) sowie 4',5',7'-tetrabromo-3',6'-dihydroxyspiro[2-benzofuran-3,9'-xanthene] -1-one (Eosin G). Neben den Phototoxizitätstests wurden zeitaufgelöste Singulettsauerstoff-Lumineszenz Scans aufgenommen, die zur Verifizierung der PDI Effizienz genutzt wurden. Alle drei PS zeigen in vitro eine hohe phototoxische Wirkung. Diese konnte mit Singulettsauerstoff-Lumineszenzmessungen korreliert werden, bei denen ein hohes Singulettsauerstoff-Lumineszenzsignal erfasst wurde. An infizierten menschlichen Nägeln konnten die PS keinen phototoxischen Effekt induzieren. Singulettsauerstoff-Scans, die für einen Einblick in die zugrundeliegenden Ursachen durchgeführt wurden, zeigten fast kein Singulettsauerstoff-Lumineszenzsignal an menschlichen Nägeln. Könnten die verschiedenen bekannten Herausforderungen im Zusammenhang mit PDI an infizierten menschlichen Nägeln bewältigt werden, hätte die PDI das Potenzial, eine schnellwirkende Behandlung dieser Pilzinfektion im Zehennagel zu werden. Diese Studie zeigt erstmals den Zusammenhang zwischen der PDI-Behandlung von Onychomykose und Singulettsauerstoff. / Onychomycosis is a very common illness that befalls an increasing number of individuals worldwide and involves a fungal infection of the nails. The inefficiency of current treatments justifies the efforts to look for alternative treatment modalities. This dissertation investigates the impact of photodynamic inactivation (PDI) against dermatophytes and molds. Three of the causing pathogens of onychomycosis are under investigation: Trichophyton rubrum (T. rubrum), Trichophyton interdigitale (T. interdigitale) and the mold Scopulariopsis brevicaulis (S. brevicaulis). To assess the potential of PDI against onychomycosis causing pathogens, phototoxicity tests were performed using three photosensitizers (PSs): the cationic 5,10,15,20-Tetrakis(1-methylpyridinium-4-yl) porphyrintetra(p-toluenesulfonate) (TMPyP) and 5,10,15-tris-(1-methylpyridinium-2-yl) corrolato-(trans-dihydroxo) phosphorus(V) (PCor+) as well as the anionic 4',5',7'-tetrabromo-3',6'-dihydroxyspiro[2-benzofuran-3,9'-xanthene]-1-one (Eosin Y). Alongside the phototoxicity tests, time resolved singlet oxygen luminescence scans were conducted to serve as a control method of PDI. All three PSs proved to have a high phototoxic effect against the three fungi species in vitro. Those could be correlated with singlet oxygen measurements, where a high singlet oxygen luminescence signal was acquired. Contrary to the expectations from the in vitro experiments were the results obtained ex vivo: On infected human nails, the PSs were not able to induce a phototoxic effect. Singlet oxygen scans conducted to get insight into the reasons behind these results showed nearly no singlet oxygen luminescence signal on human nails. Addressing the various known challenges associated with PDI on infected human nails PDI would have a great impact within short time on treating the toenail fungal infection. This study, for the first time, shows the correlation between PDI treatment of onychomycosis and singlet oxygen.

Die Photodynamische Inaktivierung von Mikroorganismen (PDI) ist eine vielversprechende Methode zur Bekämpfung verschiedener Mikroorganismen. Grundlage der PDI ist die Generierung von reaktiven Sauerstoffspezies in toxischer Dosis, insbesondere von Singulettsauerstoff (1O2). Die Generierung von 1O2 erfolgt durch die Wechselwirkung eines Photosensibilisators mit Licht und molekularem Sauerstoff. Ein direkter Nachweis von 1O2 ist nur durch die Detektion seiner Phosphoreszenz bei 1269 nm (1O2 Lumineszenz) möglich. Die Kinetik der 1O2 Lumineszenz erlaubt Rückschlüsse auf die Mikroumgebung des Photosensibilisators. Die Phosphoreszenz-Quantenausbeute des 1O2 ist sehr gering und die spektrale Lage der 1O2 Lumineszenz bedingt geringe Detektionseffizienz und hohes Rauschen. Daher erfordert die zeitaufgelöste Detektion der 1O2 Lumineszenz hohen Aufwand an Technik und Fachwissen. Bisher gelang die zeitaufgelöste Detektion von 1O2 Lumineszenz an Mikroorganismen nur in Suspensionen. In dieser Arbeit werden Grundlagen für die Nutzung der orts- und zeitaufgelösten Detektion der 1O2 Lumineszenz auf Oberflächen als Werkzeug für die Evaluierung der PDI auf Oberflächen vorgestellt. Um diese Grundlagen zu schaffen, wurde ein Messplatz zur orts- und zeitaufgelösten Detektion von 1O2 Lumineszenz auf Oberflächen geplant, konstruiert, charakterisiert und getestet. In Untersuchungen an vier verschiedenen Mikroorganismen mit zwei Photosensibilisatoren gelingt erstmals der direkte, zeitaufgelöste Nachweis von 1O2 an Oberflächen kultivierter Mikroorganismen. Durch den Vergleich von Fluoreszenz-Scans und 1O2 Lumineszenz-Scans können Aussagen über das Diffusionsverhalten der Photosensibilisatoren und das 1O2 Lumineszenz Quenching der Mikro-organismen getroffen werden. Eine Analyse der 1O2 Lumineszenzkinetik zeigt, dass die Detektion der 1O2 Lumineszenz und die Bestimmung der 1O2 Lumineszenzkinetik im Zeitraum der PDI aller untersuchten Mikroorganismen möglich ist. / The Photodynamic Inactivation of Microorganisms (PDI) is a promising method to combat different microorganisms. The mechanism of PDI is based on the selective generation of reactive oxygen species, particularly of singlet oxygen (1O2), in a lethal dose. 1O2 is generated via the interaction of a photosensitizer with light and molecular oxygen. The only method for directly detecting 1O2 is the measurement of its characteristic phosphorescence at 1269 nm (1O2 luminescence). The kinetics of the 1O2 luminescence can be utilized to draw conclusions about the microenvironment of the photosensitizer. Due to the extremely low phosphorescence quantum yield of 1O2 and low detection efficiency because of its spectral position, the detection of 1O2 luminescence requires a considerable amount of specialised knowledge and technical efforts. Hitherto, the time-resolved detection of 1O2 luminescence at microorganisms has only been successful in suspensions. This thesis presents fundamentals for the use of laterally and time-resolved detection of 1O2 luminescence as a tool for evaluating PDI of microorganisms on surfaces. To provide these fundamentals, a setup for lateral and time-resolved 1O2 luminescence detection was planned, constructed and characterised. In studies regarding four different microorganisms and two photosensitizer, the direct time-resolved detection of 1O2 luminescence on the surface of cultured microorganisms was succeeded for the first time. The comparison of fluorescence and 1O2 luminescence scans allows gathering information about the diffusion properties of the photosensitizer as well as the quenching properties of the microorganisms. The analysis of the 1O2 luminescence kinetics exemplifies, that the determination of the 1O2 luminescence kinetics is possible over the period of the microorganisms’ PDI.

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X-Chromosom-Inaktivierung (XCI) ist der Mechanismus, den Säuger zur Dosiskompensierung zwischen weiblichen und männlichen Zellen verwenden. XCI wird ausgelöst durch die monoallelische Hochregulation der langen nicht-kodierenden RNA Xist von einem der zwei X-Chromosomen in weiblichen Zellen. Die Xist RNA vermittelt dann das Ausschalten der Gene auf diesem X-Chromosom. Das wirft einige interessante Fragen auf: Wie zählen Zellen ihre X-Chromosomen und stellen sicher, dass genau eines aktiv bleibt? Wie entscheiden sie, welches X-Chromosom aktiv bleibt und welches ausgeschaltet wird? Und wie erinnern sie sich an diese Entscheidung und behalten sie stabil bei durch alle weiteren Zellteilungen? Mithilfe eines stochastischen Modells zeigen wir, dass diese XCI Regulation prinzipiell durch nur zwei Regulatoren erklärt werden kann: Ein global (in trans) agierender XCI Aktivator und ein lokal (in cis) agierender XCI Repressor. Dieses Netzwerk aus nur zwei Regulatoren kann die Xist Expressionsmuster in verschiedenen Säugerspezies reproduzieren, von der Maus bis zum Mensch. Es sagt außerdem voraus, dass Zellen in der Lage sind, biallelische zu monoallelischer Xist Expression zu korrigieren, eine Vorhersage, für die wir tatsächlich experimentelle Belege finden. Mit einem mechanistischen Modell zeigen wir, dass das cis-Gedächtnis über den Xist Expressionszustand durch Antisense-Transkription zustande kommen könnte. Auf dieser Hypothese aufbauend untersucht der zweite Teil der Arbeit das Potential von Antisense-Transkription, ein lokales Gedächtnis über den Expressionszustand eines Gens zu generieren, genauer. Diese Analyse sagt vorher, dass Antisense-Repression den Expressionszustand eines Lokus tatsächlich für einige Tage stabil erhalten kann. / X-chromosome inactivation (XCI) is the mechanism for dosage compensation between the sexes in mammals. It is initiated through monoallelic upregulation of the long non-coding RNA Xist from one X chromosome, which mediates almost complete transcriptional silencing of this X chromosome. XCI regulation raises intriguing and thus far unanswered questions: How do cells count their X chromosomes and ensure that exactly one stays active? How do they make a mutually exclusive choice for one inactive X chromosome, and how do they then stably maintain this choice throughout subsequent cell divisions? Using stochastic modeling, we show that XCI onset only requires two regulators: A trans-acting Xist activator that ensures female specificity and a cis-acting Xist repressor that allows stable maintenance of alternative Xist expression states. This two-regulator network can recapitulate Xist expression patterns across different species and makes a novel prediction that is validated experimentally: Cells are able to revert biallelic Xist expression to monoallelic expression. With a mechanistic stochastic model we show that Xist's antisense transcript Tsix might be the cis-acting Xist repressor, uncovering the molecular mechanism behind the stabilization of the alternative Xist expression states. Building upon Tsix' possible functional role in stabilizing alternative Xist expression states on the active and inactive X chromosome, the second part of this thesis investigates the potential of antisense transcription to maintain a transient transcriptional memory. We find that mutual repression between a pair of antisense genes can allow the locus to remember the transcription state it has acquired due to a past signal for several days.