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Cancer is a leading cause of death worldwide. Development of new cancer drugs is increasingly costly and time-consuming. By exploiting massive amounts of biological data, computational repositioning proposes new uses for old drugs to reduce these development hurdles. A promising approach is the systematic analysis of structural data for identification of shared binding pockets and modes of action. In this thesis, I developed the Protein-Ligand Interaction Profiler (PLIP), which characterizes and indexes protein-ligand interactions to enable comparative analyses and searching in all available structures. Following, I applied PLIP to identify new treatment options in cancer: the heat shock protein Hsp27 confers resistance to drugs in cancer cells and is therefore an attractive target with a postulated drug binding site. Starting from Hsp27, I used PLIP to define an interaction profile to screen all structures from the Protein Data Bank (PDB). The top prediction was experimentally validated in vitro. It inhibits Hsp27 and significantly reduces resistance of multiple myeloma cells against the chemotherapeutic agent bortezomib. Besides computational repositioning, PLIP is used in docking, binding mode analysis, quantification of interactions and many other applications as evidenced by over 12,000 users so far. PLIP is provided to the community online and as open source.

Hintergrund und Zielstellung: Im Zuge der Intensivierung der Schweinemast kommen Atemwegsinfektionen und deren klinische Auswirkungen auf die Tiere, in Verbindung mit möglichen Wechselwirkungen zu den Umgebungsfaktoren, eine entscheidende Bedeutung für die Tiergesundheit und Wirtschaftlichkeit der Betriebe zu. Daher war es Ziel dieser Arbeit, unter Feldbedingungen festzustellen, inwieweit Korrelationen zwischen Parametern des Stallklimas, dem Nachweis potentiell pathogener Infektionserreger des Respirationstraktes, klinischem Befund der Tiere, dem Lungenbefund am Schlachtband und den Leistungsfaktoren bestehen. Material und Methoden: Über den Zeitraum von einem Jahr wurden fünf Schweinemastbetriebe in Thüringen, mit Betriebsgrößen im Bereich von 2480 bis 22 000 Mastplätzen hinsichtlich Tiergesundheit, insbesondere der Atemwegsgesundheit und Stallklima untersucht. Betriebskenndaten über Stallbau, Belegungsdichte, Lüftungs- und Heiztechnik sowie Fütterungs, -Tränke- und Impfregime wurden aufgenommen. Für die Untersuchungen wurden pro Betrieb zwei Abteile ausgewählt. Dabei lagen die betriebsabhängigen Abteilgrößen zwischen 159 bis 751 Tieren. In diesen Abteilen wurden bei einer Stichprobengröße von zehn Tieren in zwei Mastperioden, Sommer und Winter, zu jeweils drei Zeitpunkten (Vormast, Mittelmast und Endmast) 840 Blutproben entnommen und bezüglich der lungenpathogenen Erreger PRRSV, PCV 2, SIV sowie APP untersucht. PRRSV und PCV 2 betreffend, wurde sowohl auf Virus mittels in house-PCR-Untersuchungen gepoolter Proben, als auch serologisch auf Antikörper mittels ELISA untersucht. Für den Erreger SIV erfolgte eine serologische Untersuchung auf Antikörper mittels HAH sowie für APP mittels ELISA. Des Weiteren kam es in den entsprechenden Abteilen zur Durchführung stallklimatischer Messungen, wobei die Stallklimaparameter Lufttemperatur, Relative Luftfeuchte, Luftgeschwindigkeit sowie die Beleuchtungsstärke mithilfe von Geräten der Firma Testo sowie die Konzentrationen von CO2, O2, NH3und H2S mithilfe eines Multiwarn-Mehrgasmessgeräts der Firma Dräger ermittelt wurden. Gleichzeitig erfolgte eine klinische Befunderhebung in den Gruppen, mit der Bildung eines Klinikscores mit Schwerpunkt Lungengesundheit, sowie die Aufnahme der Leistungsparameter: durchschnittliche tägliche Zunahme, Mortalität der Gruppe und dem Tierbehandlungsindex, aus denen ein Leistungsscore ermittelt wurde. Im Zuge der Schlachtung wurden 9921 Schlachtkörper, insbesondere das Geschlinge und die Lungen, makroskopisch beurteilt und daraus ein modifizierter Organboniturscore, auf Grundlage des Organbefundindex nach Blaha gebildet. Alle Score-Bewertungen erfolgten nach Punkten und gaben somit eine Aussage zum Tiergesundheitsstatus der Betriebe. Höhere Punktzahlen entsprachen einem schlechterem Gesundheits- bzw. Leistungsstatus. Somit konnten Wechselwirkungen zwischen den Ergebnissen der Blutuntersuchungen, den Stallklimaparametern, dem Klinik- und Leistungsscore sowie dem Organboniturscore mittels statistischer Auswertung hergestellt werden, wobei die einzelnen Bestände sowohl betriebsübergreifend als auch auf Bestandsebene untersucht wurden. Aufgrund durchgeführter Umbaumaßnahmen in drei Beständen wurde ein Vergleich alter und neuer Betriebsteile in die Betrachtungen mit einbezogen. Ergebnisse: Keiner der Betriebe wies eine vollständige Erregerfreiheit auf, was für die endemische Verbreitung der Infektionserreger, insbesondere PRRSV, PCV 2 sowie APP spricht. SIV wurde lediglich in einem Bestand nachgewiesen. Serokonversionen hinsichtlich PRRSV gingen signifikant mit vermehrtem Husten der Tiere (p = 0,027) und einer höheren klinischen Gesamtpunktzahl (p = 0,016) einher. Bei Virusnachweis zeigte sich mit p = 0,047 eine signifikant schlechtere Lungengesundheit. Hinsichtlich des Stallklimas bestand für die Parameter Temperatur, Relative Luftfeuchte, CO2 Gehalt sowie den Schadgasgehalten der Stallluft ein starker Bezug zu den unterschiedlichen Mastperioden Sommer und Winter, mit vorrangig schlechteren Werten in der Winterperiode. Diese Klimaparameter lagen oftmals über den Grenz- bzw. Regelwertbereichen, mit Auswirkungen auf die Atemwegsgesundheit. Mit Ausnahme des Parameters NH3 ergaben sich bestandsübergreifend mit p ≤ 0,01 signifikante Zusammenhänge zu den klinischen Befunden (höhere Teilpunkzahlen Lungengesundheit korrelieren mit ρ = 0,250 zum CO2-sowie mit ρ = 0,222 zum H2S-Gehalt der Stallluft, negativ mit ρ = −0,396 zur Temperatur) sowie NH3 inbegriffen (mit einer Korrelation von ρ = 0,401) zu den Pneumoniebefunden. Ebenfalls bestandsübergreifend zeigte sich ein signifikanter Zusammenhang zwischen der Infektion von APP (p = 0,038) sowie PRRSV (p = 0,001) und einer erhöhten Anzahl an Pleuritiden. Des Weiteren zeigten sich mit einer Signifikanz von p ≤ 0,01 in Verbindung mit verstärkten klinischen Symptomen auch signifikant mehr makroskopisch sichtbare Pneumonien bei der Schlachtung (Korrelation der Gesamtpunktzahl Klinik mit ρ = 0,297). Bestandsabhängig wurden beim Vorhandensein multipler Erregerspektren im Betrieb erhöhte Lungenbefunde ermittelt. Beziehungen der Klima- und Klinikparameter sowie der Lungenbefunde zu den Leistungsparametern, konnten nur in geringem Maße festgestellt werden. So wurden beispielsweise keine Korrelationen zwischen den Schadgasparametern und der durchschnittlichen Masttagszunahme festgestellt. Hier scheint der genetische Aspekt einen starken Einfluss zu besitzen. Schlussfolgerungen: Anhand der Untersuchungen konnten sowohl einzelbetrieblich als auch betriebsübergreifend Signifikanzen zwischen den einzelnen Parametern festgestellt werden. Die gegenseitige Beeinflussung und Abhängigkeit aller Faktoren ist jedoch immer herdenabhängig und variiert, je nach Bestandsdynamik.

Eine der großen Fragestellungen der Psychologie beschäftigt sich mit der Suche nach Determinanten unseres Verhaltens. Dabei finden wir in der psychologischen Literatur verschiedene Theorien, die der Nähe zwischen Personen Bedeutung verleihen. Die Arbeiten von Kurt Lewin (1935) beschreiben positive und negative Valenzen, Konflikte, Hindernisse und Bedürfnisse als Determinanten unseres Verhaltens. Auch soziometrische Untersuchungen fokussieren die Anziehung und Abstoßung als elementare Gruppenkräfte, welche sich anhand sozialer Distanzen und Beliebtheit in Gruppen widerspiegeln (Moreno, 1941; 1996). Auf dieser Grundlage ist es uns möglich, Vorhersagen über eine Hinwendung zu und eine Abwendung von Personen zu treffen. Neben qualitativen Beobachtungen (vgl. Coie, Dodge, & Kupersmidt, 1990) bedienen sich bisherige Untersuchungsmethoden technischer Geräte, wie u.a. Beschleunigungsmessern und Schrittzähler (Cervantes & Porretta, 2010; Godfrey, Conway, Meagher, & ÓLaighin, 2008; Trost, 2001; Welk, Corbin, & Dale, 2000; Yang & Hsu, 2010), um Aussagen über das Bewegungsverhalten von Personen treffen zu können. Hierbei werden allerdings die Beziehungen und Dynamiken zwischen den Personen sowie das daraus resultierende Distanzverhalten völlig unbeachtet gelassen. Mit Hilfe neuester Technologien ist es nun möglich, räumliches Bewegungsverhalten in Form von x-, y-, z- Koordinaten zu erfassen. Das Ziel meiner Arbeit liegt in der Erhebung und Auswertung der Bewegungsdaten von Kindern, welche mit einer automatisierten Echtzeit-Ortungs-Methode (Real Time Location System = RTLS) erfasst wurden. Bis zum jetzigen Zeitpunkt wurde das Bewegungsverhalten von 114 Kinder aus sieben Gruppen von vier unterschiedlichen Kindergärten, von sechs Kindern einer Schule für Blinde und Sehbehinderte sowie von 24 Schülern aus zwei Klassen einer Schule mit einem Förderschwerpunkt für geistige Entwicklung erhoben. Die in diese Arbeit einfließenden Studien bieten einen ersten Einblick in die Erhebungs- und Auswertungsmöglichkeiten von räumlichen Bewegungsdaten und beleuchten den aktuellen Stand dieser Forschung.:DANKSAGUNG II PREFACE VI ZUSAMMENFASSUNG VII LIST OF CONTENTS XII LIST OF TABLES XIV LIST OF FIGURES XV CHAPTER I 1 1. AN INTRODUCTION INTO MOTIVATIONAL CONCEPTS, BEHAVIORAL RESEARCH, AND METHODOLOGICAL CHALLENGES 1 WHAT DRIVES US? A PIONEERING MOTIVATIONAL CONCEPT WITH REGARD TO MOVEMENT BEHAVIOR 2 METHODOLOGICAL BACKGROUND 3 METHODOLOGICAL CHALLENGES 4 AIMS AND SCOPES 5 OVERVIEW OF MANUSCRIPTS INCLUDED IN THIS MONOGRAPH 6 CHAPTER II 10 2. CHILDREN AT PLAY – TOWARD AN AUTOMATED MEASUREMENT OF CHILD BEHAVIOR 11 INTRODUCTION 12 METHODS AND MATERIALS 14 RESULTS 18 DISCUSSION 28 CHAPTER III 33 3. CONTINUOUS MEASUREMENT OF DYNAMIC CLASSROOM SOCIAL INTERACTION 33 INTRODUCTION 35 METHODS AND MATERIALS 38 RESULTS 40 DISCUSSION 49 CHAPTER IV 54 List of Contents 4. LEARNING, MOVING, INTERACTING – MOVEMENT ASSESSMENT OF VISUALLY IMPAIRED CHILDREN DURING A SCHOOL LESSON 55 INTRODUCTION 56 METHODS AND MATERIALS 59 RESULTS 63 DISCUSSION 71 CHAPTER V 76 5. APPROACH – AN ANALYSIS OF CHILDREN’S INTERACTIONS DURING A FREE PLAY SITUATION 77 INTRODUCTION 78 METHOD 80 RESULTS 89 DISCUSSION 92 CHAPTER VI 96 6. SUMMARY, IMPLICATIONS, AND FUTURE ASPECTS OF RESEARCH 97 SUMMARY OF THE STUDIES OF CHILDREN’S MOVEMENT BEHAVIOR 97 IMPLICATION AND FUTURE ASPECTS OF RESEARCH 100 7. REFERENCES 103 8. APPENDIX 119 9. CURRICULUM VITAE 121 10. LIST OF PUBLICATIONS 123 11. EIDESSTATTLICHE ERKLÄRUNG 124

BACKGROUND: A long-standing challenge in the post-genomic era of Bioinformatics is the prediction of protein-protein interactions, and ultimately the prediction of protein functions. The problem is intrinsically harder, when only amino acid sequences are available, but a solution is more universally applicable. So far, the problem of uncovering protein-protein interactions has been addressed in a variety of ways, both experimentally and computationally. MOTIVATION: The central problem is: How can protein complexes with solved threedimensional structure be utilized to identify and classify protein binding sites and how can knowledge be inferred from this classification such that protein interactions can be predicted for proteins without solved structure? The underlying hypothesis is that protein binding sites are often restricted to a small number of residues, which additionally often are well-conserved in order to maintain an interaction. Therefore, the signal-to-noise ratio in binding sites is expected to be higher than in other parts of the surface. This enables binding site detection in unknown proteins, when homology based annotation transfer fails. APPROACH: The problem is addressed by first investigating how geometrical aspects of domain-domain associations can lead to a rigorous structural classification of the multitude of protein interface types. The interface types are explored with respect to two aspects: First, how do interface types with one-sided homology reveal convergently evolved motifs? Second, how can sequential descriptors for local structural features be derived from the interface type classification? Then, the use of sequential representations for binding sites in order to predict protein interactions is investigated. The underlying algorithms are based on machine learning techniques, in particular Hidden Markov Models. RESULTS: This work includes a novel approach to a comprehensive geometrical classification of domain interfaces. Alternative structural domain associations are found for 40% of all family-family interactions. Evaluation of the classification algorithm on a hand-curated set of interfaces yielded a precision of 83% and a recall of 95%. For the first time, a systematic screen of convergently evolved motifs in 102.000 protein-protein interactions with structural information is derived. With respect to this dataset, all cases related to viral mimicry of human interface bindings are identified. Finally, a library of 740 motif descriptors for binding site recognition - encoded as Hidden Markov Models - is generated and cross-validated. Tests for the significance of motifs are provided. The usefulness of descriptors for protein-ligand binding sites is demonstrated for the case of "ATP-binding", where a precision of 89% is achieved, thus outperforming comparable motifs from PROSITE. In particular, a novel descriptor for a P-loop variant has been used to identify ATP-binding sites in 60 protein sequences that have not been annotated before by existing motif databases.

Background: Excessive media usage affects children’s health. This study investigated associations between children’s and mother’s media use, parent-child interactions, and early-childhood development outcomes. Methods: 296 healthy 2- to 5-year-old preschoolers (52.4% male, mean age = 3.5) and 
224 mothers from the LIFE-child cohort study were analyzed. Screen times and parent-child interactions were assessed using standardized parental questionnaires. Developmental skills were investigated using the standardized development test ET 6-6-R. Results: High screen times in children (> 1 h/day) were significantly associated with lower percentile ranks in cognition (b = -10.96, p < 0.01), language (b = -12.88, p < 0.01), and social-emotional skills (b = -7.80, p = 0.05). High screen times in mothers (> 5 h/day) were significantly associated with high media use by children (OR = 3.86, p < 0.01). Higher parent-child interaction scores were significantly associated with better body motor (b = 0.41, 
p = 0.05), cognition (b = 0.57, p < 0.01), language (b = 0.48, p = 0.02) and social-emotional outcomes (b = 0.80, p < 0.01) in children. Conclusions: Public health strategies should seek to educate caregivers as competent mediators for their children’s media habits, with focus on the need for children to have frequent parent-child interactions.

Das Protozoon Giardia duodenalis ist eine der Hauptursachen für infektiöse Magen-Darm-Erkrankungen. Die zugrundeliegenden Pathomechanismen sind jedoch nach wie vor unklar. Um die Pathogenität G. duodenalis‘ untersuchen zu können, wird ein Modellsystem benötigt, dass die Komplexität des Darmepithels widerspiegelt. Diese Arbeit zeigt die Etablierung eines Zellkultursystems auf der Basis von organoid-abgeleiteten Epithelien unter Verwendung von filter-basierten Zellkultureinsätzen. Wir haben Protokolle für die Etablierung von organoid-basierten Zellkulturen (ODMs) vier verschiedener Wirte zoonotischer Protozoen unter Verwendung eines einzigen Protokolls erstellt. Die Charakterisierung zeigte, dass das Modellsystem erfolgreich die Polarisierung des Darmepithels nachahmt, aus mehreren Zelltypen besteht und eine Infektion ermöglicht. Der Schwerpunkt der Arbeit lag auf der Analyse der durch G. duodenalis induzierten Barrierestörung in ODMs auf Transkriptions-, Protein- und Funktionsebene. Die Infektion von humanen duodenalen Zellen führte zu einem Verlust der epithelialen Barrierefunktion. Mit Hilfe des transepithelialen elektrischen Widerstandes und Dextran Flux wurde eine Erhöhung der Barrieredurchlässigkeit beobachtet. Die Hemmung von zuvor in immortalisierten Zellmodellen beschriebenen Reaktionswegen konnte die Barrierefunktion nicht wiederherstellen. Stattdessen konnten Veränderungen der Ionenhomöostase sowie den Zusammenbruch der zonula occludens nachgewiesen werden. Der beobachtete Phänotyp konnte auf die Aktivierung des cAMP/PKA/CREB-Signalwegs, als einen von mehreren kausalen Faktoren, zurückgeführt werden. Hier zeigen wir die Etablierung eines aus Organoiden abgeleiteten Modells, das die Untersuchung von G. duodenalis Infektionen in vitro ermöglicht. Mit unserem Modell konnten wir eine neue Reihenfolge von Ereignissen entschlüsseln, die einen der Faktoren während symptomatischer Giardiasis darstellt. / The protozoan Giardia duodenalis is a one of the major causes of gastrointestinal illness. Underlying pathomechanisms remain unclear. An in vitro model system that also mimics the complexity of intestinal epithelium is needed to allow pathogenicity studies. This thesis shows the establishment of a cell culture system based on organoid-derived epithelia using permeable cell culture inserts. We have provided guidelines on the establishment of organoid-derived monolayers (ODMs) of four different hosts of zoonotic protozoa using a single protocol. Characterization showed that the model system successfully mimics intestinal polarization, is composed of multiple cell types and allows for infection with multiple protozoan parasites. As the main focus of the thesis, analysis of G. duodenalis-induced barrier breakdown in ODMs was performed on transcriptional, protein and functional level. Infection of human duodenal, organoid-derived monolayers resulted in a time- and dose-dependent breakdown of epithelial barrier function. Barrier permeability increases were observed ranging from ions to macromolecules as measured by transepithelial electrical resistance and Dextran flux. Inhibition of previously proposed key pathogen-induced pathways observed in immortalized cell models did not rescue barrier dysfunction. We could instead show changes in ion homeostasis, and tight junctional breakdown. While none of the previously proposed effector pathways appeared to be responsible, we could pin-point the observed phenotype to activation of the cAMP/PKA/CREB signaling pathway, as one of the factors of the multifactorial barrier breakdown. The establishment of an organoid-derived infection model is shown, allowing the study of in vitro Giardia duodenalis infections. Using this model, we could decipher a new series of events that may be one of the factors causing the intestinal barrier breakdown observed in symptomatic Giardiasis.

Artenübergreifende Interaktionen helfen uns, Krankheitsmechanismen zu verstehen und Targets für Therapien zu finden. Die Koexpression von Genen, gemessen an der mRNA-Häufigkeit, kann Interaktionen zwischen Wirt und Pathogen aufzeigen. Die RNA-Sequenzierung von Wirt und Pathogen wird als "duale RNA-Sequenzierung" bezeichnet. Malaria ist eine der am besten untersuchten parasitären Krankheiten, so dass eine Fülle von RNA-seq-Datensätzen öffentlich zugänglich ist. Die Autoren führen entweder duale RNA-seq durch, um den Wirt und den Parasiten gleichzeitig zu untersuchen, oder sie erhalten kontaminierende Sequenzierungs-Reads aus dem Nicht-Zielorganismus. Ich habe eine Meta-Analyse durchgeführt, bei diese beiden Arten von RNA-seq-Studien verwendet wurden, um über korrelierte Genexpression auf Wirt-Parasit-Interaktionen zu schließen. Ich habe Studien mit Homo sapiens, Mus musculus und Macaca mulatta als Wirte und ihre Plasmodium-Parasiten einbezogen. Ich benutzte orthologe Einzelkopien von Genen, um ein Repertoire von Interaktionen bei Malaria und in diesen Modellsystemen zu erstellen. Ich verknüpfte die Daten von 63 Plasmodium-Phasen-spezifischen Studien und reduzierte die Zahl der Interaktionen von potenziell 56 Millionen auf eine kleinere, relevantere Menge. Die Zentralität in den Netzwerken der Blutphasen konnte die Essentialität der Plasmodium-Gene erklären. Das aus den verketteten Daten sagte die Genessenzialität besser vor als die einzelnen Studien - ein Vorteil der Meta-Analyse. Neutrophile und Monozyten Immunmarkergene waren überrepräsentiert, was auf eine Fülle von phagozytären und respiratorischen Reaktionen hindeutet. Die Analyse der Leberphase ergab Wirts- und Parasitenprozesse in frühen und späten Entwicklungsphasen. Ich fand bekannte Wirt-Parasit-Interaktionen, die für beide Phasen gleich sind, sowie bisher unbekannte Interaktionen. Dieses Prinzip lässt sich auch auf andere Krankheiten anwenden, um Mechanismen und therapeutische Ziele zu verstehen. / Cross-species interactions help us understand disease mechanisms and find targets for therapy. Gene co-expression, measured by mRNA abundance, can identify host-pathogen interactions. The RNA-sequencing of host and pathogen is termed “dual RNA-sequencing”. Malaria is one of the most studied eukayotic parasitic diseases, making an abundance of RNA-seq data sets publicly available. Authors either perform dual RNA-seq to study the host and parasite simultaneously or acquire contaminant sequencing reads from the non-target organism. I performed a meta-analysis using these two kinds of RNA-seq studies to infer host-parasite interactions using correlated gene expression. I included studies of Homo sapiens, Mus musculus and Macaca mulatta as hosts and their corresponding Plasmodium parasites. I used single-copy orthologous genes to generate a repertoire of interactions in human malaria and in these model systems. I found 63 malaria RNA-seq studies. I concatenated sequencing runs from Plasmodium stage-specific studies and reduced the number of interactions from a potential 56 million to a smaller, more relevant set. Centrality in the blood stage networks was able to explain Plasmodium gene essentiality. The network from the concatenated data predicted gene essentiality better than the individual studies, indicating a benefit of the meta-analysis. Immune marker genes for neutrophils and monocytes were over-represented, suggesting an abundance of phagocytic and respiratory burst-related responses. The liver stage analysis revealed linked host and parasite processes at early stages until late developmental stages. I found linked host and parasite processes that are common to the two stages, e.g. parasite cell gliding and invasion and host response to hypoxia and immune response. I showed that existing data can be explored for new information. This principle can be applied to other diseases to understand mechanisms and therapeutic targets.

Die Epithelzellen des Dünndarms bilden die Hauptinfektionsroute für viele Protozoen wie zum Beispiel Toxoplasma gondii und Giardia duodenalis. Jedoch sind die Mechanismen dieser Infektionswege unbekannt, da geeignete Modelle fehlen, welche das Darmepithel nachbilden. In der folgenden Studie wurde eine in-vitro Plattform mit Darmorganoiden (organoid derived monolayers oder ODMs) etabliert, welche man für vergleichende Studien zu Parasit-Wirt-Interaktionen anwenden kann. Das ODM-System wurde angewendet, um die Anfangsphase einer T. gondii-Infektion zu modellieren, wobei der Schwerpunkt auf die Rolle von Interferon gamma (IFNγ) und immunitätsbezogenen GTPasen (Irgs) lag. Es wurde gezeigt, dass sich die Irg-abhängige Kontrolle virulenter Toxoplasma-Stämme zwischen dem Labormausmodell und anderen wildlebenden Nagetierarten unterscheidet. Aus diesem Grund wurden Vergleiche mit Organoiden verschiedener Labormausstämme und der Rötelmaus Myodes glareolus durchgeführt. Myodes glareolus ist eine Nagetierart, von der angenommen wird, dass sie eine höhere Resistenz gegen T. gondii aufweist. Basierend auf die Resultate der quantitativen Immunofluoreszentests und qPCR dieser These, führt die Stimulation mit IFNγ zu einer tendenziell verringerten Replikation der Parasitenstämme RH und Prugniaus in M. glareolus ODMs im Vergleich zu Mus ODMs. In dieser Studie, wurde zum ersten Mal die Rolle von Irgs bei intestinalen T. gondii-Infektionen identifiziert. Zu diesem Zweck wurden Organoide von M. glareolus mit einem fluoreszierend markierten Irgb10-Protein transfiziert, wodurch gezeigt werden konnte, dass Irgb10 T. gondii-Vakuolen dekoriert, was auf eine Beteiligung des Irg-Systems hindeutet. Schließlich wurde ein Koinfektionsmodell für T. gondii und/oder G. Duodenalis in Maus-ODMs etabliert. In diesem Modell wurde gezeigt, dass T. gondii weder die Induktion der Barrierestörung durch G. duodenalis noch die Replikation von T. gondii durch G. duodenalis beeinflusst. / The small intestinal epithelium is the primary route of infection for many protozoan parasites such as Toxoplasma gondii and Giardia duodenalis. Understanding the mechanisms of infection with such parasites, has been hindered due to the lack of appropriate models mimicking the complexity of the intestinal epithelium. Here, an in vitro platform was established, using intestinal organoids (organoid derived monolayers or ODMs) for comparative studies on parasite-host interactions. The ODM system was used to model the events during the early phase of a T. gondii infection, focusing on the role of Interferon gamma (IFNγ) and Immunity Related GTPases (Irgs). Irg dependent control of virulent Toxoplasma strains has been shown to differ between the laboratory mouse model and other wild-derived rodent strains. How these responses occur in rodent species that do not belong to the murine family, is yet to be determined. For this reason, comparisons were made with organoids from different laboratory mice strains and the bank vole Myodes glareolus, a non-muridae rodent species assumed to be more resistant to T. gondii. Based on this thesis, stimulation with IFNγ leads to a trend of reduced replication in M. glareolus ODMs compared to Mus ODMs for both Type I parasite strain RH and for Type II strain Prugniaud, based on quantitative immunofluorescence assays and qPCR. Analysis of the role of Irgs in intestinal T. gondii infections was performed, by transfecting organoids from M. glareolus with a fluorescently labelled Irgb10 protein, showing that Irgb10 decorates T. gondii vacuoles, suggesting Irg-system involvement. Finally, a co-infection model in murine ODMs was established for T. gondii and/or G. Duodenalis. Here, it could be observed that T. gondii did not influence G. duodenalis induction of barrier breakdown nor did G. duodenalis influence T. gondii replication.

Ansätze der mathematischen Modellierung ermöglichen die Analyse der dynamischen Eigenschaften biologischer Systeme und den Einfluß spezifischer Funktionen. Das Ziel dieser Arbeit ist es verschiedene Aspekte der Interaktionen zwischen Wirt und Krankheitserregern zu analysieren. In Kapitel 3 diskutiere ich ein Modell der zellulären Antwort auf Hitzeschockstress im Pilz Candida albicans. Das Modell in Form von gewöhnlichen Differentialgleichungen erörtert mehrere Aspekte des Systems, wie z.B. die erworbene Thermotoleranz und eine perfekte Anpassung an die Beanspruchung durch die Temperaturwechsel. Im Rahmen der Interaktionen zwischen Wirt und Krankheitserreger ist die Studie relevant, da die Entwicklung von Fieber eine primäre Antwort des Organismus auf eine Pilzinvasion ist. Die Dynamik von C. albicans Virulenzfaktoren, wie z.B. der Übergang vom Hefe- zum Hyphenstadium, und die Abwehrmechanismen des Wirts bestimmen den Zustand des Pilzes, d.h. ob er als Kommensale oder Krankheitserreger vorkommt. Mit Hilfe einer agenten-basierten Modellierungstechnik, in Kapitel 4, untersuche ich die Auswirkungen potenzieller medikamentöser Behandlungen von Pilzpopulationen und ihre Effektivität. In Kapitel 5 analysiere ich die Dynamik der C. albicans Hefe- und Hyphenpopulationen unter der Annahme, das zwischen den Individuen beider Populationen paarweise Wechselwirkungen bestehen, die zusätzlich von Fresszellen und Ernährungsbedingungen beeinflusst werden. Das erste Modell basiert auf den Prinzipien der Spieltheorie. Aus dieser Studie lässt sich die Hypothese aufstellen, dass sich im Verlauf der Infektion die evolutionäre Spieldynamik von der Snowdrift Spieldynamik in Richtung Gefangendilemma verschiebt. Im zweiten Modell untersuche ich die Umschaltraten zwischen Hefen und Hyphen. Das Modell zeigt, dass in Pilzpopulationen die Ausprägung verschiedener Phänotypen der Grund für die erhöhte Überlebensfähigkeit der Population sein könnte. / Mathematical modeling approaches facilitate the analysis of dynamic properties of mechanisms triggering specific functions of biological systems. Through this work I aim to shed light on various aspects of host-pathogen interactions. In Chapter 3, I discuss a model of heat shock stress response activated in the fungus Candida albicans. The model in form of ordinary differential equations reveals several features of the system, such as acquired thermotolerance and a perfect molecular adaptation to the thermal insult. The study is relevant in the context of host-pathogen interactions since development of fever is a primary host response to fungal invasion. The dynamics of C. albicans virulence factors, e.g., yeast to hypha transition, and defense mechanisms of the host determine the state of the fungi, i.e. whether to act as a commensal or as a foe. Through application of an agent-based modeling technique, in Chapter 4, I investigate effects of potential drug treatments on fungal populations and their effectivity in the fungal clearance. In Chapter 5, I analyze the dynamics of candida yeast and hyphal populations assuming pairwise interactions influenced by phagocytic cells and nutritional conditions. The first model is based on game theory principles. From the study it can be hypothesized that during the course of infection the evolutionary game dynamics shift from Snowdrift game dynamics toward Prisoners’ dilemma. In the second model, I examine switching rates between yeast and hypha. The model reveals that phenotypic variations may occur in order to increase the fitness of the population.