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Veränderungen in phosphorylierungsabhängigen Signalwegen, Akkumulation von Proteinaggregaten im Gehirn und neuronaler Zelltod sind Neurodegenerationskennzeichen und Indikatoren für überlappende molekulare Mechanismen. Um Einblicke in die involvierten Signalwege zu erhalten, wurde mit Hilfe eines modifizierten Hefe-Zwei-Hybrid (Y2H)-Systems für 71 Proteine, die mit neurologischen Erkrankungen assoziiert sind, proteomweit nach Protein-Protein Interaktionen (PPIs) gesucht. Für 21 dieser Proteine wurden PPIs identifiziert. Das Gesamtnetzwerk besteht aus 79 Proteinen und 90 PPIs von denen 5 phosphorylierungsabhängig sind. Ein Teil dieser PPIs wurde in unabhängigen Interaktionsassays mit einer Validierungsrate von 66 % getestet. Der netzwerkbasierte Versuch verbindet erfolgreich neurologische Erkrankungen untereinander aber auch mit zellulären Prozessen. Ser/Thr-Kinase abhängige PPIs verknüpfen zum Beispiel das Parkinson Protein 7 (PARK7, DJ1) mit den E3 Ligase Komponenten ASB3 und RNF31 (HOIP). Die Funktion dieser Proteine bekräftigt den Zusammenhang zwischen dem Ubiquitin-Proteasom-System und der Parkinson Krankheit (PD). Neurofibromin 2 (NF2, merlin) Isoformen und PARK7 interagieren mit der regulatorischen PI3K Untereinheit p55-gamma (PIK3R3). Diese PPIs basieren auf Tyr-Kinase Aktivität im modifizierten Y2H System und funktionellen PIK3R3 pTyr-Erkennungsmodulen (SH2 Domänen) in co-IP und Venus PCA Versuchen. Dies verknüpft den PI3K/AKT Überlebenssignalweg mit zwei unterschiedlichen neurologischen Erkrankungsphenotypen: dem PD assoziierten neuronalen Zelltod und der Neurofibromatose Typ 2-assoziierten Tumorentstehung. Die vergleichende Beobachtung von PIK3R3, AOF2 (KDM1A, LSD1) Interaktionen auf NF2 Isoformlevel offenbart eine Bevorzugung von Isoform 7 bei zytoplasmatischer Lokalisation, wohingegen Isoform 1 PPIs an der Membran lokalisiert sind. Das modifizierungsabhängige und isoformspezifische PPI Netzwerk ermöglichte neue Hypothesen zu molekularen Pathomechanismen. / Alterations in phosphorylation-dependent signalling pathways, accumulation of aggregated proteins in the brain and neuronal apoptosis are common to neurodegeneration and implicate overlapping molecular mechanism. To gain insight into involved pathways, a modified yeast-two hybrid (Y2H) system was applied to screen 71 proteins associated with neurological disorders in a proteome-wide manner. For 21 of these proteins interactions were identified including 5 phosphorylation-dependent ones. In total, the network connected 79 proteins through 90 protein-protein interactions (PPIs). A fraction of these Y2H PPIs was tested in secondary interaction assays with a validation rate of 66 %. The described network-based approach successfully identified proteins associated with more than one disorder and cellular functions connected to specific disorders. In particular, the network revealed Ser/Thr kinase-dependent PPIs between the Parkinson protein 7 (PARK7, DJ1) and the E3 ligase components ASB3 and RNF31 (HOIP). The function of these proteins further substantiates the established connection between Parkinson’s disease (PD) and ubiquitination-mediated proteasome (dis)functions. Neurofibromin 2 (NF2, merlin) isoforms and PARK7 were identified as PI3K regulatory subunit p55-gamma (PIK3R3) interactors. These PPIs required Tyr kinase coexpression in the modified Y2H system and functional PIK3R3 pTyr-recognition modules (SH2 domains) in co-IP and Venus PCA experiments. This finding implicates the PI3K/AKT survival pathway in PD-associated neuronal apoptosis and Neurofibromatosis type 2-associated tumour formation. Investigation of PIK3R3, AOF2 (KDM1A, LSD1) and EMILIN1 PPIs on NF2 isoform level revealed preferential isoform 7 binding and cytoplasmic or membrane localisation of these PPIs for isoform 7 or 1, respectively. The generated modification-dependent and isoform-specific PPI network triggered many hypotheses on the molecular mechanisms implicated in neurological disorders.

Die Aufklärung der Prozesse, die zur Zusammensetzung des Influenza A Virus führen, ist Bestandteil für die Bekämpfung dieser Infektionskrankheit. Der Viruspartikel setzt sich aus einer Hülle, der darunter liegenden Matrix und dem Genom zusammen. Das Genom ist als Bündel aus acht Ribunucleoproteinkomplexen organisiert. Die Hülle besteht aus einer Membran, die mit Sphingomyelin und Cholesterol angereichert ist und den darin eingebetteten Membranproteinen Hämagglutinin, Neuraminidase und dem Protonenkanal M2. Die unter der Hülle liegende Matrix wird von einem einzigen Influenzaprotein formiert: Dem Matrixprotein M1. Es spielt eine Schlüsselrolle im Replikationszyklus des Virus in der Zelle. Es interagiert mit dem genetischen Material, mit den Membranproteinen und der Lipidmembran der Hülle. Die vorliegende Arbeit gibt Auskunft, welche Lipide eine Rolle in der M1-MembranWechselwirkung spielen. Die Liste der identifizierten Lipide umfasst neben dem bereits bekannten Phosphatidylserin auch Phosphatidylglycerol und Phosphatidsäure. Verschiedene Phosphatidylinositole konnten ebenfalls identifiziert werden. Als stärkster M1 Bindungspartner trat dabei Phosphatidylinositol-4-Phosphat zutage. Weitere auf Mutanten basierende Untersuchungen zeigten, dass der membranbindende Bereich nicht auf eine einzelne Domäne in M1 festgelegt werden kann. Die N-terminale M1-Domäne mit ihrem Oberflächen-exponierten, positiv geladenen Areal und die C-terminale Domäne interagierten mit Modellmembranen. Das Resultat dieser Interaktionen konnte mittels mikroskopischer Untersuchungen an gigantischen unilamellaren Vesikeln dokumentiert werden. Für M1 und für eine Mutante, die nur aus der N-terminalen M1-Domäne besteht, konnte eine von anderen viralen Proteinen unabhängige homooligomere Organisation auf der Membran gezeigt werden. Diese M1-Cluster könnten während der Zusammensetzung des Viruspartikels als Fundament für die Eingliederung aller weiteren viralen Komponenten dienen. / about the assembly process of the influenza A virus particle is essential for the development of effective approaches for prevention and treatment of this virus infection. The virus particle consists of an envelope, an underlying matrix, and the encapsulated genome. The genetic material is organized as bundle of eight ribonucleoprotein complexes that encode for eleven proteins. The envelope consists of a lipid bilayer that is enriched in sphingomyelin and cholesterol. The viral spike proteins, hemagglutinin and neuraminidase, as well as the proton channel M2 are embedded into this membrane. The matrix can be found below the envelope. It is formed by one single protein, the matrix protein M1. M1 plays a crucial role during the replication of the virus in the cell. It interacts with the genetic material, with the envelope proteins and with the lipid bilayer of the envelope. The results of this study reveal in detail which lipids are targeted by M1. The set of identified lipids contains phosphatylglycerol and phosphatidic acids as new binding partners, beside the known phophatidylserine. Additionally, several phosphatidylinositols were identified. Phosphatidylinositol-4-phosphate was the strongest binding partner from this group. Mutant-based analysis revealed that M1 owns more than one membrane binding site. The positively charged area in the N-terminal and the C-terminal domain mediated membrane association of the respective mutant protein. The final constitution of M1 on the membrane was characterized by confocal fluorescence microscopy on giant unilamellar vesicles. Full length M1 and a mutant that consisted only of the N-terminal part of M1 showed lateral clustering of homooligomers on the vesicle surface. The clusters formed independently of any other viral component. A function as fundament for the incorporation of the other viral components can be assumed for these clusters.

G-Protein gekoppelte Rezeptoren (GPCR) sind Rezeptoren mit 7 Transmembrandomänen. Nach Bindung ihres Liganden werden über die Kopplung von G-Proteinen rezeptorspezifisch Signaltransduktionswege aktiviert. Ein bislang nicht ausreichend verstandener Prozess für die Funktion von GPCR ist deren Oligomerisierung. Für einige GPCR konnte gezeigt werden, dass die Oligomerisierung den Rezeptortransport und/oder die Dynamik der Rezeptoraktivierung moduliert. Dabei ist noch nicht aufgeklärt, ob die entsprechenden GPCR ausschließlich als Oligomere oder in einem bestimmten Monomer-Dimer Verhältnis (M/D) vorliegen und welcher Dynamik dieses Verhältnis unterliegt. In dieser Arbeit wurde die Homo-Oligomerisierung des Endothelin-B-Rezeptors (ETBR), des Vasopressin-V2-Rezeptors (V2R) und der Corticotropin-Releasing-Factor-Rezeptoren Typ 1 (CRF1R) und Typ 2(a) (CRF2(a)R) analysiert. Im Anschluss an diese Untersuchungen wurde das M/D der GPCR bestimmt. Zur Detektion der Protein-Protein Interaktionen wurden die biophysikalischen Methoden Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer (FRET) und Fluoreszenz-Kreuzkorrelations-Spektroskopie (FCCS) eingesetzt. Mit Hilfe der FCCS konnte das spezifische M/D der GPCR bestimmt und über FRET ein Unterschied in der Interaktions-Dynamik zwischen den GPCR der Familie 1 (am Bsp. des V2R) und der Familie 2 (am Bsp. des CRF1R) ermittelt werden. Des Weiteren lieferten die genutzten Methoden den Nachweis, dass der zum CRF1R homologe CRF2(a)R ausschließlich als Monomer vorliegt. Zusätzliche Untersuchungen an Signalpeptidmutanten des CRF1R und des CRF2(a)R weisen darauf hin, dass das Pseudosignalpeptid des CRF2(a)R, welches bislang einzigartig in der Superfamilie der GPCR ist, die Oligomerisierung des Rezeptors verhindert. Zusätzlich zu diesen neuen Daten konnte in dieser Arbeit erstmals ein Zusammenhang zwischen Rezeptorinteraktion und G-Protein Selektivität für den CRF1R und den CRF2(a)R festgestellt werden / The heptahelical G protein-coupled receptors (GPCRs) are important drug targets. Following activation by their ligands, they exert their function via the binding of G proteins and activation of specific signal transduction cascades. To date, the functional significance of the oligomerization of GPCRs is not completely understood. For some GPCRs it could be shown that the oligomerization modulates receptor transport and/or the dynamics of receptor activation. Most importantly, it is not clear whether the GPCRs exist exclusively as oligomers or in a certain monomer-dimer ratio (M/D) or whether a given ratio is dynamic. In this work, the homo-oligomerization of the endothelin-B-receptor (ETBR), the vasopressin-V2-receptor (V2R) and the corticotropin-releasing-factor-receptors type 1 (CRF1R) and type 2(a) (CRF2(a)R) was analysed. In addition, the M/D of these GPCRs was determined. For the detection of the protein-protein interactions, the following biophysical methods were established: fluorescence-resonance-energy-transfer (FRET) and fluorescence-crosscorrelation-spectroscopy (FCCS). With the help of FCCS, a specific M/D could be determined for each of the GPCRs. Using FRET, differences in the interaction dynamics between family 1 (V2R) and family 2 GPCRs (CRF1R) could be described. Moreover, it was experimentally verified that the CRF2(a)R is exclusively expressed as a monomer, in contrast to the other GPCRs and even the highly homologous CRF1R. Using signal peptide swap experiments, it could be demonstrated that the N-terminal pseudo signal peptide of the CRF2(a)R, which is so far unique in the superfamily of GPCRs, prevents oligomerization of the receptor. In addition, a relation of receptor oligomerization and G protein coupling selectivity was established for the CRF1R and the CRF2(a)R which is novel for the GPCR protein family.

Wolbachien sind weitverbreitete bakterielle Symbionten von Arthropoden. Sie werden überwiegend durch maternale Vererbung übertragen, können aber auch horizontal von Art zu Art übertragen werden. Wolbachien sind berüchtigt dafür, die Wirtsreproduktion zu manipulieren, können aber auch Mutualismen mit ihren Wirten evolvieren. In dieser Arbeit untersuche ich, welche Rolle horizontale Transmission und mutualistische Effekte bei der Wolbachien-Pandemie unter Arthropoden spielen. Zunächst schätze ich, dass Millionen Arthropodenarten mit Wolbachien infiziert sind. Um diese erstaunliche Verbreitung zu verstehen, entwickele ich ein Modell zur horizontalen zwischenartlichen Transmission von Wolbachien, das auf epidemiologischer und Netzwerk-Theorie aufbaut. Die Ergebnisse weisen auf die Bedeutung von horizontaler Transmission über große phylogenetische Distanzen hin. Da eine erfolgreiche Transmission wahrscheinlich durch symbionteninduzierte Wirtsvorteile begünstigt wird, betrachte ich dann umfassend und kritisch Wolbachien-Arthropoden-Mutualismen und finde diese in vielfältigen Kontexten, aber nur begrenzt Hinweise auf Wolbachien-induzierten Wirtsschutz. Mithilfe eines populationsgenetischen Modells untersuche ich dann den Einfluss von Wirtsvorteilen auf die Infektionsdynamik von Wolbachien. Erstmalig leite ich Invasionsbedingungen und Gleichgewichtsfrequenzen für Wolbachien-Doppelinfektionen her. Die Ergebnisse bestätigen, dass Wirtsvorteile die Invasion von Wolbachien in neue Wirte erheblich erleichtern. Schließlich untersuche ich die Wechselwirkungen zwischen einer Wolbachien-Infektion und dem Immunsystem des Wirtes, wobei ein Schwerpunkt auf reaktiven Sauerstoffspezies liegt. Ich schlage eine Hypothese vor, die unterschiedliche Immunantworten in neuen und ko-evolvierten Assoziationen erklärt. Insgesamt sprechen die Ergebnisse dieser Arbeit für einen wesentlichen Anteil von horizontaler Transmission und mutualistischen Effekten an der Wolbachien-Pandemie in Arthropoden. / Wolbachia are widespread bacterial symbionts of arthropods. They are transmitted predominantly via maternal inheritance, but are also able to move between different species (horizontal transmission). Wolbachia are notorious for selfishly interfering with host reproduction, but they can also evolve mutualistic associations with their hosts. In this thesis, we analyze the role of horizontal transmission and mutualistic effects in the Wolbachia pandemic among arthropods. First, we derive an estimate of the number of Wolbachia-infected arthropod species and find that millions of species are infected. In order to explain this striking distribution, we develop a model of Wolbachia horizontal transmission between species, building on epidemiological theory and network theory. Our findings point to the importance of transmission over large phylogenetic distances. Given that successful horizontal transmission is likely to be facilitated by symbiont-induced host benefits, we then perform a comprehensive review of Wolbachia-arthropod mutualisms and find that these occur in diverse contexts, although the evidence of Wolbachia-induced host protection in nature is limited so far. By means of a population genetic model, we then analyze the influence of host benefits on the infection dynamics of Wolbachia. For the first time, we derive invasion conditions and equilibrium frequencies for Wolbachia double infections. Our results corroborate that host benefits substantially facilitate invasion of Wolbachia into novel hosts. Finally, we examine the interactions between Wolbachia infection and the host immune system, with a focus on reactive oxygen species. We propose a hypothesis that explains differential immune responses in novel and coevolved associations. Taken together, the findings presented in this thesis argue for a significant involvement of horizontal transmission and mutualistic effects in the Wolbachia pandemic among arthropods.

Seit Jahrhunderten wird menschliches Wissen in Form von natürlicher Sprache ausgetauscht und in Dokumenten schriftlich aufgezeichnet. In den letzten Jahren konnte man auf dem Gebiet der Lebenswissenschaften eine exponentielle Zunahme wissenschaftlicher Publikationen beobachten. Diese Dissertation untersucht die automatische Extraktion von Beziehungen zwischen Eigennamen. Innerhalb dieses Gebietes beschäftigt sich die Arbeit mit der Steigerung der Robustheit für die Relationsextraktion. Zunächst wird der Einsatz von Ensemble-Methoden anhand von Daten aus der "Drug-drug-interaction challenge 2013" evaluiert. Ensemble-Methoden erhöhen die Robustheit durch Aggregation unterschiedlicher Klassifikationssysteme zu einem Modell. Weiterhin wird in dieser Arbeit das Problem der Relationsextraktion auf Dokumenten mit unbekannten Texteigenschaften beschrieben. Es wird gezeigt, dass die Verwendung des halb-überwachten Lernverfahrens self training in solchen Fällen eine höhere Robustheit erzielt als die Nutzung eines Klassifikators, der lediglich auf einem manuell annotierten Korpus trainiert wurde. Zur Ermittlung der Robustheit wird das Verfahren des cross-learnings verwendet. Zuletzt wird die Verwendung von distant-supervision untersucht. Korpora, welche mit der distant-supervision-Methode erzeugt wurden, weisen ein inhärentes Rauschen auf und profitieren daher von robusten Relationsextraktionsverfahren. Es werden zwei verschiedene Methoden untersucht, die auf solchen Korpora trainiert werden. Beide Ansätze zeigen eine vergleichbare Leistung wie vollständig überwachte Klassifikatoren, welche mit dem cross-learning-Verfahren evaluiert wurden. Um die Nutzung von Ergebnissen der Informationsextraktion zu erleichtern, wurde die semantische Suchmaschine GeneView entwickelt. Anforderungen an die Rechenkapazität beim Erstellen von GeneView werden diskutiert und Anwendungen auf den von verschiedenen Text-Mining-Komponenten extrahierten Daten präsentiert. / For several centuries, a great wealth of human knowledge has been communicated by natural language, often recorded in written documents. In the life sciences, an exponential increase of scientific articles has been observed, hindering the effective and fast reconciliation of previous finding into current research projects. This thesis studies the automatic extraction of relationships between named entities. Within this topic, it focuses on increasing robustness for relationship extraction. First, we evaluate the use of ensemble methods to improve performance using data provided by the drug-drug-interaction challenge 2013. Ensemble methods aggregate several classifiers into one model, increasing robustness by reducing the risk of choosing an inappropriate single classifier. Second, this work discusses the problem of applying relationship extraction to documents with unknown text characteristics. Robustness of a text mining component is assessed by cross-learning, where a model is evaluated on a corpus different from the training corpus. We apply self-training, a semi-supervised learning technique, in order to increase cross-learning performance and show that it is more robust in comparison to a classifier trained on manually annotated text only. Third, we investigate the use of distant supervision to overcome the need of manually annotated training instances. Corpora derived by distant supervision are inherently noisy, thus benefiting from robust relationship extraction methods. We compare two different methods and show that both approaches achieve similar performance as fully supervised classifiers, evaluated in the cross-learning scenario. To facilitate the usage of information extraction results, including those developed within this thesis, we develop the semantic search engine GeneView. We discuss computational requirements to build this resource and present some applications utilizing the data extracted by different text-mining components.

Trotz der Schlüsselstellung heterotropher Protisten als Bindeglied zwischen dem mikrobiellen und dem klassischen Nahrungsnetz ist noch wenig über ihre biochemische Zusammensetzung und ihren Nährwert bekannt. In der vorliegenden Doktorarbeit wurde untersucht ob die biochemische Zusammensetzung von Protisten (1) von deren Nahrungsgrundlage (Alge oder Bakterien) und Ernährungsweise (Autotrophie, Mixotrophie oder Heterotrophie) abhängt und (2) ihre Nahrungsqualität für räuberisches Rotatorien (Keratella quadrata) bedingt. Die Fettsäure-, Sterol- und Aminosäurezusammensetzung vier heterotropher Protisten spiegelte generell die ihrer Nahrung wider. Es trat jedoch eine Akkumulation dieser biochemischen Substanzen in den Protisten auf. Auch die Ernährungsweise eines Flagellaten (Ochromonas sp.) beeinflusste stark dessen biochemische Zusammensetzung, insbesondere die Konzentrationen an mehrfach ungesättigten Fettsäuren (PUFAs). Bei der Untersuchung des Nährwertes vier heterotropher Protisten für K. quadrata wurden signifikante Korrelationen zwischen verschiedenen PUFAs, drei Sterolen und einer Aminosäure (Leucin) der Protisten und der Eiproduktion der Rotatorien festgestellt. Auch die experimentelle Supplementierung eines Flagellaten mit einer PUFA (Docosahexaensäure, DHA) erhöhte seinen Nährwert für die Rotatorien signifikant. Die Ergebnisse verdeutlichen die Fähigkeit heterotropher Protisten, die biochemische Zusammensetzung organischer Materie schon auf einer unteren Ebene des aquatischen Nahrungsnetzes zu verändern, nämlich beim Übergang zwischen Algen/Bakterien und dem Mesozooplankton. Hier können biochemische Änderungen weitreichende Folgen für den Stoff- und Energiefluß des gesamten Nahrungsnetzes nach sich ziehen. / Heterotrophic protists are an important link between the microbial and the classical food web. However, little is known about their biochemical composition and nutritional quality as prey. In this thesis, I analysed (1) whether the biochemical composition of the protists depends on their dietary resources (bacterial or algal food) or trophic mode (autotrophy, mixotrophy or heterotrophy), and (2) whether the biochemical composition of protists determines their nutritional quality as prey for a rotifer species (Keratella quadrata). The fatty acid, sterol, and amino acid composition of four heterotrophic protists generally resembled the dietary composition, but the protists accumulated these compounds. Moreover, the trophic mode strongly affected the composition of a flagellate (Ochromonas sp.), especially that of polyunsaturated fatty acids (PUFAs). When investigating the nutritional quality of four protist species for K. quadrata, several PUFAs, three sterols (desmosterol, ergosterol, stigmastanol), and one amino acid (leucine) of the protists were significantly correlated with the rotifer’s egg production. Moreover, the nutritional quality of a heterotrophic flagellate for the rotifer was significantly enhanced by artificially supplementing the flagellate with a PUFA (docosahexaenoic acid, DHA). The thesis highlights the ability of heterotrophic protists to modify the biochemical composition of organic matter at an early stage in aquatic food webs, i.e. at the interface between algae/bacteria and mesozooplankton. Biochemical modifications at this stage may profoundly affect matter and energy transfer through the entire food web.

Wie auch andere bakterielle Pathogene überträgt C. trachomatis Effektorproteine in die Wirtszelle, um deren Funktionen zu manipulieren. Das während der Invasion sekretierte Effektorprotein Tarp besitzt N-terminale SH2-Bindungsstellen und eine C-terminale SH3-Bindungsstelle für die Interaktion mit Wirtszellproteinen. Zur Bestimmung dieser Interaktionen wurden Protein-Microarrays mit nahezu alle humanen SH2- und SH3-Domänen verwendet. Zahlreiche neue Interaktionen wurden detektiert, wobei das Adaptorprotein SHC1 eine der stärksten SH2-abhängigen Interaktionen mit Tarp zeigte. Mittels Transkriptionsanalyse SHC1-abhängiger Genregulation während der Infektion konnten Gene identifiziert werden, welche an der Apoptose- und Zellwachstumskontrolle beteiligt sind. Infizierte Wirtszellen mit SHC1-Knockdown wiesen eine erhöhte Apoptoserate nach Stimulation mit TNF-alpha auf. Diese Ergebnisse offenbaren eine wichtige Rolle von SHC1 im Kontext des frühen, Chlamydien-induzierten Wirtszellüberlebens und deuten darauf hin, dass Tarp als vielseitige Signaltransduktionsplattform dient. Um Wirtszelllipide aufzunehmen, nutzt C. trachomatis Transportrouten der Wirtszelle und modifiziert Lipide bei der Aufnahme. Zur Bestimmung der Lipidzusammensetzung der Wirtszelle wurde diese mittels MALDI-TOF-Massenspektrometrie analysiert. Dabei hatte die Infektion den stärksten Einfluss auf Phosphatidylinoslitol (PI)- und Cardiolipin (CL)-Spezies. Des Weiteren konnten im Infektionsverlauf PI- und CL-Spezies mit einem Massenunterschied von 14 Da detektiert werden, was auf verzweigtkettige Fettsäurereste chlamydialen Ursprungs und eine Beteiligung der cytosolischen Phospholipase A2 (cPLA2) hindeutet. Entsprechend zeigten infizierte Zellen mit einem Knockdown von cPLA2 oder der Cardiolipinsynthase 1 eine signifikant reduzierte Bildung infektiöser Bakterien. Dies unterstreicht die Bedeutung von CL und einer funktionellen Nährstoffversorgung für die erfolgreiche Vermehrung von C. trachomatis. / Like many bacterial pathogens, C. trachomatis translocates effector proteins into the host cell to manipulate host cell functions. The early phase effector protein Tarp harbors N-terminal SH2 binding sites and a C-terminal SH3 binding site for the interaction with host cell proteins. To assess these interactions, protein microarrays comprising virtually all human SH2 and SH3 domains were used. Numerous novel interactions were discovered, while the adaptor protein SHC1 was among Tarp’s strongest SH2-dependent interaction partners. Transcriptome analysis of SHC1-dependent gene regulation during infection indicated that SHC1 regulates apoptosis- and growth-related genes. SHC1 knockdown sensitized infected host cells to TNF-alpha-induced apoptosis. These findings reveal a critical role for SHC1 in early Chlamydia-induced cell survival and suggest that Tarp functions as an important multivalent signaling hub. To acquire host-derived lipids, C. trachomatis hijacks cellular trafficking pathways and modifies lipids during the acquisition. To assess infection-dependent changes of the host cell lipid composition, cells were analyzed by MALDI-TOF mass spectrometry. Phosphatidylinositol (PI) and cardiolipin (CL) levels were most prominently influenced by C. trachomatis infection. Furthermore, PI and CL species with a 14 Da mass difference were detected during the course of infection, indicating the presence of Chlamydia-derived branched chain fatty acids and a role of cytosolic phospholipase A2 (cPLA2) in this process. Accordingly, infection of cPLA2 or cardiolipin synthase 1 knockdown cells resulted in a significantly reduced formation of infectious particles. These data demonstrate the importance of cardiolipin and a functional nutrient supply for the successful propagation of C. trachomatis.

Microcystine sind die wohl bekanntesten cyanobakteriellen Toxine. Sie werden im Wesentlichen durch die im Süßwasser weltweit verbreitete, koloniebildende Gattung Microcystis synthetisiert. Die biologische Funktion dieser Peptide ist jedoch ungeklärt. In dieser Studie wurde die Fragestellung erstmals über einen globalen Ansatz auf molekularer Ebene analysiert. Die proteomischen Analysen zwischen M. aeruginosa PCC 7806/ Wildtyp und einigen Microcystin-freien Mutanten deuten auf eine physiologische Rolle der Microcystine. Microcystine beeinflussen die Abundanz zahlreicher Proteine. Prominentester Vertreter ist RubisCO – Schlüsselenzym des Calvin Zyklus. RubisCO und andere im 2D selektierte Proteine konnten außerdem als mögliche zelluläre Bindepartner des Microcystins identifiziert werden. Möglicherweise bindet MC an bestimmte Cysteinreste dieser Proteine. Mit dem Knockout der mcy-Gene geht außerdem eine Überexpression eines Morphotyp-spezifischen Proteins einher, das MrpC genannt wurde. Dieses Protein vermittelt möglicherweise Zell-Zell-Interaktionen in Microcystis. / Microcystins are the most common cyanobacterial toxins found in freshwater lakes and reservoirs throughout the world. They are frequently produced by the unicellular, colonial cyanobacterium Microcystis; however, the role of the peptide for the producing organismen is poorly understood. In this study we describe the first global approach to investigate this topic on a molecular level. Proteomic studies with M. aeruginosa PCC 7806 wild-type and several microcystin-deficient mutants indicated a physiological function for microcystin. Microcystin was shown to influence the abundance of several proteins which have an intra- or extracellular function. A prominent candidate is RubisCO, the key enzyme of the calvin cycle. RubisCO and other proteins, initially selected by 2D analysis, are putative cellular binding partners of microcystin. A potentially interaction mechanismen is the kovalent binding of microcystin to cysteine residues of the protein. Moreover, several knockouts of microcystin biosynthesis genes result in an overexpression of a putative morpho-type specific factor, named MrpC. This protein possibly mediates cell-cell interactions in Microcystis.

Die Etablierung von Hochdurchsatz-Technologien zur Durchführung von Genexpressionsmessungen führte in den letzten 20 Jahren zu einer stetig wachsende Menge an verfügbaren Daten. Sie ermöglichen durch Kombination einzelner Experimente neue Vergleichsstudien zu kombinieren oder Experimente aus verschiedenen Studien zu großen Datensätzen zu vereinen. Dieses Vorgehen wird als Meta-Analyse bezeichnet und in dieser Arbeit verwendet, um einen großen Genexpressionsdatensatz aus öffentlich zugänglichen T-Zell Experimenten zu erstellen. T-Zellen sind Immunzellen, die eine Vielzahl von unterschiedlichen Funktionen des Immunsystems inititiieren und steuern. Sie können in verschiedene Subtypen mit unterschiedlichen Funktionen differenzieren. Der mittels Meta-Analyse erstellte Datensatz beinhaltet nur Experimente zu einem T-Zell-Subtyp, den regulatorischen T-Zellen (Treg) bzw. der beiden Untergruppen, natürliche Treg (nTreg) und induzierte Treg (iTreg) Zellen. Eine bisher unbeantwortete Frage lautet, welche subtyp-spezifischen gen-regulatorische Mechanismen die T-Zell Differenzierung steuern. Dazu werden in dieser Arbeit zwei spezifische Herausforderungen der Treg Forschung behandelt: (i) die Identifikation von Zelloberflächenmarkern zur Unterscheidung und Charakterisierung der Subtypen, sowie (ii) die Rekonstruktion von Treg-Zell-spezifischen gen-regulatorischen Netzwerken (GRN), die die Differenzierungsmechanismen beschreiben. Die implementierte Meta-Analyse kombiniert mehr als 150 Microarray-Experimente aus über 30 Studien in einem Datensatz. Dieser wird benutzt, um mittels Machine Learning Zell-spezifische Oberflächenmarker an Hand ihres Expressionsprofils zu identifizieren. Mit der in dieser Arbeit entwickelten Methode wurden 41 Genen extrahiert, von denen sechs Oberflächenmarker sind. Zusätzliche Validierungsexperimente zeigten, dass diese sechs Gene die Experimenten beider T-Zell Subtypen sicher unterscheiden können. Zur Rekonstruktion von GRNs vergleichen wir unter Verwendung des erstellten Datensatzes 11 verschiedene Algorithmen und evaluieren die Ergebnisse mit Informationen aus Interaktionsdatenbanken. Die Evaluierung zeigt, dass die derzeit verfügbaren Methoden nicht in der Lage sind den Wissensstand Treg-spezifischer, regulatorsicher Mechanismen zu erweitern. Abschließend präsentieren wir eine Datenintegrationstrategie zur Rekonstruktion von GRN am Beispiel von Th2 Zellen. Aus Hochdurchsatzexperimenten wird ein Th2-spezifisches GRN bestehend aus 100 Genen rekonstruiert. Während 89 dieser Gene im Kontext der Th2-Zelldifferenzierung bekannt sind, wurden 11 neue Kandidatengene ohne bisherige Assoziation zur Th2-Differenzierung ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, dass Datenintegration prinzipiell die GRN Rekonstruktion ermöglicht. Mit der Verfügbarkeit von mehr Daten mit besserer Qualität ist zu erwarten, dass Methoden zur Rekonstruktion maßgeblich zum besseren Verstehen der zellulären Differenzierung im Immunsystem und darüber hinaus beitragen können und so letztlich die Ursachenforschung von Dysfunktionen und Krankheiten des Immunsystems ermöglichen werden. / Within the last two decades high-throughput gene expression screening technologies have led to a rapid accumulation of experimental data. The amounts of information available have enabled researchers to contrast and combine multiple experiments by synthesis, one of such approaches is called meta-analysis. In this thesis, we build a large gene expression data set based on publicly available studies for further research on T cell subtype discrimination and the reconstruction of T cell specific gene regulatory events. T cells are immune cells which have the ability to differentiate into subtypes with distinct functions, initiating and contributing to a variety of immune processes. To date, an unsolved problem in understanding the immune system is how T cells obtain a specific subtype differentiation program, which relates to subtype-specific gene regulatory mechanisms. We present an assembled expression data set which describes a specific T cell subset, regulatory T (Treg) cells, which can be further categorized into natural Treg (nTreg) and induced Treg (iTreg) cells. In our analysis we have addressed specific challenges in regulatory T cell research: (i) discriminating between different Treg cell subtypes for characterization and functional analysis, and (ii) reconstructing T cell subtype specific gene regulatory mechanisms which determine the differences in subtype-specific roles for the immune system. Our meta-analysis strategy combines more than one hundred microarray experiments. This data set is applied to a machine learning based strategy of extracting surface protein markers to enable Treg cell subtype discrimination. We identified a set of 41 genes which distinguish between nTregs and iTregs based on gene expression profile only. Evaluation of six of these genes confirmed their discriminative power which indicates that our approach is suitable to extract candidates for robust discrimination between experiment classes. Next, we identify gene regulatory interactions using existing reconstruction algorithms aiming to extend the number of known gene-gene interactions for Treg cells. We applied eleven GRN reconstruction tools based on expression data only and compared their performance. Taken together, our results suggest that the available methods are not yet sufficient to extend the current knowledge by inferring so far unreported Treg specific interactions. Finally, we present an approach of integrating multiple data sets based on different high-throughput technologies to reconstruct a subtype-specific GRN. We constructed a Th2 cell specific gene regulatory network of 100 genes. While 89 of these are known to be related to Th2 cell differentiation, we were able to attribute 11 new candidate genes with a function in Th2 cell differentiation. We show that our approach to data integration does, in principle, allow for the reconstruction of a complex network. Future availability of more and more consistent data may enable the use of the concept of GRN reconstruction to improve understanding causes and mechanisms of cellular differentiation in the immune system and beyond and, ultimately, their dysfunctions and diseases.