Morphogens are secreted signalling molecules that are expressed in restricted groups of cells within the developing tissue. From there, they are secreted and travel throughout the target field and form concentration gradients. These concentration profiles endow receiving cells with positional information. A number of experiments in Drosophila demonstrated that the morphogen Decapentaplegic (Dpp) forms activity gradients by inducing the expression of several target genes above distinct concentration thresholds at different distances from the source. This way, Dpp contributes to developmental fates in the target field such as the Drosophila wing disc. Although the tissue distribution as well as the actual shape and size of the Dpp morphogen concentration gradient has been visualized, the cell biological mechanisms through which the morphogen forms and maintains a gradient are still a subject of debate. Two hypotheses as to the dominant mechanism of movement have been proposed that can account for Dpp spreading throughout the Drosophila wing imaginal target tissue: extracellular diffusion and planar transcytosis, i. e. endocytosis and resecretion of the ligand that is thereby transported through the cells. Here, I present data indicating that implications of a theoreticalanalysis of Dpp spreading, where Dpp transport through the target tissue is solely based on extracellular diffusion taking into account receptor binding and subsequent internalization, are inconsistent with experimental results. By performing Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP) experiments, I demonstrate a key role of Dynamin-mediated endocytosis for Dpp gradient formation. In addition, I show that most of GFP-Dpp traffics through endocytic compartments at the receiving epithelial cells, probably recycled through apical recycling endosomes (ARE). Finally, a Dpp recycling assay based on subcellular photouncage of ligand is presented to address specifically the Dpp recycling event at the receiving cells.

Die Forschung an der Hefe Saccharomyces cerevisiae – auch als Bäckerhefe bekannt – hat sich für die biologische Grundlagenforschung als unentbehrlich erwiesen und führte zu wichtigen Erkenntnissen in der Erforschung von Krankheiten wie Krebs. Am Beispiel der Paarung von Hefezellen werden in dieser Arbeit wesentliche Aspekte der eukaryotischen Zellbiologie untersucht. In der Haplophase des Lebenszyklus der Hefe, treten haploide Zellen als Paarungstyp MATa oder MATα auf. Diese Paarungstypen kommunizieren über Pheromone, die in ein extrazelluläres Medium abgesondert werden und von Zelloberflächenrezeptoren des komplementären Paarungstyps erkannt werden. Hefezellen wachsen in die Richtung eines möglichen Paarungspartners, da sie sich nicht aktiv bewegen können. Die Auswertung von empirischen Daten aus der Fluoreszenzmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie (AFM) mit mathematischen Modellen ermöglichte die Rekonstruktion wesentlicher Prozesse der Hefepaarung: (i) Interzelluläre Kommunikation über die Sezernierung und Rezeption von Pheromonen, (ii) Aufbau der Zellpolarität als Reaktion auf die Pheromonantwort, (iii) Induktion und Mechanik der Zellformänderung. Folgende Modelle wurden dazu entwickelt: (i) Die interzelluläre Kommunikation wurde unter Verwendung von zellulären Automaten mit Hilfe von Reaktions-Diffusions (RD) Gleichungen modelliert. Das Modell zeigte, dass die gegenseitige Stimulierung und erhöhte Pheromonabsonderung zu einer verbesserten Abstimmung in der Paarung in der Zellpopulation führt. (ii) Ein Turing- und ein Phasenseparations- Mechanismus wurden als Modelle zum Aufbau der Zellpolarität verwendet. Volumen-Oberflächen gekoppelte RD Gleichungen wurden analytisch und numerisch mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) untersucht. (iii) Die Zellwandveränderung wurde mit klassischer Kontinuumsmechanik und der FEM Methode modelliert. Dies ermöglichte eine Beschreibung der reversiblen elastischen und der irreversiblen plastischen Verformungen der Zellwand. / Research on the yeast Saccharomyces cerevisiae – also known as baker’s yeast – has been essential not only for fostering basic biological knowledge but even more so for contributing towards understanding diseases such as cancer. In this thesis, general biological phenomena occurring in eukaryotic cells are investigated, exemplified by the mating process of yeast. In the haploid phase of their life cycle, yeast cells occur as mating type MATa or MATα, both of which communicate via pheromones that are secreted in an extracellular medium and can be sensed by cell-surface receptors of the complementary mating type. In order to mate, yeast cells grow towards a potential mating partner, since they are not able to actively move. Mathematical models on the basis of fluorescence and atomic force microscopy (AFM) data were developed. The key aspects of the yeast mating process that I examined were (i) intercellular communication of cells via pheromones, (ii) the initial symmetry break and implementation of cell polarity, and (iii) subsequent morphogenetic changes. The methods used and findings were as follows: (i) Pheromone secretion and sensing motifs were modelled using cellular automata models based on reaction-diffusion (RD) equations. My models show that mutual stimulation and increased pheromone secretion between cells improves mating efficiency in cell populations. (ii) To explain yeast mating decisions, two possible model types for cell polarity were tested: a Turing-type and a phase-separation mechanism. Bulk-surface RD equations were investigated analytically and numerically using the finite element method (FEM). Typical cell shapes were reconstructed in 2D and 3D. (iii) The cell wall was modelled using classical continuum mechanics that allows for reversible elastic and irreversible plastic cell wall deformation. Mathematical modelling demonstrated that all three processes investigated are precisely orchestrated and interlocked during yeast mating.

The neuromeric concept of brain formation has become a well-established model to explain how order is created in the developing vertebrate central nervous system. The most important feature of neuromeres is their compartmentalization on the cellular level: Each neuromere comprises a lineage-restricted population of cells that does not intermingle with cells from neighboring compartments. The units of the vertebrate hindbrain, the rhombomeres, serve as the best-studied examples of neuromeres. Here, the lineage restriction mechanism has been found to function on the basis of differentially expressed adhesion molecules. To date, hard evidence for the existence of other lineage restricted regions in more anterior parts of the brain is still scarce. The focus of this study is the midbrain-hindbrain boundary (mhb) region, where the juxtaposition of the mesencephalon and metencephalon gives rise to a signaling center, termed the midbrain-hindbrain or isthmic organizer. Evidence for lineage restriction boundaries in the mhb region is still controversial, with some very recent studies supporting the existence of a lineage boundary between the mesencephalon and metencephalon and others rejecting this. Here, I present data strongly supporting the existence of a compartment boundary between the posterior midbrain and anterior hindbrain territory. I base this proposition on cell-tracing experiments with single cell resolution. By connecting the traces to a molecular midbrain marker, I establish a link between cell fate and behavior. In the second part, I present a novel tissue explant method for the zebrafish that has the potential to serve numerous developmental studies, especially imaging of so far inaccessible regions of the embryo.

Einen Aspekt dieser Arbeit stellt die Analyse der Stimulation von Ratten-Calvaria-Osteoblasten (RCA) mit den beiden Wachstumsfaktoren TGF-b1 und BMP-4 während der Proliferations- sowie Differenzierungs- und Mineralisierungsphase dar. Hierfür soll die Phosphorylierung und Aktivierung von Erk1 und Erk2, sowie von Smad1 und Smad2 mit Hilfe eines Kinase-Aktivitätsassays sowie der Westernblot-Analyse untersucht werden. Im Rahmen dieser Arbeit soll weiterhin untersucht werden, welche Bedeutung die Wachstumsfaktoren TGF-b1 und BMP-4 auf die Aktivität der alkalischen Phosphatase (ALP), einem wichtigen Differenzierungsmarker in Osteoblasten, ausüben. Enzymatische Aktivitätsbestimmungen und zytochemische Färbung aktiver ALP sollen darüber Aufschluss geben. Weiterhin soll der Gehalt an ALP-mRNA durch PCR bestimmt werden. Ein weiteres wichtiges Ziel dieser Arbeit ist die Analyse der Bedeutung von Erk1, Erk2, Smad1 und Smad2 auf die Aktivität der ALP. Dafür sollen Inhibitoren eingesetzt werden. Die enzymatische Aktivitätsbestimmung soll darüber aufklären. Außerdem soll mit Hilfe von kurzen, doppelsträngigen RNA-Molekülen (siRNA) ein knock down der Kinasen herbeigeführt werden und dessen Auswirkung auf die Aktivität der ALP enzymatisch bestimmt werden. Dafür muss zunächst die Wirksamkeit der siRNA auf RNA-Ebene mittels PCR und auf Proteinebene mittels Westernblot-Analysen überprüft werden. Zusätzlich soll die Bedeutung der Wachstumsfaktoren und der Kinasen Erk1 und Erk2 auf die Mineralisierung der RCA analysiert werden. Dafür wird die Menge des zellassoziierten Kalziums und Phosphats experimentell bestimmt, wodurch der Mineralisationsgrad der Zellen wiedergegeben werden kann.

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Die Entstehung unterschiedlicher Zellformen ist eine zentrale Frage der Biologie und von besonderer Bedeutung für ein umfassendes Verständnis des Modellorganismus Saccharomyces cerevisiae. Form und Integrität dieser Hefen werden durch die Eigenschaften ihrer Zellwand bestimmt. Die mechanischen Prozesse in der Zellwand während der Morphogenese von Hefen sind jedoch wenig verstanden. Zwei Arten der Morphogenese, Knospung und Paarung, wurden hier untersucht, um gemeinsame Prinzipien und Unterschiede hinsichtlich ihrer Zellwandmechanik zu finden. Dabei wurden AFM-basierte Techniken sowie theoretische Modelle verwendet, um räumliche und zeitliche Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften zu beurteilen. Im ersten Teil wird ein biophysikalisches Modell der Knospung vorgestellt, das auf einem Unterschied der mechanischen Zellwandeigenschaften von Mutter und Knospe beruht und die Volumenentwicklung einzelner Zellen beschreiben kann. Da Messungen keinen ausreichenden Unterschied in der Zellwandelastizität zwischen beiden Kompartimenten zeigten, wird deren Viskoplastizität als Unterscheidungsmerkmal vorgeschlagen. Eine Kalibrierung des Modells an Einzelzellmessungen lieferte neben Schätzungen dieser Zellwandviskoplastizität auch die anderer wichtiger Wachstumsparameter. Im zweiten Teil werden nanorheologische Messungen genutzt, um zu zeigen, dass die Zellwand hauptsächlich elastisch ist und ein strukturelles Dämpfungsverhalten aufweist. Dabei wird diskutiert, die Zellwand analog zu einem „soft glassy“ Material zu beschreiben. Im letzten Teil wird die Notwendigkeit eines spezifischen Elastizitätsmusters der Zellwand für das gerichtete Wachstum während der Paarungsmorphogenese beschrieben, welches weicheres Material am Schaft sowie steiferes Material am Apex einschließt. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass räumlich und zeitlich veränderliche viskoelastisch-plastische Zellwandeigenschaften die Morphogenese von S. cerevisiae bestimmen. / Morphogenesis is a central field in biology and of particular importance for a comprehensive understanding of the model organism Saccharomyces cerevisiae. Shape and integrity of yeast cells are determined by its cell wall. However, mechanical processes underlying yeast morphogenesis and are poorly understood. Two modes of yeast morphogenesis, budding and mating, have been studied to find common principles and differences in cell wall mechanics. AFM-based techniques as well as computational models were used to assess spatial and temporal differences in the mechanical properties. In the first part, a biophysical model for the expansion during budding is presented that bases on a difference in the mechanical cell wall properties of mother and bud and accurately describes the volume dynamics of single cells. Since measurements revealed no difference in the cell wall elasticity between both compartments, visco-plastic properties are proposed as distinguishing feature. Fitting the model to single-cell volume trajectories, provided estimations for the visco-plasticity of the cell wall and other key growth parameters. In the second part, nano-rheology measurements were used to confirm that the cell wall is mainly elastic and demonstrate that it shows structural damping behavior. Furthermore, the possibility to describe the cell wall analogous to a “soft glassy” material is discussed. In the last part, the necessity of a specific elasticity pattern of the cell wall for directed growth during yeast mating morphogenesis is shown, including softer material at the shaft and stiffer material at the apex. By showing that spatially and temporally varying viscoelastic-plastic cell wall properties govern the morphogenesis of S. cerevisiae, this work contributes to deciphering molecular mechanisms underlying the growth of yeast and other walled cells.

The neuromeric concept of brain formation has become a well-established model to explain how order is created in the developing vertebrate central nervous system. The most important feature of neuromeres is their compartmentalization on the cellular level: Each neuromere comprises a lineage-restricted population of cells that does not intermingle with cells from neighboring compartments. The units of the vertebrate hindbrain, the rhombomeres, serve as the best-studied examples of neuromeres. Here, the lineage restriction mechanism has been found to function on the basis of differentially expressed adhesion molecules. To date, hard evidence for the existence of other lineage restricted regions in more anterior parts of the brain is still scarce. The focus of this study is the midbrain-hindbrain boundary (mhb) region, where the juxtaposition of the mesencephalon and metencephalon gives rise to a signaling center, termed the midbrain-hindbrain or isthmic organizer. Evidence for lineage restriction boundaries in the mhb region is still controversial, with some very recent studies supporting the existence of a lineage boundary between the mesencephalon and metencephalon and others rejecting this. Here, I present data strongly supporting the existence of a compartment boundary between the posterior midbrain and anterior hindbrain territory. I base this proposition on cell-tracing experiments with single cell resolution. By connecting the traces to a molecular midbrain marker, I establish a link between cell fate and behavior. In the second part, I present a novel tissue explant method for the zebrafish that has the potential to serve numerous developmental studies, especially imaging of so far inaccessible regions of the embryo.

Einen Aspekt dieser Arbeit stellt die Analyse der Stimulation von Ratten-Calvaria-Osteoblasten (RCA) mit den beiden Wachstumsfaktoren TGF-b1 und BMP-4 während der Proliferations- sowie Differenzierungs- und Mineralisierungsphase dar. Hierfür soll die Phosphorylierung und Aktivierung von Erk1 und Erk2, sowie von Smad1 und Smad2 mit Hilfe eines Kinase-Aktivitätsassays sowie der Westernblot-Analyse untersucht werden. Im Rahmen dieser Arbeit soll weiterhin untersucht werden, welche Bedeutung die Wachstumsfaktoren TGF-b1 und BMP-4 auf die Aktivität der alkalischen Phosphatase (ALP), einem wichtigen Differenzierungsmarker in Osteoblasten, ausüben. Enzymatische Aktivitätsbestimmungen und zytochemische Färbung aktiver ALP sollen darüber Aufschluss geben. Weiterhin soll der Gehalt an ALP-mRNA durch PCR bestimmt werden. Ein weiteres wichtiges Ziel dieser Arbeit ist die Analyse der Bedeutung von Erk1, Erk2, Smad1 und Smad2 auf die Aktivität der ALP. Dafür sollen Inhibitoren eingesetzt werden. Die enzymatische Aktivitätsbestimmung soll darüber aufklären. Außerdem soll mit Hilfe von kurzen, doppelsträngigen RNA-Molekülen (siRNA) ein knock down der Kinasen herbeigeführt werden und dessen Auswirkung auf die Aktivität der ALP enzymatisch bestimmt werden. Dafür muss zunächst die Wirksamkeit der siRNA auf RNA-Ebene mittels PCR und auf Proteinebene mittels Westernblot-Analysen überprüft werden. Zusätzlich soll die Bedeutung der Wachstumsfaktoren und der Kinasen Erk1 und Erk2 auf die Mineralisierung der RCA analysiert werden. Dafür wird die Menge des zellassoziierten Kalziums und Phosphats experimentell bestimmt, wodurch der Mineralisationsgrad der Zellen wiedergegeben werden kann.

Cerebellar organization and function have been studied in numerous species of fish. Fish models such as goldfish and weakly electric fish have led to important findings about the cerebellar architecture, cerebellar circuit physiology and brain evolution. However, most of the studied fish models are not well suited for developmental and genetic studies of the cerebellum. The rapid transparent ex utero development in zebrafish allows direct access and precise visualization of all the major events in cerebellar development. The superficial position of the cerebellar primordium and cerebellum further facilitates in vivo imaging of cerebellar structures and developmental events at single cell resolution. Furthermore, zebrafish is amenable to high-throughput screening techniques and forward genetics because of its fecundity and easy keeping. Forward genetics screens in zebrafish have resulted in several isolated cerebellar mutants and substantially contributed to the understanding of the genetic networks involved in hindbrain development (Bae et al. 2009; Brand et al. 1996). Recent developments in genetic tools, including the use of site specific recombinases, efficient transgenesis, inducible gene expression systems, and the targeted genome lesioning technologies TALEN and Cas9/CRISPR has opened up new avenues to manipulate and edit the genome of zebrafish (Hans et al. 2009; Scott 2009; Housden et al. 2016; Li et al. 2016)}. These tools enable the use of genome-wide genetic approaches, such as enhancer/exon traps and cell specific temporal control of gene expression in zebrafish. Several seminal papers have used these technologies to successfully elucidate mechanisms involved in the morphogenesis, neurogenesis and cell migration in the cerebellum (Bae et al. 2009; Chaplin et al. ; Hans et al. 2009; Volkmann et al. ; Volkmann et al. 2008). In addition, the use of genetically encoded sensors and probes that allows detection and manipulation of neuronal activity using optical methods have open up new means to study the physiology and function of the cerebellum (Simmich et al. 2012; Matsui et al. 2014). Taken together, these features have allowed zebrafish to emerge as a complete model for studies of molecular, cellular and physiological mechanisms involved in cerebellar development and function at both cell and circuit level.

Morphogenesis of the intricate patterns of diatom silica cell walls is a protein-guided process, yet to date only very few such silica biomineralization proteins have been identified. Therefore, it is currently unknown whether all diatoms share conserved proteins of a basal silica forming machinery, and whether unique proteins are responsible for the morphogenesis of species-specific silica patterns. To answer these questions, we extracted proteins from the silica of three diatom species (Thalassiosira pseudonana, Thalassiosira oceanica, and Cyclotella cryptica) by complete demineralization of the cell walls. Liquid chromatography coupled with tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) analysis of the extracts identified 92 proteins that we name ‘soluble silicome proteins’ (SSPs). Surprisingly, no SSPs are common to all three species, and most SSPs showed very low similarity to one another in sequence alignments. In-depth bioinformatics analyses revealed that SSPs could be grouped into distinct classes based on short unconventional sequence motifs whose functions are yet unknown. The results from the in vivo localization of selected SSPs indicates that proteins, which lack sequence homology but share unconventional sequence motifs may exert similar functions in the morphogenesis of the diatom silica cell wall.