Ethanoltoleranz beruht vermutlich auf Veränderung in synaptischer Plastizität; da die Mechanismen, die zu dieser Anpassung der Synapsen führen, in hang-Mutanten offensichtlich defekt sind, war es Ziel dieser Arbeit zu erklären, wie HANG zu synaptischer Plastizität beiträgt. In diesem Zusammenhang war es besonders wichtig herauszufinden, in welchem neuronalen Prozeß HANG eine Rolle spielt. Antikörperfarbungen gegen HANG zeigten, da das Protein in allen neuronalen Zellkernen larvaler und adulter Gehirne vorhanden ist. Gehirne der hangAE10 Mutante zeigen keine Färbung, was bestätigt, da diese Tiere Nullmutanten für HANG sind. Eine genauere Analyse der Verteilung von HANG im Zellkern ergab, daß HANG in einem punktartigen Muster an bestimmten Stellen im Kern angereichert ist; diese HANG-Aggregate sind an der Innenseite der Kernmembran lokalisiert und colokalisieren nicht mit dem Chromatin. Auf der Basis dieser Ergebnissen wurde postuliert, daß HANG vermutlich an der Stabilisierung, Prozessierung oder dem Export von mRNAs beteiligt ist. Da synaptische Plastizität gut an den einzelnen Neuronen der neuromuskulären Synapse von Drosophila-Larven studiert werden kann, wurde die Morphologie der Motorneurone dritter Larven am Muskelpaar 6/7 des Segments A4 untersucht. Diese Untersuchungen zeigten, da Boutonanzahl und Axonlänge in hangAE10-Larven um 40 % erhöht sind. Außerdem zeigen einige Boutons der hang-Mutanten eine abnormale, sanduhrförmige Form, was darauf hinweist, daß sie nach Initiation der Bouton-Teilung möglicherweise in einem halb-separierten Zustand geblieben sind. Die Zunahme an Boutons in den Mutanten ist im wesentlichen auf eine Zunahme der Anzahl der Typ Ib-Boutons zurückzuführen. Die Analyse der Verteilung verschiedener synaptischer Marker in hangover-Mutanten ergab keine Hinweise auf Abnormalitäten im Zytoskelett oder in der Ausbildung der prä-und postsynaptischen Strukturen. Des weiteren ist die Anzahl der aktiven Zonen relativ zur Boutonoberfläche nicht verändert; da hang-Mutanten aber mehr synaptische Boutons pro synaptischem Terminal besitzen, kann man insgesamt von einer Zunahme der Anzahl der aktiven Zonen ausgehen. Die präsynaptische Expression von HANG in den Mutanten rettet die erhöhte Boutonanzahl und die verlängerten Axone, was ebenfalls beweist, daß die beobachteten synaptischen Defekte auf das Fehlen von HANG und nicht auf Sekundärmutationen zurückzuführen sind. Eine postsynaptische Expression der hangover cDNA in den Mutanten dagegen rettet den Phänotyp nicht. Die Anzahl der synaptischen Boutons wird unter anderem durch cAMP-Levels bestimmt, welche somit synaptische Plastizität regeln. Da hang-Mutanten eine erhöhte Boutonanzahl aufweisen, führte dies zu der Spekulation, daß der Phänotyp dieser Mutanten möglicherweise auf veränderte cAMPlevels zurückzuführen ist. Um dies zu überprüfen, wurde die Morphologie der neuromuskulären Synapsen von hangAE10-Larven mit denen von dnc1 verglichen, welche Defekte in der cAMP-Kaskade aufweisen. Einige Aspekte des Phänotyps (z. B. die Zunahme der Boutonanzahl und das Verhaltnis von aktiven Zonen pro Boutonfläche) sind sehr ¨ahnlich; jedoch unterscheiden sich die beiden Mutanten in anderen morphologischen Aspekten. Die Expression eines UAS-dnc-Transgens in hangover-Mutanten modifizierte den hang-Phänotyp ebenfalls nicht. Auf der Basis der Ergebnisse dieser Arbeit wurde ein Modell für die Funktion von HANG erstellt, nach dem dieses Protein vermutlich am Isoform-spezifischen Spleißen bestimmter Transkripte beteiligt ist, deren Produkte für die synaptische Plastizität an der neuromuskulären Synapse benötigt werden. / The development of ethanol tolerance is due to changes in synaptic plasticity. Since the mechanisms mediating synaptic plasticity are probably defective in the mutant hangAE10, it was a goal of the present study to find out how HANG contributes to synaptic plasticity. In particular, it was important to clarify in which neuronal process HANG plays a role. Antibody stainings against HANG revealed that the protein is localized in all neuronal nuclei of larval and adult brains; the staining is absent in hangAE10, thus confirming that this P-element insertion stock is a protein null for HANG. Detailed analysis of the subnuclear distribution of HANG showed that HANG immunoreactivity is enriched at distinct spots in the nucleus in a speckled pattern; these speckles are found at the inside of the nuclear membrane and do not colocalize with chromatin nor with the nucleolus; thus, HANG is probably involved in the stabilization, processing or export of RNAs. As synaptic plasticity can be studied in single neurons at the larval neuromuscular junction, the morphology of the synaptic terminals of hangAE10 mutants was analyzed at muscle 6/7, segment A4. These studies revealed that hangAE10 mutants display a 40 % increase in bouton number and axonal branch length; in addition, some boutons have an abnormal hourglass-like shape, suggesting that they are arrested in a semi-separated state following the initiation of bouton division. The increase in bouton number of hang mutants is mainly due to an increase in numbers of type Ib boutons. The analysis of the distribution of several synaptic markers in hang mutants did not show abnormalities. The presynaptic expression of HANG in hang mutants rescues the increase in bouton number and axonal branch length, thus proving that the phenotypes seen in the P-element insertion hangAE10 are attributable to the lack of HANG rather than to effects of the P-element marker rosy or to a secondary hit on the same chromsome during mutagensis. This finding is further supported by the fact that postsynaptic expression of HANG does not rescue the abnormal NMJ morphology of hangAE10. Alterations in cAMP levels regulate the number of boutons; since hang mutants display an increase in bouton number, the questions was whether this morphological abnormality was due to defects in cAMP signalling. To test this hypothesis, hangAE10 NMJs were compared to those of the hypomorphic allele dnc1 that has a defective cAMP cascade. Some aspects of the NMJ phenotype (e.g. the increase in bouton number and the unaltered ratio of active zones per bouton area) are similar in hangAE10 and dnc1, other differ. Expression of a UAS-dnc transgene in hangAE10 mutants does not modify the phenotype. In summary, the results of this study indicate that nuclear protein HANG might be involved in isoform-specific splicing of genes required for synaptic plasticity at the NMJ.

Die histologische Technik der Tissue-Microarrays ist eine sehr effiziente Methode, um eine große Anzahl auch heterogener Lymphome wie des Hodgkin-Lymphoms bei hohem Durchsatz unter homogenen Färbebedingungen zu untersuchen. Die vorliegende Arbeit konnte zeigen, dass ein Probeschnitt zur vorherigen Auswahl stanzwürdigen Tumorareals nicht nötig ist. Die so genannte Blindstanzung trug weniger als einen Prozentpunkt (0,9%) zum Verlust der auswertbaren Fälle bei. Dennoch war bei einzelnen Parametern (LMP1 und EBER) ein hoher Gewebeverlust zu beobachten. In einer Stichprobe von 2696 Stanzen waren es 24% (631 Stanzen) bedingt durch die Färbetechnik, aber auch durch unterschiedliche Vorbehandlungen und Originalfixationen des Probematerials. In dieser Studie wurden 1212 Fälle zur Immuntypisierung von Tumorzellen des klassischen und nodulär lymphozyten-prädominanten Hodgkin-Lymphoms untersucht. Die Fälle von c-HL wiesen eine häufige Expression von CD30- und CD15-Oberflächenmarkern und kaum B-Zell-Marker auf, während im NLP-HL die Expression in umgekehrter Häufigkeit vorlag. Diese bisher größte Untersuchung von T-Zell-Markern an H-/RS-Zellen, erstmalig auch an NLP-HL, ergab eine bis zu 6-fach höhere Frequenz in der NLP-HL bei häufigerer B-Zell-Marker-Expression. Die in der Literatur beschriebene Rangordnung der Expressionshäufigkeit von Oberflächenantigenen im c-HL (CD2 > CD4 > CD3 > CD5 > CD8) wurde bestätigt und wich nur in den Markern CD3 und CD5 ab: Perforin >> CD4 > CD5 > CD3 > CD8 > GranzymB > TIA-1 > CD7. Tzankov et al. [45] fanden in ihrer Untersuchung mit 259 c-HL-Fällen eine Häufigkeit von 5% T-Zell-Marker-Expression. Die vorliegende Arbeit mit 1147 untersuchten c-HL-Fällen kam zum Ergebnis einer deutlich höheren T-Zell-Marker-Expressionshäufigkeit von 20,1%. Der pathophysiologische Mechanismus der T-Zell-Marker-Expression ist bis heute noch unklar, könnte aber als eine alternative Signalkaskade zur Aufrechterhaltung des Zellzyklus unter geändertem Zellmilieu gedeutet werden. Ein weiterer Fokus dieser Arbeit betraf die Gruppe der Studienteilnehmer 60 Jahre und älter, um Hinweisen auf das „age-related“ EBV-associated Lymphom und der Rolle der Mikrosatelliten-Instabilität nachzugehen. So fand sich eine signifikante Häufung von Markern für eine EBV-Infektion (EBER, LMP1) in der Gruppe der über 60-Jährigen. Die Expression von DNA-Reparaturenzymen, deren Ausbleiben auf Mikrosatelliten-Instabilität gedeutet hätte, unterschied sich zwischen jüngeren und älteren Studienteilnehmern nicht.

Mit der vorliegenden Studie sollte zu dem wichtigen Forschungsfeld der Pharmakogenetik beigetragen werden, indem zum einen eine einfache und sichere kombinierte Phänotypisierung der drei zuvor erwähnten CYPs (CYP2D6, CYP2C9 und CYP2C19) entwickelt, und zum anderen die Vorhersagekraft des Genotyps für den gemessenen Phänotyp näher untersucht werden sollte. Es ist uns gelungen eine sichere, einfache, schnelle und kombinierte Phänotypisierung der beiden wichtigen Monooxygenasen CYP2D6 und CYP2C9 zu etablieren. Zunächst wurden dazu Wechselwirkungsstudien mit den ausgewählten Testsubstanzen Dextromethorphan (DEX, CYP2D6), Flurbiprofen (FLB, CYP2C9) und Omeprazole (OME, CYP2C19) durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass DEX und FLB als Kombination verabreicht werden können. Die Gabe von OME gemeinsam mit FLB verändert jedoch das Ergebnis der CYP2C9 Phänotypisierung. Dies ist eine neue Erkenntnis, denn noch 2004 wurde ein Phänotypisierungscocktail veröffentlicht, der die Kombination von FLB und OME enthielt. Bei der genannten Studie wurden jedoch, unseres Wissens nach, keine Wechselwirkungsstudien zu den einzelnen Testsubstanz-Kombinationen durchgeführt. Die von uns entwickelte Phänotypisierungsmethode wurde durch Wechselwirkungsstudien verifiziert. Sie ist jedoch auch in anderen Bereichen den bisher veröffentlichten phänotypisierungscocktails überlegen. Zum einen wurden nur sehr kleine Dosen sicherer Testsubstanzen verwendet. Dies wurde durch Entwicklung neuer, sensitiver LC-MS/MS Methoden ermöglicht. Zum anderen ist diese neue Prozedur schnell und nicht-invasiv durchführbar. Nach Verabreichung der Testsubstanz muss der Urin nur für zwei Stunden gesammelt werden. Zudem weisen unsere Ergebnisse darauf hin, dass die normalerweise durchgeführte, aufwendige Glucuronidspaltung des CYP2D6 abhängigen DEX-Metaboliten, Dextrorphan, vermutlich vernachlässigt werden kann. Die wichtigsten Ergebnisse dieser Studie sind jedoch die Einblicke, die in die Vorhersagekraft der CYP2D6 und CYP2C9 Genotypen für die entsprechenden Phänotypen gewonnen werden konnten. Fast 300 phänotypisierte Kaukasier wurden auch in Hinsicht auf die wichtigsten varianten Allele von CYP2D6, CYP2C9 und CYP2C19 mithilfe bekannter und neu etablierter Methoden genotypisiert. Aufgrund der parallelen Phäno- und Genotypisierung konnten Geno- und Phänotyp direkt korreliert werden. Mit linearen Modellen war es möglich, allen detektierten varianten CYP2D6- und CYP2C9-Allelen Aktivitätskoeffizienten zuzuweisen. Diese können nun verwendet werden, um den Beitrag der einzelnen Allele zur resultierenden Enzymaktivität zu bestimmen, wodurch sich die Vorhersage dieser Aktivität ausgehend vom Genotyp verbessern lassen sollte. Besonders für CYP2D6 ermöglicht das neue Korrelationsmodel präzisere Vorhersagen des Phänotyps als bisher veröffentlichte Modelle. Zusammengefasst leistet diese Studie durch die Entwicklung eines sicheren und einfachen Phänotypisierungsprozesses für CYP2D6 und CYP2C9 und durch die Bestimmung von Aktivitätskoeffizienten für alle einbezogenen CYP2D6 und CYP2C9 Allele und der damit verbundenen präziseren Vorhersage des Phänotyps ausgehend vom Genotyp einen wesentlichen Beitrag zum Forschungsfeld der Pharmakogenetik. / This study should contribute to the important field of pharmacogenetics by: firstly, establishing an easy and safe phenotyping method that combines the activity determination of all three previously mentioned CYPs (CYP2D6, CYP2C9, and CYP2C19) into one phenotyping cocktail and secondly, improving the knowledge about the predictive power of the genotype for the measured phenotype. It was indeed possible to develop a save, easy-to-use, fast and simultaneous phenotyping procedure for the important genetic polymorphic enzymes CYP2D6 and CYP2C9. To accomplish that, interaction studies with the chosen probe drugs dextromethorphan (DEX, CYP2D6), flurbiprofen (FLB, CYP2C9) and omeprazole (OME, CYP2C19) were conducted. It could be proven that DEX and FLB can be administered in combination, whereas OME alters the phenotyping results of CYP2C9. This is a new finding as in 2004 a phenotyping cocktail was published that used FLB and OME in combination. However, to our knowledge, no interaction tests were carried in that study. The new phenotyping procedure is not only verified by prior probe drug interaction studies, it also has other advantages over phenotyping cocktails found in literature. Firstly, save probe drugs are used in very small doses. This is possible due to the new sensitive LC-MS/MS methods that were evaluated. Secondly, the new phenotyping procedure is very fast and on-invasive. Urine has to be collected only for 2 h and the results also suggest that the time consuming glucuronide cleavage of the CYP2D6 dependent metabolite dextrorphan, usually carried out before CYP2D6 phenotyping, may be unnecessary. Most importantly, however, new insights into the phenotype prediction from genotype for CYP2C9 and CYP2D6 could be gained within this study. Nearly 300 phenotyped Caucasian subjects were also genotyped for the most important known variant alleles for CYP2D6, CYP2C9 and CYP2C19 using several established and newly developed genoptyping methods. Therefore, a direct correlation between phenotype and genotype could be conducted for CYP2D6 and CYP2C9. Employing linear modeling, it was possible to assign activity coefficients to each of the detected CYP2D6 and CYP2C9 alleles, thereby estimating their contribution to the resulting enzyme activity. This might facilitate the prediction of the CYP2D6 and CYP2C9 metabolic status of a subject knowing only its respective genotypes. Especially the new CYP2D6 genotype phenotype correlation model might allow for more precise phenotype prediction for the included variant alleles than was possible until now. Taken together, this study substantially contributes to the important research field of pharmacogenetics by (i) developing a save and easy-to-use phenotyping combination for CYP2D6 and CYP2C9, and (ii) by establishing activity coefficients for each of the detected CYP2D6 and CYP2C9 alleles, thereby allowing for a more precise prediction of the phenotype from genotype.

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Von besonderem Interesse bei dieser Arbeit ist die Ontologie PATO (für entsprechendes OBO-Dokument siehe [Gko11]). Es handelt sich dabei um eine Ontologie von Qualitäten. Dementsprechend sind dort Konzepte wie concentration of (PATO:0000033) oder color (PATO:0000014) definiert. Diese Qualitäten können in Verbindung mit Konzepten spezies-spezifischer Ontologien (z. B. ChEBI oder MA) zur Beschreibung von Phänotypen genutzt werden. Hierbei treten jedoch einige Probleme auf, die im weiteren Verlauf der Arbeit aufgezeigt und gelöst werden.

Die b -Thalassämie gehört weltweit zu den häufigsten monogenen Erbkrankheiten. Die Thalassämien treten endemisch in der Bevölkerung des Mittelmeerraumes, in Westafrika und in weiten Teilen Asiens auf. In der einheimischen Bevölkerung der Bundesrepublik Deutschland gehört die homozygote Form der b -Thalassämie zu den seltenen Erkrankungen. Häufiger ist das Auftreten der heterozygoten Form, die als Differentialdiagnose der mikrozytären, hypochromen Anämie eine besondere Rolle spielt. Blutproben von 214 deutschen Personen mit einer heterozygoten b -Thalassämie wurden mittels Allel-spezifischer Oligonukleotid-Hybridisierung, Restriktionsanalyse und direkter Sequenzierung PCR-amplifizierter DNA analysiert. Insgesamt konnten 96,3 % (206/214) der Proben molekular charakterisiert werden. Die mediterranen Mutationen stellen einen Anteil von etwa 2/3 aller identifizierten Veränderungen, häufig sind insbesondere NS 39, IVS1-110 G ® A und IVS1-1 G ® A. Das übrige Mutationsspektrum setzt sich aus sehr seltenen Mutationen (IVS1-1 G ® T, IVS1-2 T ® G, IVS1-2 T ® C, NS 15 G ® A, NS 121 G ® T, FS 8/9 +G, FS 44 -C, FS 51 -C, FS 82/83 -G, Initiations-Kodon-Mutationen ATG ® ACG/ ® GTG/ ® ATA) und einer neuen Mutation (IVS1-129 A ® G) zusammen. In 6 Fällen konnte nach vollständiger molekularer Analyse kein Gendefekt als Ursache der b -Thalassämie gefunden werden. Diese Probanden könnten b -Thalassämiedeterminanten tragen, die nicht an den b -Globingen-Komplex gekoppelt sind oder regulative Sequenzen außerhalb des b -Globingens darstellen. Die erhobenen Daten zeigen, daß der Ursprung der b -Thalassämie in der deutschen Bevölkerung in den Mittelmeerländern liegt, ein Drittel der Fälle scheint sich jedoch lokal entwickelt zu haben. / The b -thalassemia belongs to the most common monogenic disorders worldwide. Endemically in the Mediterranean population, some parts of Asia and Western Africa, b -thalassemia is a rare disease in Germany. Nevertheless, heterozygous forms of b -thalassemia minor occur more frequently in the German population and should be considered in the differential diagnosis of hypochromic anemia. To investigate the molecular biological background of b -thalassemia in Germany, 214 non-immigrant German individuals suffering from heterozygous b -thalassemia were characterized by allele-specific oligonucleotid hybridization, restriction analysis and sequencing of the b -globin gene. By these techniques, 26 different mutations were identified. Most frequently, the Mediterranean mutations NS 39, IVS1-110 G ® A, and IVS1-1 G ® A were detected. Although otherwise rare, the frameshift mutation of codon 83 (FS 83 -G) was also relatively common (5 %) in the analyzed population. Other previously described mutations (IVS1-1 G ® T, IVS1-2 T ® G, IVS1-2 T ® C, NS 15 G ® A, NS 121 G ® T, FS 8/9 +G, FS 44 -C, FS 51 -C, initiation codon mutation ATG ® ACG/ ® GTG/ ® ATA) were demonstrated in < 10 individuals. Interestingly, sequence analysis identified a novel mutation affecting position -2 of the splice acceptor site (IVS1-129 A ® G). In 6 individuals diagnosed as heterozygous b -thalassemia, a mutation of the b -globin gene could not be demonstrated. The data indicate the b -thalassemia to be introduced from the Mediterranean population into Germans in two-thirds of the cases whereas the remaining third probably is of local origin.

Die genetischen Polymorphismen der humanen Biotransformationsenzyme Glutathion-S-Transferase Theta 1 (GSTT1-1) und Arylamin-N-Acetyltransferase 1 (NAT1) wurden zu Beginn der neunziger Jahre entdeckt. Es besteht derzeit ein großes Interesse an Untersuchungen zur Häufigkeit der Allele, zu deren phänotypischen Konsequenzen und pharmakologisch-toxikologischer Relevanz. Für die Untersuchungen in dieser Arbeit standen die Blutproben von 314 gesunden, deutschen Probanden mit bekanntem GSTT1- und/oder NAT1-Genotyp zur Verfügung. Es wurden Methoden etabliert und validiert, um im Hämolysat die Reaktionsgeschwindigkeiten bei der Umsetzung des GSTT1-1-spezifischen Substrats Dichlormethan sowie des NAT1-spezifischen Substrats p-Aminobenzoesäure mit vertretbarem Laboraufwand zu bestimmen. In der vorliegenden Arbeit wurde eine vollständige Übereinstimmung zwischen der homozygoten GSTT1-Gendeletion und dem defizienten Phänotyp bei 19,3% der Individuen gefunden. Bei 80,7% der Probanden war durch Genotypisierung mindestens ein GSTT1*A-Allel identifiziert worden. Mit Hilfe der Phänotypisierung konnten in dieser Gruppe zwei Phänotypen, der intermediäre und der hoch aktive Phänotyp, voneinander abgegrenzt werden. Damit bestand der Vorteil der Phänotypisierung darin, eine trimodale Verteilung der GSTT1-1-Aktivität nachweisen zu können. Dies wurde in der vorliegenden Arbeit erstmalig in einer größeren deutschen Population gezeigt. Weiterhin wurden in dieser Arbeit untersucht, ob zwei Phosphonsäurediester des Glutathions, die sich als kompetitive bzw. nicht-kompetitive Hemmstoffe anderer GST-Isoenzyme erwiesen hatten, sowie der Arzneistoff Tactin, ein Medikament zur Behandlung des Mobus Alzheimer eine Hemmwirkung auf die GSTT1-1-vermittelte Umsetzung von Dichlormethan besitzen. Gegenwärtig sind 24 verschiedene NAT1-Allele bekannt, wobei einige davon sehr selten auftreten. In der hier verwendeten deutschen Population waren sechs NAT1-Allele identifiziert worden. In den Blutproben der 105 Probanden wurde die funktionelle Konsequenz dieser Allele bestimmt. In vorliegender Arbeit wurde erstmalig für einen homozygoten Träger des NAT1*15-Allels das Fehlen jeglicher Enzymaktivität nachgewiesen. Bezüglich der Häufigkeit der GSTT1-Gendefizienz sowie des NAT1*11-Allels wurden in vorliegender Arbeit zwischen europäischen, d.h. einander ethnisch nahestehenden Bevölkerungsgruppen statistisch signifikante Unterschiede gefunden. / The genetic polymorphisms of the glutathione S-transferase theta 1-1 (GSTT1-1) and the arylamine N-acetyltransferase 1 (NAT1) were found in the beginning of the 90's. There is a great interest in genotype-phenotype relations in individuals and in pharmacological and toxicological consequences of the polymorphisms. In this work, hemolysate of 314 healthy German volunteers was used for several genotyping and phenotyping methods. A concordance between the homozygous GSTT1 gene deletion and the enzyme deficiency in 27 of 140 individuals (19,3%)was found. In 80,7% of the volunteers a discrimination between intermediate and rapid metabolizers was possible in a German population for the first time. In addition it was proved, if the ex-vivo metabolism of dichloromethane, catalyzed by GSTT1-1, is inhibited by phosphono-analoga of glutathione or tacrine, a drug for treatment of Alzheimers' disease. The NAT1 polymorphism is characterized by several point mutations and deletions or insertions of oligonucleotides. 24 NAT1 alleles are known so far. In this work, the functional consequences of various NAT1 allele combinations in the genotypes of 105 individuals were determinated. There were found interethnic differences in the frequency of the NAT1*11 allele and the frequency of the homozygous gene deletion between the German and other Caucasien populations.

Ein genereller Ansatz zur Charakterisierung von biologischen Systemen bietet die Untersuchung des Metaboloms, dessen Analyse als „Metabolomics“ bezeichnet wird. “Omics”- Technologien haben das Ziel, ohne Selektionskriterien möglichst alle Bestandteile einer biologischen Probe zu detektieren (identifizieren und quantifizieren), um daraus Rückschlüsse auf nicht vorhersehbare und somit neuartige Korrelationen in biologischen Systemen zu ziehen. Ein zentrales Dogma in der Biologie besteht in der Kausalität zwischen Gen – Enzym – Metabolite. Perturbationen auf einer Ebene rufen systemische Antworten hervor, die in einem veränderten Phänotyp münden können. Metabolite sind die Endprodukte von zellulären regulatorischen Prozessen, deren Abundanz durch die Resonanz auf genetische Modifikationen oder Umwelteinflüsse zurückzuführen ist. Zudem repräsentieren Metabolite ultimativ den Phänotyp eines Organismus und haben die Fähigkeit als Biomarker zu fungieren. Die integrale Analyse verschiedenster Stoffwechselwegen wie Krebszyklus, Pentosephosphatzyklus oder Calvinzyklus offeriert die Identifikation von metabolischen Mustern. In dieser Arbeit wurden sowohl das targeted Profiling via GC-TOF-MS als auch das untargeted Profiling via GC-TOF-MS und LC-FT-MS als analytische Strategien genutzt, um biologische Systeme anhand ihrer Metabolite zu charakterisieren und um physiologische Muster als Resonanz auf endogene oder exogene Stimuli zu erkennen. Dabei standen die metabolische, phänotypische und genotypische Plastizität von Pflanzen im Fokus der Untersuchungen. Metabolische Varianzen eines Phänotyps reflektieren die genotyp-abhängige Resonanz des Organismus auf umweltbedingte Parameter (abiotischer und biotischer Stress, Entwicklung) und können mit sensitiven Metabolite Profiling Methoden determiniert werden. Diese Anwendungen haben unter anderem auch zum Begriff des „Environmental Metabolomics“ geführt. In Kapitel 2 wurde der Einfluss biotischer Interaktionen von endophytischen Bakterien auf den Metabolismus von Pappelklonen untersucht; Kapitel 3 betrachtet die metabolische Plastizität von Pflanzen im Freiland auf veränderte biotische Interaktionsmuster (Konkurrenz/Diversität/Artenzusammensetzung); Abschließend wurde in Kapitel 4 der Einfluss von spezifischen genetischen Modifikationen an Peroxisomen und den daraus resultierenden veränderten metabolischen Fluss der Photorespiration dargestellt. Aufgrund der sensitiven Analyse- Technik konnten metabolische Phänotypen, die nicht zwingend in einen morphologischen Phänotyp mündeten, in drei biologischen Systemen identifiziert und in einen stoffwechselphysiologischen Kontext gestellt werden. Die drei untersuchten biologischen Systeme – in vitro- Pappeln, Grünland- Arten (Arrhenatherion-Gesellschaft) und der Modellorganismus (Arabidopsis) – belegten anschaulich die Plastizität des Metabolismus der Arten, welche durch endogene oder exogene Faktoren erzeugt wurden. / A general approach to characterise biological systems offers the analysis of the metabolome, named “metabolomics”. “Omics”- technologies are untargeted approaches without any selection criteria which aim to detect every potential analyte in a sample in order to draw conclusions about new correlations in biological systems. A central dogma in biology is the causality between gene – enzyme – metabolite. Perturbations on one level are reflected in systemic response, which possibly result in a changed phenotype. Metabolites are end products of its gene expression and metabolism, whose abundance is determined as a resonance of genetic modifications or environmental disturbance. Furthermore metabolites represent the ultimate phenotype of an organism and are able to act as a biomarker. The integral analysis of distinct metabolic pathways like TCA, Pentose phosphate and Calvin cycle consequently leads to the identification of metabolic patterns. In this work targeted profiling via GC-TOF-MS as well as untargeted profiling via GC-TOF-MS and LC-FT-MS were used as analytical strategies to characterise biological systems on the basis of their metabolites and to identify physiological patterns as resonance of endogenic or exogenic stimuli. The focus of the investigations concentrates on the metabolic, phenotypic and genotypic plasticity of plants. Metabolic variance of a phenotype is reflected in the genotypic dependence response of an organism on environmental parameters which may be detected via sensitive metabolic profiling methods. In chapter 2 the influence of biotic interaction of endophytic bacteria on the metabolism of their poplar host was analyzed; chapter 3 explores the metabolic plasticity of field-grown grassland species as a consequence of biotic interaction pattern (competition / diversity / species composition); In conclusion, chapter 4 illustrates the influence of specific genetic modifications on peroxisomes and the consequent changed metabolic flux in the photorespiration pathway. Due to the sensitive analytic methods, metabolic phenotypes in all three biological systems could be identified and classified in a physiological context. The three biological systems – in vitro poplar plants, field-grown grassland species and the model organism Arabidopsis – demonstrate the plasticity of the metabolism of species in response to stimuli.

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Background The revitalization or regeneration of the dental pulp is a preferable goal in current endodontic research. In this study, human dental pulp cell (DPC) spheres were applied to human root canal samples to evaluate their potential adoption for physiological tissue-like regeneration of the dental root canal by odontoblastic differentiation as well as cell-induced mineral formation. Methods DPC were cultivated into three-dimensional cell spheres and seeded on human root canal specimens. The evaluation of sphere formation, tissue-like behavior and differentiation as well as mineral formation of the cells was carried out with the aid of optical light microscopy, immunohistochemical staining and scanning electron microscopy (SEM). Results Spheres and cells migrated out of the spheres showed an intense cell-cell- and cell-dentin-contact with the formation of extra cellular matrix. In addition, the ingrowth of cell processes into dentinal tubules and the interaction of cell processes with the tubule walls were detected by SEM-imaging. Immunohistochemical staining of the odontoblast specific matrix proteins, dentin matrix protein-1, and dentin sialoprotein revealed an odontoblast-like cell differentiation in contact with the dentin surface. This differentiation was confirmed by SEM-imaging of cells with an odontoblast specific phenotype and cell induced mineral formation. Conclusions The results of the present study reveal the high potential of pulp cells organized in spheres for dental tissue engineering. The odontoblast-like differentiation and the cell induced mineral formation display the possibility of a complete or partial “dentinal filling” of the root canal and the opportunity to combine this method with other current strategies.