Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Expression des putativen Onkogens HDGF (Hepatoma Derived Growth Factor) in der humanen Kolonkarzinomzelllinie HT29 mittels RNA Interferenz herunterreguliert. Zwei unterschiedliche, für das Zielgen HDGF spezifische siRNAs wurden hierzu jeweils in einen Plasmidvektor kloniert. Zellen der Kolonkarzinomzelllinie HT29 wurden zunächst transient und stabil mit den beiden resultierenden Plasmidvektoren transfiziert, die Expression von HDGF in den transfizierten Zellen mittels Realtime-PCR quantifiziert und mit der Expression in mit Lipofektamin behandelten Kontrollzellen verglichen. Durch die stabile Transfektion beider Plasmidvektoren konnte die HDGF-Expression fast komplett supprimiert werden. Im Rahmen eines cDNA-Array konnten außer einer Expressionsverminderung von HDGF noch multiple Expressionsveränderungen anderer Gene identifiziert werden. Dies ist zum einen durch unspezifische, durch den Plasmidvektor bedingte Effekte erklärbar. Zum anderen aber ist die Deregulation vieler dieser Gene ein Effekt der Inaktivierung von HDGF. / In this thesis the expression of the putative oncogene HDGF (Hepatoma Derived Growth Factor) in a colorectal cancer cell-line was down-regulated by means of RNA interference. The expression of HDGF was almost completely suppressed. The expression of various other genes was also influenced. This is on the one hand due to unspecific effects caused by the plasmidvector. On the other hand it is also an effect of the gene silencing of HDGF.

Die Vorliegende Arbeit beschäftige sich mit der Etablierung eines lentiviralen Vektorsystems, mit dem es möglich ist die RNA-Interferenz experimentell zu nutzen. Dafür wurden SEC Sequenzen in den Vektor pGJ3-eGFP kloniert. Nach Optimierung der Transfektions und Transduktionsschritte wurden im Anschluss rekombinante virale Partikel hergestellt. Zur Überprüfung der Effektivität der Induzierten RNA-Interferenz erfolgte die Transduktion einer persistierend mit Masern infizierten Zelllinie (C6SSPE). Ziel der siRNA Sequenzen war dabei die mRNA des N-Proteins, welches eine zentrale Rolle im viralen Replikationszyklus spielt. Die Reduktion der mRNA wurde über quantitative real time RT-PCR nachgewiesen.

Die Vorliegende Arbeit beschäftige sich mit der Etablierung eines lentiviralen Vektorsystems, mit dem es möglich ist die RNA-Interferenz experimentell zu nutzen. Dafür wurden SEC Sequenzen in den Vektor pGJ3-eGFP kloniert. Nach Optimierung der Transfektions und Transduktionsschritte wurden im Anschluss rekombinante virale Partikel hergestellt. Zur Überprüfung der Effektivität der Induzierten RNA-Interferenz erfolgte die Transduktion einer persistierend mit Masern infizierten Zelllinie (C6SSPE). Ziel der siRNA Sequenzen war dabei die mRNA des N-Proteins, welches eine zentrale Rolle im viralen Replikationszyklus spielt. Die Reduktion der mRNA wurde über quantitative real time RT-PCR nachgewiesen.

Motivation: Although various high-throughput technologies provide a lot of valuable information, each of them is giving an insight into different aspects of cellular activity and each has its own limitations. Thus, a complete and systematic understanding of the cellular machinery can be achieved only by a combined analysis of results coming from different approaches. However, methods and tools for integration and analysis of heterogenous biological data still have to be developed. Results: This work presents systemic analysis of basic cellular processes, i.e. cell viability and cell cycle, as well as embryonic stem cell pluripotency and differentiation. These phenomena were studied using several high-throughput technologies, whose combined results were analysed with existing and novel clustering and hit selection algorithms. This thesis also introduces two novel data management and data analysis tools. The first, called DSViewer, is a database application designed for integrating and querying results coming from various genome-wide experiments. The second, named PhenoFam, is an application performing gene set enrichment analysis by employing structural and functional information on families of protein domains as annotation terms. Both programs are accessible through a web interface. Conclusions: Eventually, investigations presented in this work provide the research community with novel and markedly improved repertoire of computational tools and methods that facilitate the systematic analysis of accumulated information obtained from high-throughput studies into novel biological insights.

The eukaryotic cell cycle orchestrates the precise duplication and distribution of the genetic material, cytoplasm and membranes to daughter cells. In multicellular eukaryotes, cell cycle regulation also governs various organisatorial processes ranging from gametogenesis over multicellular development to tissue formation and repair. Consequently, defects in cell cycle regulation provoke a variety of human cancers. A global view of genes and pathways governing the human cell cycle would advance many research areas and may also deliver novel cancer targets. Therefore this work aimed on the genome-wide identification and systematic characterisation of genes required for cell cycle progression in human cells. I developed a highly specific and efficient RNA interference (RNAi) technology to realize the potential of RNAi for genome-wide screening of the genes essential for cell cycle progression in human tissue culture cells. This approach is based on the large-scale enzymatic digestion of long dsRNAs for the rapid and cost-efficient generation of libraries of highly complex pools of endoribonuclease-prepared siRNAs (esiRNAs). The analysis of the silencing efficiency and specificity of esiRNAs and siRNAs revealed that esiRNAs are as efficient for mRNA degradation as chemically synthesized siRNA designed with state-of-the-art design algorithms, while exhibiting a markedly reduced number of off-target effects. After demonstrating the effectiveness of this approach in a proof-of-concept study, I screened a genome-wide esiRNA library and used three assays to generate a quantitative and reproducible multi-parameter profile for the 1389 identified genes. The resulting phenotypic signatures were used to assign novel cell cycle functions to genes by combining hierarchical clustering, bioinformatics and proteomic data mining. This global perspective on gene functions in the human cell cycle presents a framework for the systematic documentation necessary for the understanding of cell cycle progression and its misregulation in diseases. The identification of novel genes with a role in human cell cycle progression is a starting point for an in-depth analysis of their specific functions, which requires the validation of the observed RNAi phenotype by genetic rescue, the study of the subcellular localisation and the identification of interaction partners of the expressed protein. One strategy to achieve these experimental goals is the expression of RNAi resistant and/or tagged transgenes. A major obstacle for transgenesis in mammalian tissue culture cells is the lack of efficient homologous recombination limiting the use of cultured mammalian cells as a real genetic system like yeast. I developed a technology circumventing this problem by expressing an orthologous gene from a closely related species including its regulatory sequences carried on a bacterial artificial chromosome (BAC). This technology allows physiological expression of the transgene, which cannot be achieved with conventional cDNA expression constructs. The use of the orthologous gene from a closely related species confers RNAi resistance to the transgene allowing the depletion of the endogenous gene by RNAi. Thus, this technology mimics homologous recombination by replacing an endogenous gene with a transgene while maintaining normal gene expression. In combination with recombineering strategies this technology is useful for RNAi rescue experiments, protein localisation and the identification of protein interaction partners in mammalian tissue culture cells. In summary, this thesis presents a major technical advance for large-scale functional genomic studies in mammalian tissue culture cells and provides novel insights into various aspects of cell cycle progression. (Die Druckexemplare enthalten jeweils eine CD-ROM als Anlagenteil: 217 MB: Movies, Rohdaten - Nutzung: Referat Informationsvermittlung der SLUB)

Mutationen im Protein LRRK2 wurden im Zusammenhang mit klinischen Symptomen beschrieben, die dem Idiopathischen Parkinsonsyndrom (IPS) nahezu gleichen. So findet sich neben vielen anderen Mutationen die häufigste pathogene Mutation für das IPS im LRRK2-Gen. Die Aufklärung der molekularbiologischen Mechanismen, die zur Pathologie der spezifischen Neurodegeneration in der Substantia nigra Pars Compacta (SNpc) und somit zur Idiopathischen Parkinsonssyndrom führen, ist mit der Hoffnung auf kausale und kurative Therapieansätze verbunden. In dieser medizinischen Doktorarbeit soll daher versucht werden, die biologische Funktion des LRRK2 in einem dopaminergen Mauszellmodell näher zu beschreiben. Hierfür soll die genetische Aktivität des LRRK2 in mesenzephalen, sogenannten MN9D-Zellen reduziert werden, indem der Mechanismus der RNA-Interferenz in vitro durch Transfektion von siRNA angestoßen wird. Durch die Reduktion der LRRK2-Aktivität sollen Veränderungen in den MN9D-Zellen induziert und diese objektiviert werden. Die Darstellung der Beobachtungen konzentriert sich auf die transkriptionelle Expression von Genen des Zellzyklus sowie der neuralen und dopaminergen Differenzierung (Tyrosinhydroxylase, Nestin und β-Tubulin) durch PCR. Die Proliferation der Zellen vor und nach den RNA-Interferenzexperimenten soll global durch MTT- und BrdU-Test gemessen werden.

Mutationen im Protein LRRK2 wurden im Zusammenhang mit klinischen Symptomen beschrieben, die dem Idiopathischen Parkinsonsyndrom (IPS) nahezu gleichen. So findet sich neben vielen anderen Mutationen die häufigste pathogene Mutation für das IPS im LRRK2-Gen. Die Aufklärung der molekularbiologischen Mechanismen, die zur Pathologie der spezifischen Neurodegeneration in der Substantia nigra Pars Compacta (SNpc) und somit zur Idiopathischen Parkinsonssyndrom führen, ist mit der Hoffnung auf kausale und kurative Therapieansätze verbunden. In dieser medizinischen Doktorarbeit soll daher versucht werden, die biologische Funktion des LRRK2 in einem dopaminergen Mauszellmodell näher zu beschreiben. Hierfür soll die genetische Aktivität des LRRK2 in mesenzephalen, sogenannten MN9D-Zellen reduziert werden, indem der Mechanismus der RNA-Interferenz in vitro durch Transfektion von siRNA angestoßen wird. Durch die Reduktion der LRRK2-Aktivität sollen Veränderungen in den MN9D-Zellen induziert und diese objektiviert werden. Die Darstellung der Beobachtungen konzentriert sich auf die transkriptionelle Expression von Genen des Zellzyklus sowie der neuralen und dopaminergen Differenzierung (Tyrosinhydroxylase, Nestin und β-Tubulin) durch PCR. Die Proliferation der Zellen vor und nach den RNA-Interferenzexperimenten soll global durch MTT- und BrdU-Test gemessen werden.

For self-renewal, embryonic stem cells (ESCs) require the expression of specific transcription factors accompanied by a particular chromosome organization to maintain a balance between pluripotency and the capacity for rapid differentiation. However, how transcriptional regulation is linked to chromosome organization in ESCs is not well understood. Here we show that the cohesin component RAD21 exhibits a functional role in maintaining ESC identity through association with the pluripotency transcriptional network. ChIP-seq analyses of RAD21 reveal an ESC specific cohesin binding pattern that is characterized by CTCF independent co-localization of cohesin with pluripotency related transcription factors Oct4, Nanog, Sox2, Esrrb and Klf4. Upon ESC differentiation, most of these binding sites disappear and instead new CTCF independent RAD21 binding sites emerge, which are enriched for binding sites of transcription factors implicated in early differentiation. Furthermore, knock-down of RAD21 causes expression changes that are similar to expression changes after Nanog depletion, demonstrating the functional relevance of the RAD21 - pluripotency transcriptional network association. Finally, we show that Nanog physically interacts with the cohesin or cohesin interacting proteins STAG1 and WAPL further substantiating this association. Based on these findings we propose that a dynamic placement of cohesin by pluripotency transcription factors contributes to a chromosome organization supporting the ESC expression program.

Asymmetric positioning of the mitotic spindle in C. elegans embryos is mediated by force-generating complexes that are anchored at the plasma membrane and that pull on microtubules growing out from the spindle poles. Although asymmetric distribution of the force generators is thought to underlie asymmetric positioning of the spindle, the number and location of the force generators has not been well defined. In particular, it has not been possible to visualize individual force generating events at the cortex. We discovered that perturbation of the acto-myosin cortex leads to the formation of long membrane invaginations that are pulled from the plasma membrane toward the spindle poles. Several lines of evidence show that the invaginations, which also occur in unperturbed embryos though at lower frequency, are pulled by the same force generators responsible for spindle positioning. Thus, the invaginations serve as a tool to localize the sites of force generation at the cortex and allow us to estimate a lower limit on the number of cortical force generators within the cell.

Der "klassische" Importweg von Proteinen wie Transkriptionsfaktoren, Kernrezeptoren oder viralen Proteinen in den Zellkern erfolgt in Abhängigkeit der Importine alpha und beta. Während nur ein Importin beta existiert, waren zu Beginn der Arbeiten zwei humane alpha-Importine bekannt. In der vorliegenden Arbeit wird die Identifikation, Klonierung und funktionelle Charakterisierung von vier neuen humanen alpha-Importinen beschrieben. Anhand ihrer Primärstruktur wurden die sechs alpha-Importine in drei Subfamilien unterteilt. Um die Hypothese zu testen, dass die verschiedenen Importin alpha Isoformen spezifische Funktionen ausüben und sich nicht vollständig gegenseitig ersetzen können, wurde zunächst ihre Expression auf RNA- und Proteinebene analysiert. Hier ließen sich differentielle Expressionsmuster in verschiedenen humanen Zellen und Geweben nachweisen. In vitro Analysen mit rekombinant exprimierten und aufgereinigten Proteinen deuteten daraufhin, dass die neu identifizierten Isoformen tatsächliche Importfunktion besitzen, dass sich jedoch die verschiedenen alpha-Importine in ihren Substratspezifitäten unterscheiden. Verschiedene neue Substrate der alpha-Importine wurden identifiziert und deren Importwege im Detail analysiert. Unterschiede in der Regulation der Expression der alpha-Importine in Abhängigkeit von Zellproliferation, Zelldifferenzierung bzw. in unterschiedlichen Diabetesmodellen der Ratte deuteten ebenfalls auf spezifische Funktionen der verschiedenen Isoformen hin. Die spezifische Inhibition der Importin alpha Expression in kultivierten HeLa-Zellen mittels RNA-Interferenz führte bei den meisten Isoformen zu einer ausgeprägten Inhibition der Zellproliferation, wodurch erstmals der Nachweis essentieller Funktionen verschiedener alpha-Importine in lebenden humanen Zellen erbracht wurde. In weiterführenden Experimenten sollen die Ursachen für die Inhibition der Zellproliferation bei Importin alpha-Mangel geklärt und die Bedeutung der unterschiedlichen alpha-Importine in vivo weiter analysiert werden. / The "classical" import of proteins like transcription factors, nuclear receptors or viral proteins into the nucleus depends on importins alpha and beta. While only one importin beta is known, two human alpha-importins had been described. In this study the identification, cloning and functional characterisation of four novel human alpha-importins is reported. Based on their primary structures the human alpha-importins can be grouped into three distinct subfamilies. To test the hypothesis that the various alpha-Importins differ in their specific functions and cannot substitute for each other first their expression at the RNA- and protein levels were analyzed. Differential expression patterns in various human cells and tissues could be demonstrated. In vitro analyses using recombinantly expressed and purified proteins indicated, that the newly identified isoforms posses import functions in deed. However, there was evidence for differences in their substrate specific import efficacies. New substrates of the alpha-importins were identified and their import pathways analyzed in detail. Differences in the expression regulation of the alpha-importins depending on cellular proliferation and differentiation as well as in different rat models of diabetes further pointed towards specific functions of the various alpha-importins. Specific expression inhibition of several isoforms of the importin alpha protein family in cultured HeLa-cells using RNA-interference technology caused a strong inhibition of cellular proliferation. This is the first proof for essential functions of different alpha-importins in living human cells. Future experiments shall identify the mechanisms involved in the cellular proliferation inhibition due to importin a deficiency and further analyze the role of the different alpha-importins in vivo.