Universiẗat, Diss., 2004--Freiburg (Breisgau).

Universiẗat, Diss., 2005--Freiburg (Breisgau).

Zielvorgabe dieser Dissertation stellte die Konstruktion eines Plasmides mit mehreren shRNA-Expressionskassetten für den simultanen Knockdown onkogener Zielstrukturen im Multiplen Myelom dar. Es sollte sich zudem um ein Konstrukt handeln, bei dem ein beliebig häufiges Einfügen oder Ersetzen von Expressionskassetten durch einfache Klonierungsschritte möglich ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Plasmide mit bis zu vier unterschiedlichen shRNA-Expressionskassetten konstruiert und getestet. Mittels Elektroporation und anschließender Analyse der Knock-down-Effizienz im Western Blot konnte beispielhaft an Proteinen des MEK-ERK-Signalweges gezeigt werden, dass mithilfe der klonierten Plasmide die Spiegel von mindestens vier Zielproteinen gleichzeitig herunterreguliert werden können, ohne dass es dabei zu Einschränkungen im Vergleich zur Verwendung von Einzel-shRNA-Expressionsvektoren kommt. Es konnte gezeigt werden, dass weder die zunehmende Menge an hintereinander klonierten Kassetten noch die Reihenfolge der einzelnen Expressionskassetten im Plasmid einen negativen Einfluss auf das Knock-down-Ergebnis haben. Dieses Ergebnis konnte in verschiedenen Zelllinien des Multiplen Myeloms bestätigt werden. Die Vorteile des Verfahrens liegen vor allem in der Kosteneffizienz, der einfachen Herstellung und Modifikation, sowie der niedrigen biologischen Sicherheitsstufe der Versuchsschritte. Bedeutend ist zudem die Vermeidung von toxischen Effekten, welche das Einbringen von Fremd-DNA in Zellen ab gewissen Mengen mit sich bringt, durch Klonierung aller shRNA-Expressionskassetten zu lediglich einem Plasmidkonstrukt. Einschränkungen erfährt die etablierte Methodik dadurch, dass die zu untersuchenden Zellen sich für die Transfizierung mit Plasmiden eigenen müssen und ein Verfahren der Selektion transfizierter von nativen Zellen verfügbar sein muss. Durch genannte Vorteile stellt das Konstrukt jedoch ein hervorragendes Mittel zur Erforschung zellulärer Signalwege und ihrer Interaktionen weit über die Erkrankung des Multiplen Myeloms hinaus dar. Es kann zudem als kostengünstige molekulare Methode zur Identifizierung neuer pharmakologischer Angriffspunkte bei Tumorerkrankungen dienen. Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden in Folgeversuchen genutzt um eine stabile Integration der shRNA-Expressionskassetten in die zelluläre DNA sowie eine pharmakologische Induzierbarkeit zu erreichen. Es konnte somit der Sprung von den transienten Knock-down-Versuchen dieser Arbeit hin zur langfristig verminderten Proteintranslation geschafft werden. Am Ende dieser Arbeit verblieb zu eruieren, inwieweit die Anzahl der shRNA-Expressionskassetten über die getestete Anzahl von vier erweiterbar wäre und ob die guten Erfahrungen mit dieser Methodik auch bei anderen Arten von Tumorzellen replizierbar sind. Das etablierte Vektorsystem könnte in künftigen Versuchen zur schnellen Erforschung bisher wenig untersuchter oder unbekannter Signalwege dienen. / Goal setting of this dissertation was the construction of a plasmid with multiple shRNA-expressioncassettes for a simultaneous knockdown of oncogene targets in multiple myeloma. It was furthermore supposed to be a construct which allowed adding or replacing of cassettes by simple cloning mechanisms. In this work plasmids have been constructed and established with up to four shRNA-expressioncassettes. By electroporation and westernblot-analysis it could be shown on the MEK-ERK-pathway that it is possible to downregulate four proteins at once with one plasmid and that this is as efficient as the use of single plasmids. It could be shown that neither the number of expressioncassettes nor the order had a negative impact on the knockdown results. This result could be proved in different myeloma cell lines. The advantages of this construct are based on the cost efficiency, the simple construction and modification and the low biosafety level. The most significant advantage lies within the reduction of toxic effects for the cells that come within growing amounts of foreign DNA. These are reduced by fusion of multiple shRNA-expressioncassettes in one plasmid. The construct also underlies restrictions because in order to work with it there has to be a method to transfect the cells with the plasmid and a method to sort transfected cells afterwards. Nevertheless, the construct represents an excellent mean to investigate cellular signalling and interactions in multiple myeloma and beyond. Moreover, it can be used as a cost-efficient method to identify new pharmacological targets in malignancies. The results of this work have been used to establish stable transfection and inducible knockdowns. In the end it stayed yet to be investigated if the construct could be expanded over the here tested number of four shRNA-expressioncassettes and if it could be used in other malignancies than multiple myeloma. The established vector-system could be used in future to quickly investigate unknown signalling pathways.

RNA is one of the most abundant macromolecules and plays essential roles in numerous biological processes. This doctoral thesis consists of two projects focusing on RNA structure and RNA-RNA interactions in viral genome packaging. In the first project I developed a method called Functional Analysis of RNA Structure (FARS-seq) to investigate structural features regulating genome dimerization within the HIV-1 5’UTR. Genome dimerization is a conserved feature of retroviral replication and is thought to be a prerequisite for binding to the viral structural protein Pr55Gag during genome packaging. It also plays a role in genome integrity and evolution through recombination, and is linked to a structural switch that may regulate genome packaging and translation within cells. Despite its importance for HIV-1 replication, the RNA signals regulating genome dimerization, and the molecular mechanism leading to the selection of the genome dimer over the monomer for packaging are incompletely understood. The FARS-seq method combines RNA structural information obtained by chemical probing with single nucleotide resolution profiles of RNA function obtained by mutational interference. In this way, we found nucleotides that were critical for dimerization, especially within the well-characterized dimerization motif within stem-loop 1 (SL1). We also found stretches of nucleotides that enhanced genome dimerization upon mutation, suggesting their role in negatively regulating dimerization. A structural analysis identified distinct structural signatures within monomeric and dimeric RNA. The dimeric conformation displayed the canonical transactivation response (TAR), PolyA, primer binding site (PBS), and SL1-SL3 stem-loops, and contained a long range U5-AUG interaction. Unexpectedly, in monomeric RNA, SL1 was reconfigured into long- and short-range base-pairings with PolyA and PBS, respectively. Intriguingly, these base pairings concealed the palindromic sequence needed for dimerization and disrupted the internal loop in SL1 previously shown to contain the major packaging motif for Pr55Gag. We therefore rationally introduced mutations into PolyA and PBS, and showed how these regions regulate genome dimerization, and the binding of Pr55Gag in vitro, as well as genome packaging into virions. These findings give insights into late stages of the HIV-1 life cycle and a mechanistic explanation for the link between RNA dimerization and packaging. In the second project, I developed a proximity ligation and high-throughput sequencing-based method, RNA-RNA seq, which can measure direct (RNA-RNA) and indirect (protein-mediated) interactions. In contrast to existing methods, RNA-RNA seq is not limited by specific protein or RNA baits, nor to a particular crosslinking reagent. The genome of influenza A virus contains eight segments, which assemble into a “7+1” supramolecular complex. However, the molecular details of genome assembly are poorly understood. Our goal is to use RNA-RNA seq to identify the sites of interaction between the eight genomic RNAs of influenza, and to use this information to define the quaternary RNA architecture of the genome. We showed that RNA-RNA seq worked on model substrates, like the HIV-1 Dimerization Initiation Site (DIS) RNA and purified ribosome, as well as influenza A virus infected cells. / RNA ist eines der am häufigsten vorkommenden Makromoleküle und spielt bei allen biologischen Prozessen eine wesentliche Rolle. Diese Doktorarbeit besteht aus zwei Projekten, die sich auf die RNA-Struktur und RNA-RNA-Interaktionen bei der viralen Genomverpackung konzentrieren. Im ersten Projekt habe ich eine Methode namens Functional Analysis of RNA Structure (FARS-seq) entwickelt, um strukturelle Merkmale zu untersuchen, die die Genom-Dimerisierung innerhalb des HIV-1 5'UTR regulieren. Die Genomdimerisierung ist ein konserviertes Merkmal der retroviralen Replikation und gilt als Voraussetzung für die Bindung an das virale Strukturprotein Pr55Gag während der Genomverpackung. Sie spielt auch eine Rolle bei der Genomintegrität und -evolution durch Rekombination und ist mit einem strukturellen Schalter verbunden, der die Genomverpackung und -translation in Zellen regulieren kann. Trotz der Bedeutung für die HIV-1-Replikation sind die RNA-Signale welche die Genom-Dimerisierung regulieren, und der molekulare Mechanismus der zur Auswahl des Genom-Dimers gegenüber dem Monomer für die Verpackung führt, nur unvollständig verstanden. FARS-seq kombiniert RNA-Strukturinformationen, die durch chemisches Sondieren gewonnen werden, mit Profilen der RNA-Funktion in Einzelnukleotid-Auflösung, die durch Mutationsinterferenz gewonnen werden. Auf diese Weise fanden wir Nukleotide, die für die Dimerisierung kritisch sind, insbesondere innerhalb des gut charakterisierten Dimerisierungsmotivs von stem-loop 1 (SL1). Wir fanden auch Nukleotidabschnitte, die bei Mutation die Dimerisierung des Genoms verstärkten, was auf ihre Rolle bei der negativen Regulierung der Dimerisierung hindeutet. Eine Strukturanalyse ergab zudem unterschiedliche strukturelle Signaturen innerhalb der RNA von Monomeren und Dimeren. Die dimere Konformation wies die kanonische Transaktivierungsantwort (TAR), PolyA, die Primerbindestelle (PBS) und SL1-SL3-stem loops auf und enthielt eine weitreichende U5-AUG-Interaktion. Unerwarteterweise interagierte SL1 in monomerer RNA mit dem weit entfernten PolyA Signal und der nahegelegenen PBS. Interessanterweise verbargen diese Basenpaarungen die für die Dimerisierung erforderliche palindromische Sequenz und unterbrachen die interne Schleife in SL1, von der zuvor gezeigt wurde, dass sie das Hauptverpackungsmotiv für Pr55Gag enthält. Wir haben daher auf rationale Weise Mutationen in PolyA und PBS eingeführt und gezeigt, wie diese Regionen die Dimerisierung des Genoms und die Bindung von Pr55Gag in vitro sowie die Verpackung des Genoms in Virionen regulieren. Diese Ergebnisse geben Einblicke in späte Stadien des HIV-1-Lebenszyklus und eine mechanistische Erklärung für die Verbindung zwischen RNA-Dimerisierung und Verpackung. Im zweiten Projekt entwickelte ich eine auf Proximity Ligation und Hochdurchsatz-Sequenzierung basierende Methode, RNA-RNA seq, mit der direkte (RNA-RNA) und indirekte (proteinvermittelte) Wechselwirkungen gemessen werden können. Im Gegensatz zu bestehenden Methoden ist RNA-RNA seq nicht durch spezifische Protein- oder RNA Crosslink-Reagenzien eingeschränkt. Das Genom des Influenza-A-Virus besteht aus acht Segmenten, die zu einem supramolekularen "7+1"-Komplex assemblieren. Die molekularen Details des Genomaufbaus sind jedoch kaum bekannt. Unser Ziel ist es, mit Hilfe von RNA-RNA seq die Interaktionsstellen zwischen den acht genomischen RNAs des Influenza-Virus zu identifizieren und somit die quaternäre RNA-Architektur des Genoms zu definieren. Wir haben gezeigt, dass RNA-RNA seq an Modellsubstraten wie der HIV Dimerization Initiation Site (DIS) RNA und gereinigtem Ribosom sowie an mit dem Influenza-A-Virus infizierten Zellen funktioniert.

Frankfurt (Main), Universiẗat, Diss., 2008. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2007.

Complex formation between macromolecules constitutes the foundation of most cellular processes. Most known complexes are made up of two or more proteins interacting in order to build a functional entity and therefore enabling activities which the single proteins could otherwise not fulfill. With the increasing knowledge about noncoding RNAs (ncRNAs) it has become evident that, similar to proteins, many of them also need to form a complex to be functional. This functionalization is usually executed by specific or global RNA-binding proteins (RBPs) that are specialized binders of a certain class of ncRNAs. For instance, the enterobacterial global RBPs Hfq and ProQ together bind >80 % of the known small regulatory RNAs (sRNAs), a class of ncRNAs involved in post-transcriptional regulation of gene expression. However, identification of RNA-protein interactions so far was performed individually by employing low-throughput biochemical methods and thereby hindered the discovery of such interactions, especially in less studied organisms such as Gram-positive bacteria. Using gradient profiling by sequencing (Grad-seq), the present thesis aimed to establish high-throughput, global RNA/protein complexome resources for Escherichia coli and Streptococcus pneumoniae in order to provide a new way to investigate RNA-protein as well as protein-protein interactions in these two important model organisms. In E. coli, Grad-seq revealed the sedimentation profiles of 4,095 (∼85 % of total) transcripts and 2,145 (∼49 % of total) proteins and with that reproduced its major ribonucleoprotein particles. Detailed analysis of the in-gradient distribution of the RNA and protein content uncovered two functionally unknown molecules—the ncRNA RyeG and the small protein YggL—to be ribosomeassociated. Characterization of RyeG revealed it to encode for a 48 aa long, toxic protein that drastically increases lag times when overexpressed. YggL was shown to be bound by the 50S subunit of the 70S ribosome, possibly indicating involvement of YggL in ribosome biogenesis or translation of specific mRNAs. S. pneumoniae Grad-seq detected 2,240 (∼88 % of total) transcripts and 1,301 (∼62 % of total) proteins, whose gradient migration patterns were successfully reconstructed, and thereby represents the first RNA/protein complexome resource of a Gram-positive organism. The dataset readily verified many conserved major complexes for the first time in S. pneumoniae and led to the discovery of a specific interaction between the 3’!5’ exonuclease Cbf1 and the competence-regulating ciadependent sRNAs (csRNAs). Unexpectedly, trimming of the csRNAs by Cbf1 stabilized the former, thereby promoting their inhibitory function. cbf1 was further shown to be part of the late competence genes and as such to act as a negative regulator of competence. / Makromoleküle, die Komplexe bilden, sind die Grundlage der meisten zellulären Prozesse. Die meisten bekannten Komplexe bestehen aus zwei oder mehr Proteinen, die interagieren, um eine funktionelle Einheit zu bilden. Diese Interaktionen ermöglichen Funktionen, die die einzelnen Proteine nicht erfüllen könnten. Wachsende wissenschaftliche Erkenntnisse über nichtkodierende RNAs (ncRNAs) haben gezeigt, dass, analog zu Proteinen, auch viele ncRNAs Komplexe bilden müssen, um ihre Funktionen ausüben zu können. Diese Funktionalisierung wird normalerweise von spezifischen oder globalen RNA-bindenden Proteinen (RBPs), die auf eine bestimmte Klasse an ncRNAs spezialisiert sind, durchgeführt. So binden beispielsweise die in Enterobakterien verbreiteten globalen RBPs Hfq und ProQ zusammen >80 % der bekannten kleinen regulatorischen RNAs (sRNAs)—eine Klasse der ncRNAs, die in die posttranskriptionelle Genexpressionsregulation involviert ist. RNA-Protein-Interaktionen wurden bisher anhand einzelner Moleküle und mithilfe von biochemischen Methoden mit niedrigem Durchsatz identifiziert, was die Entdeckung solcher Interaktionen erschwert hat. Dies gilt insbesondere für Organismen, die seltener Gegenstand der Forschung sind, wie beispielsweise grampositive Bakterien. Das Ziel dieser Doktorarbeit war es, mittels gradient profiling by sequencing (Grad-seq) globale Hochdurchsatzkomplexomdatensätze der RNA-ProteinInteraktionen in Escherichia coli und Streptococcus pneumoniae zu generieren. Diese Datensätze ermöglichen es auf eine neue Art und Weise RNA-Protein- und ProteinProtein-Interaktionen in diesen wichtigen Modellorganismen zu untersuchen. Die E. coli Grad-seq-Daten beinhalten die Sedimentationsprofile von 4095 Transkripten (∼85 % des Transkriptoms) und 2145 Proteinen (∼49 % des Proteoms), mit denen die wichtigsten Ribonukleoproteine reproduziert werden konnten. Die detaillierte Analyse der Verteilung von RNAs und Proteinen im Gradienten zeigte, dass zwei Moleküle, deren Funktionen bisher unbekannt waren—die ncRNA RyeG und das kleine Protein YggL—ribosomenassoziiert sind. Durch weitere Charakterisierung konnte gezeigt werden, dass RyeG für ein toxisches Protein mit einer Länge von 48 Aminosäuren kodiert, das bei Überexpression die Latenzphase drastisch verlängert. Für YggL konnte eine Interaktion mit der 50S Untereinheit von 70S Ribosomen nachgewiesen werden, was auf eine potenzielle Funktion in der Biogenese von Ribosomen oder bei der Translation bestimmter mRNAs hindeutet. Die S. pneumoniae Grad-seq Daten beinhalten 2240 Transkripte (∼88 % des Transkriptoms) und 1301 Proteine (∼62 % des Proteoms), deren Migrationsprofile im Gradienten erfolgreich rekonstruiert werden konnten. Dieser RNA/ProteinKomplexomdatensatz eines grampositiven Organismus ermöglichte erstmalig die Verifizierung der wichtigsten konservierten Komplexe von S. pneumoniae. Weiterhin konnte eine spezifische Interaktion der 3’!5’-Exonuklease Cbf1 mit den ciadependent sRNAs (csRNAs), die an der Regulation von Kompetenz beteiligt sind, nachgewiesen werden. Überraschenderweise stabilisiert das von Cbf1 durchgeführte Kürzen der csRNAs die selbigen, was deren inhibitorische Funktion unterstützt. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass cbf1 eines der späten Kompetenzgene ist und als solches als negativer Regulator der Kompetenz agiert.

Die halbmaximale (Proliferations-) inhibitorische Konzentration (IC50) vom RNA-Polymerase I-Inhibitor CX-5461 liegt für die getesteten sieben humanen kolorektalen Karzinomzell¬linien zwischen 0,7 und 3,1 µmol/L, für nicht-transformierte Fibroblasten bei 8,1 µmol/L. Der deutlich stärkere antiproliferative Effekt von CX-5461 auf Tumorzellen lässt somit ein mögliches therapeutisches Fenster erkennen. CX-5461 (1 µmol/L und weniger) induziert einen persistierenden Zellzyklus-arretierten Zellphänotyp mit Seneszenz-assoziierter (SA) -Galaktosidase-Aktivität (SA-β-Gal). Die durch CX-5461 ausgelöste verringerte Synthese ribosomaler RNA (rRNA)-Transkripte im Nucleolus, ein Subkompartiment des Nucleus, in dem die Transkription der ribosomalen DNA und Bildung von Prä-Ribosomen stattfinden, hat eine Störung der Ribosomen¬biogenese zur Folge. Diese als nucleolärer Stress bezeichnete Situation ist mit zahlreichen Einzelphänomen assoziiert wie der Akkumulation ribosomaler Proteine aufgrund eines durch CX-5461 verursachten Missverhältnisses bei der Synthese ribosomaler Proteine und rRNAs. Auch kommt es bei nucleolärem Stress zur Aktivierung Zellzykusarrest-führender Signalwege vermittelt durch DNA-Damage-Response, p53 und Retinoblastom (Rb). Die durch CX-5461 induzieren seneszenten Zellen lassen sich durch Kombination mit dem Bcl-Inhibitor und Senotlytikum Navitoclax in Apoptose überführen. Das kombinierte Strategiekonzept demonstriert, dass der pro-proliferative Phänotyp von Tumorzellen mit CX-5461 durch Induktion von Seneszenz effektiv gestoppt werden kann, um anschließend diese Zellen mit dem Bcl-Inhibitor Navitoclax gezielt in Apoptose zu überführen. Der durch CX-5461 ausgelöste seneszente Zellphänotyp zeigt sich sensitiv gegenüber dem Apoptose-auslösenden Effekt von Navitoclax – im Ggs. zu nicht-seneszenten Zellen. Basierend auf diesem Konzept deutet sich eine potentielle neue Strategie für eine Tumortherapie an, deren Grundlage die kombinierte Adressierung der beiden antiproliferativen Phänomene Seneszenz und Apoptose in soliden Tumorzellen wie dem kolorektalen Karzinom darstellt. / The antiproliferative effects of CX-5461, a RNA Polymerase I (Pol I) inhibitor, measured as half maximal inhibitory concentration (IC50-value) in seven human colorectal cancer cell lines, ranged between IC50=0.7 µmol/L and IC50=3.1 µmol/L CX-5461. In contrast, non-transformed fibroblast control cells demonstrated an IC50-value of 8.1 µmol/L. This difference in IC50 values between tumor cells and normal cells that demonstrate a stronger antiproliferative effect of CX-5461 in tumor cells may open a relevant therapeutic window. CX-5461 induced a persistent state of cell-cycle-arrested cells with senescence-associated (SA) -Galactosidase positivity. CX-5461 negatively influences the ribosome biogenesis that takes place in the nucleolus, a nuclear sub-compartment and the cellular site of transcription of ribosomal DNA and pre-ribosome formation. CX-5461 mediated deficient ribosome biogenesis due to a mismatch of reduced ribosomal RNA (rRNA) synthesis and ribosomal protein synthesis caused nucleolar stress. A nucleolar stress response led to different molecular phenomena within the cell. For CX-5461 induced nucleolar stress, main sequences were the accumulation of ribosomal proteins within the nucleolus and activation of different signal pathways involved in the induction of cell cycle arrest mediated by DNA Damage Response (DDR) signals as well as p53 and retinoblastoma (Rb) dependent pathways. The antiproliferative effects of CX-5461 were enhanced using the pro-apoptotic Bcl-inhibitor and senolytic Navitoclax, inducing apoptosis in the tumor cells. The cellular senescent phenotype as consequence of RNA Pol I inhibition by CX-5461 was sensitive to the pro-apoptotic Navitoclax in contrast to non-senescent cells. The results of this thesis confirm a perspective for an anti-tumor-specific therapeutic strategy addressing the two antiproliferative phenomena senescence and apoptosis in solid tumor cells like the colorectal carcinoma.

Östrogene spielen eine entscheidende Rolle in der Regulation einer Vielzahl physiologischer Prozesse sowohl im reproduktiven als auch im nicht reproduktiven Bereich des menschlichen Körpers. Viele Wirkungen der Östrogene werden über Östrogenrezeptoren vermittelt. Um zu gewährleisten, dass die richtige Menge des Rezeptors zur richtigen Zeit am richtigen Ort ist, ist eine Kontrolle der Expression unabdingbar. Die Ergebnisse vorhergehender Studien legen die Vermutung nahe, dass eine derartige Kontrolle beim ER-Alpha über die Nutzung multipler Promotoren ausgeführt wird. Durch Interaktionen mit spezifischen Transkriptionsfaktoren ermöglicht dieses System eine zell-, entwicklungsstadien- und dignitätsspezifische Expression des Rezeptors. Um diese Hypothese zu überprüfen, wurde in der vorliegenden Arbeit die Nutzung der 8 untranslatierten Exons und des Exons A des ER-Alpha Gens als alternative Transkriptionsstartpunkte bei osteoblastären Zellen, neuronalen Zellen, mesenchymalen Stammzellen und Chondrozyten mittels der RT-PCR Methodik und anschließender Sequenzierung untersucht. So konnte bei allen vier untersuchten Zelltypen eine Nutzung der Exons F, E1, C, B und (A) als alternative Promotoren nachgewiesen werden. Bei neuronalen Zellen, Chondrozyten und mesenchymalen Stammzellen konnte zusätzlich eine Nutzung des Promotors T2 beobachtet werden. Bei osteoblastären und neuronalen Zellen wurde bei Nutzung der Promotoren F und E1 außerdem ein alternativer Spleißvorgang festgestellt. Bei diesem Spleißvorgang dient Exon E1 als Spleißdonor und Exon 2 als Spleißakzeptor. Die dadurch entstehenden mRNA-Isoformen generieren einen um die A/B-Domäne verkürzten ER-Alpha, welcher jedoch funktionell aktiv ist. Die Nutzung der multiplen Promotoren des ER-Alpha Gens bei mesenchymalen Stammzellen und Chondrozyten wurde in der vorliegenden Arbeit erstmalig nachgewiesen. Zusätzlich zu den bisher in der Literatur beschriebenen Exons konnte außerdem erstmalig eine Verwendung der Promotoren E1, B und (A) als alternative Transkriptionsstartpunkte bei osteoblastären Zellen nachgewiesen werden, sowie bei den neuronalen Zellen von Exons E1 und T2. Die Nutzung der Exons E1 und T2 als Transkriptionsstartpunkte konnte in der vorliegenden Arbeit generell zum ersten Mal beobachtet werden. Diese beiden untranslatierten Exons sind bisher nur als zweite zwischengeschaltete Exons beschrieben worden. Die Versuchsergebnisse der vorliegenden Arbeit beweisen somit eine Nutzung von al-ternativen Promotoren des ER-Alpha Gens in allen untersuchten Zellen. Da mit der in der vorliegenden Arbeit verwendeten Methodik keine Aussagen über die quantitative Verteilung der Nutzung der untranslatierten Exons in den untersuchten Zellen gemacht werden können, kann die Bedeutung der einzelnen untranslatierten Exons in den Zellen noch nicht gedeutet werden. Neben einer quantitativen Analyse der Nutzungsmuster in den verschiedenen Zellen wäre auch der Versuch eines partiellen Knockouts einzelner alternativer Promotoren ein Ansatzpunkt für folgende Arbeiten, um die Bedeutung der einzelnen untranslatierten Exons in den Zellen zu erleuchten. Obwohl quantitative Analysen der Nutzung der einzelnen Exons bei den untersuchten Zellen noch ausstehen, deuten die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit darauf hin, dass eine Regulation der Expression von ER-Alpha in den vier Zelltypen über die Nutzung von multiplen Promotoren erfolgen könnte. Eine derartige Regulation des ER-Alpha Gens bietet mehrere Ansatzpunkte der Einflussnahme auf die Expression. Beispielsweise durch Beeinflussung von Transkriptionsfaktoren, die spezifisch an bestimmte Promotoren binden oder durch Herstellung von antisense Oligonukleotiden, welche spezifisch eine bestimmte mRNA-Variante binden, andere hingegen unbeeinflusst lassen. Auch die in der vorliegenden Arbeit erstmalig vorgenommene Untersuchung der un-translatierten Exons des ER-Alpha Gens bei mesenchymalen Stammzellen und Chondrozyten bietet Ansatzpunkte für weiterführende Fragestellungen. Hierzu zählen beispielsweise die Fragen nach der Beeinflussbarkeit der Differenzierung der pluripotenten me-senchymalen Stammzellen durch Veränderungen an den alternativen Promotoren und nach der Nutzung der untranslatierten Exons während der chondrogenen Differenzierung. Diese neuen offenen Fragen führen zu Aufgabenstellungen weitergehender Arbeiten. / Estrogens play an important roll in the regulation of multiple processes in reproduction as in other non-reproductive systems of the human body.Various functions of oestrogen occur over oestrogen receptors. A precise control over the amount of receptor present at a given place and given time is vital. Results of previous investigations suggest that this control function over ER-Alpha is by use of multiple promotors. Through the interaction of specific transcription factors it is possible to achieve a cell-, developement- and origin specific expression of the receptor. To examine this hypothesis the following investigation was made into the use of eight untranslated exons and exons A of the ER-Alpha gene,as alternative transcription starting points in osteoblasts, neuronal cells, mesenchymal stem cells and chrondrocytes using the RT-PCR method and the following sequences. It was shown that in all four examined cell types exons F, E1, C, B and A were used as alternative promotors. Not only was the use of promotor T2 in neuronal cells, chondrocytes and mesenchymal stem cells seen but by osteoblasts and neuronal cells the use of F and E1 showed alternative splicing. In this splicing exon E1 served as a donor and exon 2 as a receiver, the resulting mRNA-Isoform generated ER-Alpha that was shortened of A/B domain which remained functionally active. The following paper describes for the very first time that mesenchymal stem cells and chondrocytes use the multiple promotors of ER-Alpha . The published descriptions of exons can now be extended for the first time to include the function of promotors E1, B and A as alternative transcription starting points in osteoblast cells, as also the use of exons E1 and T2 in the neuronal cells. The use of exons E1 and T2 as alternative transcription starting points was described in the following investigation in general for the first time, whereas these two untranslated exons have only previously been seen to work as secondary intermediate exons. The experimental results prove the utilisation of ER-Alpha gene alternative promotors in all examined cells. As there can be no quantification of the amount of untranslated exons present in the examined cells by the method used, the importance of individual untranslated exons can not be established. Parallel to a quantative analysis of the utilisation pattern in the different cells an experiment to partially knockout single promotors would be an interesting subject for further research into the importance of individual untranslated exon function. Even without the specific knowledge of individual exon function the possibility of regulating the expression of ER-Alpha in the four named cell types through multiple promotors is highly probable given the results of the following paper. Such a regulation of the ER-Alpha gene offers many possibilities to affect the expression of ER-Alpha. For instance through the manipulation of the transcription factors that combine with specific promotors, or by the production of antisense oligonucleotides which combine with a definitive mRNA variant leaving others unchanged. A catalogue of comprehensive questions follow the investigations made in the paper published here for the first time to untranslated exons from the ER gene and their activity in mesenchymal stem cells and chondrocytes. Questions as to the influence on differentiation of multipotent mesenchymal stem cells by changes in the alternative promotors and the use of untranslated exons during the proccess of chondrocyte differentiation. These new questions lead to further investigations and studies in the area of Estrogen receptor expression.

Recent advances in the development of immunoassays and nucleic acid assays have improved the performance and increased the sensitivity of sensors that are based on biochemical recognition. The new approaches taken by researchers include detecting pathogens by detecting their nucleic acids, using new nontoxic reporter entities for generating signals, and downscaling and miniaturizing sensors to micromigration and microfluidic formats. This dissertation connects some of these successful approaches, thereby leading to the development of novel nucleic acid sensors for rapid and easy detection of pathogens. The author's goal was to develop diagnostic tools that enable investigators to detect pathogens rapidly and on site. While the sensors can be used to detect any pathogen, the author first customized them for detecting particularly Cryptosporidium parvum, a pathogen whose detection is important, yet presents many challenges. Chapter 2 of this thesis presents a novel test-strip for the detection of C. parvum. The test-strip is designed to detect nucleic acids rather than proteins or other epitopes. While test strips are commonly used for sensors based on immunological recognition, this format is very new in applications in which nucleic acids are detected. Further, to indicate the presence or absence of a specific target on the test strip, dye-entrapped, oligonucleotide-tagged liposomes are employed. Using liposomes as reporter particles has advantages over using other reporter labels, because the cavity that the phospholipidic membranes of the liposomes form can be filled with up to 106 dye molecules. By using heterobifunctional linkers liposomes can be tagged with oligonucleotides, thereby enabling their use in nucleic acid hybridization assays. The developed test-strip provides an internal control. The limit of detection is 2.7 fmol/mL with a sample volume of 30 mL. In chapter 3 the detection of nucleic acids by means of oligonucleotide-tagged liposomes is scaled down to a microfluidic assay format. Because the application of biosensors to microfluidic formats is very new in the field of analytical chemistry, the first part of this chapter is devoted to developing the design and the method to fabricate the microchip devices. The performance of the microchips is then optimized by investigating the interactions of nucleic acids and liposomes with the material the chips consist of and by passivating the surface of the chips with blocking reagents. The developed microfluidic chip enabled us to reduce the sample volume needed for one assay to 12.5 mL. The limit of detection of this assay was determined to be 0.4 fmol/mL. Chapters 4 and 5 expand on the development of the microfluidic assay. A prototype microfluidic array that is able to detect multiple analytes in a single sample simultaneously is developed. Using such an array will enable investigators to detect pathogens that occur in the same environment, for example, C. parvum and Giardia duodenalis by conducting a single test. The array's ability to perform multiple sample analysis is shown by detecting different concentrations of target nucleic acids. Further, the author developed a microfluidic chip in which interdigitated microelectrode arrays (IDAs) that consist of closely spaced microelectrodes are integrated. The IDAs facilitate electrochemical detection of cryptosporidial RNA. Electrochemical detection schemes offer benefits of technical simplicity, speed, and sensitivity. In this project liposomes are filled with electrochemically active molecules and are then utilized to generate electrochemical signals. Chapter 6 explores the feasibility of liposomes for enhancing signals derived from nucleic acid hybridization in surface plasmon resonance (SPR) spectroscopy. SPR spectroscopy offers advantages because nucleic acid hybridization can be monitored in real time and under homogeneous conditions because no washing steps are required. SPR spectroscopy is very sensitive and it can be expected that, in the future, SPR will be integrated into microfluidic nucleic acid sensors. / Jüngste Fortschritte in der Entwicklung von Immuno- und Nucleinsäure- Assays haben die Arbeitsleistung und die Spezifität von Sensoren, die auf biochemischer Erkennung basieren (Biosensoren), verbessert. Neu entwickelte Methoden umfassen die Detektion von Pathogenen durch die Detektion ihrer RNA oder DNA, das Benutzen von neuen nicht-toxischen Reporter Molekülen, um Signale in Sensoren zu erzeugen, und die Verkleinerung und Miniaturisierung von Sensoren zu Mikromigrations- und Mikrofluid Formaten. Die in dieser Dissertation entwickelten Sensoren, die der Detektion von Pathogenen dienen, verbinden einige der neu entwickelten Methoden. Das Ziel der Autorin war es, Sensoren zu entwickeln, die es ermöglichen, Pathogene an Ort und Stelle zu detektieren. Die entwickelten Sensoren können zur Detektion von einer Reihe von Pathogenen benutzt werden. In dieser Dissertation sind sie für die spezifische Detektion von Cryptosporidium parvum entwickelte worden. Kapitel 2 der Dissertation präsentiert einen neuen Teststreifen für die Detektion von C. parvum. Der Teststreifen detektiert die RNA von C. parvum, die als Reaktion auf einen Hitzeschock produziert wird. Das Teststreifen-Format ist üblich für Sensoren, die auf immunologischer Erkennung basieren. Es ist jedoch neu für Anwendungen in denen RNA oder DNA detektiert werden sollen. Die An- oder Abwesenheit eines bestimmten Ziel Moleküls wird durch Liposomen, die Oligonukleotide auf der Aussenseite ihrer Membranen enthalten und mit Farbstoff gefüllt sind, angedeutet. Die Experimente zeigten, dass die mit dem entwickelten Test-Streifen kleinste detektierbare Konzentration von RNA in einem 30 mL Probenvolumen 2.7 fmol/mL ist. In Kapitel 3 ist die Signalerzeugung durch Liposomen in ein Mikrofliess-System integriert. Da die Entwicklung von Mikrofliess-Systemen ein sehr neues Forschungsgebiet ist, befasst sich ein Teil dieses Kapitels mit dem Design und der Herstellung des Microchips. Die Untersuchung von Interaktionen von Nukleinsäuren und Liposomen mit dem Material aus dem der Chip hergestellt ist und die Passivierung dieses Materials ist dabei ein Schwerpunkt. Das Probenvolumen, dass zur Detektion mit dem entwickelten Mikrofliess-Sensor nötig ist, konnte auf 12.5 mL reduziert werden. Die kleinste detektierbare Konzentration von Nucleinsäuren ist 5 fmol/mL. In Kapitel 4 und 5 erweitert die Autorin die Entwicklung des Mikrofliess-Sensors aus Kapitel 3. Das Detektionsformat ist auf ein Array, das für die gleichzeitige Detektion von mehreren Pathogenen benutzt werden kann, angewandt. Eine Methode zum Herstellen eines Arrays-Prototypen ist entwickelt. Ferner, stellte die Autorin verzahnte Mikroelektroden her und benutzte diese um die elektrochemische Detektion der RNA von C. parvum zu ermöglichen. In Kapitel 6 ist die Anwendbarkeit von Liposomen zur Erhöhung von Signalen von Nukleinsäure-Hybridisierungen in Surface Plasmon Resonance Spectroscopy (SPR) untersucht.

Als Teil des angeborenen Immunsystems spielen Natürliche Killer(NK)- Zellen eine entscheidende Rolle in der Interaktion mit Pathogenen und Tumorzellen. Mithilfe der RNA-Interferenz bestimmter Gene wie beispielsweise CD56 könnten Hinweise auf die genaue Funktionsweise der NK-Zellen gewonnen werden. Ziel dieser Arbeit war es eine geeignete Transfektionsmethode zum Einführen von siRNA in NK-Zellen zu finden, welche eine hohe Transfektionseffizienz bei gleichzeitig hoher Zellviabilität aufweist. Hierfür wurden drei verschiedene Lipofektionsreagenzien und sechs verschiedene Elektroporationsprogramme verglichen. Zunächst wurde die Transfektionseffizienz mit an AF488 gekoppelter negativer siRNA per Fluoreszenzmikroskopie und Durchflusszytometrie evaluiert und jeweils das effizienteste Lipofektionsreagenz bzw. Elektroporationsprogramm ausgewählt. Mit diesen wurde anschließend eine Herunterregulation des CD56-Gens mit CD56-siRNA per RNA-Interferenz versucht. Die CD56-Gen-Expression wurde auf Proteinebene per Durchflusszytometrie und auf mRNA-Ebene per PCR (Polymerase-Ketten-Reaktion) evaluiert. / As a part of the innate immune system Natural Killer (NK) cells play a crucial role in the interaction with pathogens and tumor cells. Using RNA interference of special genes like CD56 may lead to a better understanding of the function of NK cells. The aim of this work was to find a suitable transfection method to introduce siRNA into NK cells which shows a high transfection efficiency and at the same time a high cell viability. Three different lipofection reagents and six different electroporation programs were compared. Initially, the transfection efficiency was evaluated with AF488-tagged negative siRNA by fluorescence microscopy and flow cytometry and the most efficient lipofection reagent and electroporation program were chosen. Using these a knockdown of the CD56 gene was tried by RNA interference with CD56 siRNA. The CD56 gene expression was evaluated on the protein level by flow cytometry and on the mRNA level by PCR (polymerase chain reaction).