Stuttgart, Univ., Fakultät Informatik, Diplomarb., 1998.

Techn. University, Diss., 2004--Berlin.

Techn. University, Diss., 2000--Darmstadt.

Zugl.: Siegen, Univ., Diss., 2009

Techn. University, Diss., 2003--Darmstadt.

Glycosaminoglycans are known to bind biological mediators thereby modulating their biological activity. Sulfated hyaluronans (sHA) were reported to strongly interact with transforming growth factor (TGF)-β1 leading to impaired bioactivity in fibroblasts. The underlying mechanism is not fully elucidated yet. Examining the interaction of all components of the TGF-β1:receptor complex with sHA by surface plasmon resonance, we could show that highly sulfated HA (sHA3) blocks binding of TGF-β1 to its TGF-β receptor-I (TβR-I) and -II (TβR-II). However, sequential addition of sHA3 to the TβR-II/TGF-β1 complex led to a significantly stronger recruitment of TβR-I compared to a complex lacking sHA3, indicating that the order of binding events is very important. Molecular modeling suggested a possible molecular mechanism in which sHA3 could potentially favor the association of TβR-I when added sequentially. For the first time bioactivity of TGF-β1 in conjunction with sHA was investigated at the receptor level. TβR-I and, furthermore, Smad2 phosphorylation were decreased in the presence of sHA3 indicating the formation of an inactive signaling complex. The results contribute to an improved understanding of the interference of sHA3 with TGF-β1:receptor complex formation and will help to further improve the design of functional biomaterials that interfere with TGF-β1-driven skin fibrosis.

Glycosaminoglycans are known to bind biological mediators thereby modulating their biological activity. Sulfated hyaluronans (sHA) were reported to strongly interact with transforming growth factor (TGF)-β1 leading to impaired bioactivity in fibroblasts. The underlying mechanism is not fully elucidated yet. Examining the interaction of all components of the TGF-β1:receptor complex with sHA by surface plasmon resonance, we could show that highly sulfated HA (sHA3) blocks binding of TGF-β1 to its TGF-β receptor-I (TβR-I) and -II (TβR-II). However, sequential addition of sHA3 to the TβR-II/TGF-β1 complex led to a significantly stronger recruitment of TβR-I compared to a complex lacking sHA3, indicating that the order of binding events is very important. Molecular modeling suggested a possible molecular mechanism in which sHA3 could potentially favor the association of TβR-I when added sequentially. For the first time bioactivity of TGF-β1 in conjunction with sHA was investigated at the receptor level. TβR-I and, furthermore, Smad2 phosphorylation were decreased in the presence of sHA3 indicating the formation of an inactive signaling complex. The results contribute to an improved understanding of the interference of sHA3 with TGF-β1:receptor complex formation and will help to further improve the design of functional biomaterials that interfere with TGF-β1-driven skin fibrosis.

Sustainably realizing applications of the future with high performance demands requires that energy efficiency becomes a central design criterion for the entire system. For example, the power consumption of the analog-to-digital converter (ADC) can become a major factor when transmitting at large bandwidths and carrier frequencies, e.g., for ultra-short range high data rate communication. The consumed energy per conversion step increases with the sampling rate such that high resolution ADCs become unfeasible in the sub-THz regime at the very high sampling rates required. This makes signaling schemes adapted to 1-bit quantizers a promising alternative. We therefore quantify the performance of bandlimited 1-bit quantized wireless communication channels using techniques like oversampling and faster-than-Nyquist (FTN) signaling to compensate for the loss of achievable rate. As a limiting case, we provide bounds on the mutual information rate of the hard bandlimited 1-bit quantized continuous-time – i.e., infinitely oversampled – additive white Gaussian noise channel in the mid-to-high signal-to-noise ratio (SNR) regime. We derive analytic expressions using runlength encoded input signals. For real signals the maximum value of the lower bound on the spectral efficiency in the high-SNR limit was found to be approximately 1.63 bit/s/Hz. Since in practical scenarios the oversampling ratio remains finite, we derive bounds on the achievable rate of the bandlimited oversampled discrete-time channel. These bounds match the results of the continuous-time channel remarkably well. We observe spectral efficiencies up to 1.53 bit/s/Hz in the high-SNR limit given hard bandlimitation. When excess bandwidth is tolerable, spectral efficiencies above 2 bit/s/Hz per domain are achievable w.r.t. the 95 %-power containment bandwidth. Applying the obtained bounds to a bandlimited oversampled 1-bit quantized multiple-input multiple-output channel, we show the benefits when using appropriate power allocation schemes. As a constant envelope modulation scheme, continuous phase modulation is considered in order to relieve linearity requirements on the power amplifier. Noise-free performance limits are investigated for phase shift keying (PSK) and continuous phase frequency shift keying (CPFSK) using higher-order modulation alphabets and intermediate frequencies. Adapted waveforms are designed that can be described as FTN-CPFSK. With the same spectral efficiency in the high-SNR limit as PSK and CPFSK, these waveforms provide a significantly improved bit error rate (BER) performance. The gain in SNR required for achieving a certain BER can be up to 20 dB. / Die nachhaltige Realisierung von zukünftigen Übertragungssystemen mit hohen Leistungsanforderungen erfordert, dass die Energieeffizienz zu einem zentralen Designkriterium für das gesamte System wird. Zum Beispiel kann die Leistungsaufnahme des Analog-Digital-Wandlers (ADC) zu einem wichtigen Faktor bei der Übertragung mit großen Bandbreiten und Trägerfrequenzen werden, z. B. für die Kommunikation mit hohen Datenraten über sehr kurze Entfernungen. Die verbrauchte Energie des ADCs steigt mit der Abtastrate, so dass hochauflösende ADCs im Sub-THz-Bereich bei den erforderlichen sehr hohen Abtastraten schwer einsetzbar sind. Dies macht Signalisierungsschemata, die an 1-Bit-Quantisierer angepasst sind, zu einer vielversprechenden Alternative. Wir quantifizieren daher die Leistungsfähigkeit von bandbegrenzten 1-Bit-quantisierten drahtlosen Kommunikationssystemen, wobei Techniken wie Oversampling und Faster-than-Nyquist (FTN) Signalisierung eingesetzt werden, um den durch Quantisierung verursachten Verlust der erreichbaren Rate auszugleichen. Wir geben Grenzen für die Transinformationsrate des Extremfalls eines strikt bandbegrenzten 1-Bit quantisierten zeitkontinuierlichen – d.h. unendlich überabgetasteten – Kanals mit additivem weißen Gauß’schen Rauschen bei mittlerem bis hohem Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) an. Wir leiten analytische Ausdrücke basierend auf lauflängencodierten Eingangssignalen ab. Für reelle Signale ist der maximale Wert der unteren Grenze der spektralen Effizienz im Hoch-SNR-Bereich etwa 1,63 Bit/s/Hz. Da die Überabtastrate in praktischen Szenarien endlich bleibt, geben wir Grenzen für die erreichbare Rate eines bandbegrenzten, überabgetasteten zeitdiskreten Kanals an. Diese Grenzen stimmen mit den Ergebnissen des zeitkontinuierlichen Kanals bemerkenswert gut überein. Im Hoch-SNR-Bereich sind spektrale Effizienzen bis zu 1,53 Bit/s/Hz bei strikter Bandbegrenzung möglich. Wenn Energieanteile außerhalb des Frequenzbandes tolerierbar sind, können spektrale Effizienzen über 2 Bit/s/Hz pro Domäne – bezogen auf die Bandbreite, die 95 % der Energie enthält – erreichbar sein. Durch die Anwendung der erhaltenen Grenzen auf einen bandbegrenzten überabgetasteten 1-Bit quantisierten Multiple-Input Multiple-Output-Kanal zeigen wir Vorteile durch die Verwendung geeigneter Leistungsverteilungsschemata. Als Modulationsverfahren mit konstanter Hüllkurve betrachten wir kontinuierliche Phasenmodulation, um die Anforderungen an die Linearität des Leistungsverstärkers zu verringern. Beschränkungen für die erreichbare Datenrate bei rauschfreier Übertragung auf Zwischenfrequenzen mit Modulationsalphabeten höherer Ordnung werden für Phase-shift keying (PSK) and Continuous-phase frequency-shift keying (CPFSK) untersucht. Weiterhin werden angepasste Signalformen entworfen, die als FTN-CPFSK beschrieben werden können. Mit der gleichen spektralen Effizienz im Hoch-SNR-Bereich wie PSK und CPFSK bieten diese Signalformen eine deutlich verbesserte Bitfehlerrate (BER). Die Verringerung des erforderlichen SNRs zur Erreichung einer bestimmten BER kann bis zu 20 dB betragen.

Spezialisierung Theoretische Biologie / Obwohl die Krebstherapie im letzten Jahrhundert große Fortschritte gemacht hat, bleibt die Resistenz gegen medikamentöse Behandlungen ein großes Hindernis im Kampf gegen den Krebs. In dieser Arbeit habe ich ein R-Paket namens STASNet entwickelt, das semi-quantitative Modelle der Signaltransduktion aus Signalisierungs-Störungsantwortdaten unter Verwendung von Least Square Modular Response Analysis-Modellen generiert. Um zu untersuchen, wie gut STASNet die Aktivität von Signalwegen quantifizieren kann, haben wir Perturbationsdaten von einem Paar isogener Darmkrebszelllinien mit und ohne SHP2-Knock-out, einem bekannten Resistenzmechanismus bei dieser Krebsart, verwendet. Ich habe dann untersucht die Resistenz gegen die MEK- und ALK-Hemmung beim Neuroblastom, einem pädiatrischen Krebs mit schlechter Prognose. Ein Wirkstoffscreening zeigte, dass der MEK-Inhibitor Selumetinib ein Panel von Neuroblastom-Zelllinien in drei sensitive und sechs resistente Zelllinien trennte, dass konnte nicht mit einzelnen molekularen Markern erklärt. STASNet-Modelle zeigten, dass die starke Resistenz gegen Selumetinib durch eine starke Rückkopplung von ERK auf MEK oder eine vielschichtige Rückkopplung sowohl auf MEK als auch auf IGF1R getrieben wurde. Aus dem Modell konnte eine kombinatorische Therapie abgeleitet werden, die auf MEK in Kombination mit entweder RAF oder IGF1R abzielt, je nach Art der in der Zelllinie vorhandenen Rückkopplungen. Schließlich ergab die Untersuchung der Wirkung von NF1-KO auf die Signalübertragung, dass der Verlust von NF1 den MAPK-Weg für die Liganden-induzierte Aktivierung hypersensibilisierte, aber das ERK-RAF-Rückkopplung störte. Die Erkenntnisse aus den in dieser Arbeit entwickelten Modellen werden somit dazu beitragen, personalisierte Kombinationen von Inhibitoren zu entwerfen, die als Zweitlinientherapie nach molekularer Untersuchung der Tumorreaktion auf die Erstbehandlung eingesetzt werden könnten. / Cancer therapy has seen immense progress over the last century but resistance to drug treatments remains a major obstacle in the war against cancer. I developed an R package named STASNet to generate models of signal transduction from signalling perturbation-response data using Least Square Modular Response Analysis models. I used these models to study how differences in signal transduction relate to drug resistance and can be used to make predictions about resistance mechanisms and optimal treatments. To show how STASNet can accurately quantify the activity of signalling pathways, I used perturbation data from a pair of isogenic colon cancer cell line with and without SHP2 knock-out, a known resistance mechanism in this cancer type, which showed that MAPK signalling is more affected by SHP2 knock-out than PI3K signalling, confirming the role of SHP2 as a primary MAPK component. I investigated resistance to MEK and ALK inhibition in neuroblastoma, a pediatric cancer with a dismal prognosis. The MEK inhibitor Selumetinib separated a panel of neuroblastoma cell lines into three sensitive and six resistant cell lines that could not be explained with individual molecular markers. STASNet models trained on perturbation-response data from these cell lines revealed that the strong resistance to Selumetinib was driven by a strong feedback from ERK to MEK or a multi-layered feedback to both MEK and IGF1R. This was confirmed by phosphoproteomics and suggested a therapy targeting MEK in combination with either RAF or IGF1R depending on the type of feedback present in the cell line that was confirmed experimentally. Finally, studying the effect of NF1-KO on signalling revealed that the loss of NF1 hyper-sensitized the MAPK pathway to ligand-induced activation but disrupted the ERK-RAF feedback. Those insights to design personalized combinations of inhibitors that could be used as second line therapy after molecularly monitoring the tumor response to the initial treatment.

Modularität ist ein wiederkehrendes Thema in biologischen Netzwerken, in denen sich unabhängige Elemente wiederholen und neu zusammensetzen, um neue Funktionen zu erzeugen. In der angeborenen Immunität sind supramolekular organisierende Zentren (SMOCs) ein Beispiel für Modularität, die durch eine ligandeninduzierte komplexe Selbstassemblierung gekennzeichnet sind und deren Signalkomponenten in ihrer lokalen Konzentration zunehmen. Das Myddosom ist ein SMOC, das sich als Reaktion auf den Liganden IL-1, ein wichtiges proinflammatorisches Zytokin, zusammensetzt. Der Myddosom-vermittelte IL-1-Signalweg wurde mit biochemischen Methoden umfassend charakterisiert, doch Informationen zur Dynamik sind weiterhin begrenzt. Es gibt widersprüchliche Berichte darüber, wie die Proteine des IL-1-Signalwegs zusammengesetzt werden, und es ist nicht bekannt, ob die Komplexe des IL-1-Signalwegs wieder abgebaut werden. In dieser Arbeit wurde die Dynamik der Myddosom-vermittelten IL-1-Signaltransduktion untersucht, wobei eine völlig neue Hochdurchsatz-Bildanalyse-Pipeline, eine Phasenporträtanalyse, ein neuartiger Mikroskopie-Assay und CRISPR/Cas9-editierte lebende Lymphomzelllinien kombiniert wurden. Hier zeige ich, dass der Aufbau des IL-1-Signalwegs sequenzielle Schritte, eine ligandeninduzierte De-novo-Oligomerisierung, Proteine, die die Oligomergröße regulieren, und zwei Module umfasst: das Myddosom und die NF-κB-Signalosome. Das stromaufwärts gelegene Myddosom-Signalosom (MyD88, IRAK4, IRAK1, TRAF6, TAB2) erscheint zuerst, zeigt keine Erholung in FRAP-Experimenten und zeigt eine positive interne Rückkopplung. Das nachgeschaltete NF-κB-Signalosom (HOIL1, NEMO, RelA, A20) erscheint später, erholt sich nach FRAP und reguliert das Myddosom-Signalosom negativ. Ich zeige auch zum ersten Mal, dass sich der IL-1-Signalweg nach Überschreiten eines kritischen stöchiometrischen Verhältnisses auflöst und dass dynamische Gleichungen den Zusammenbau und den Abbau nachbilden können. Diese Ergebnisse zeigen, wie ein SMOC-abhängiger Signalweg Modularität zur Regulierung einsetzt. Das Verständnis von Signalisierungsmodulen ist von großer Bedeutung für die Aufklärung der regulatorischen Schaltkreise in biologischen Netzwerken. Meine Hochdurchsatz-Pipeline bietet einen vielversprechenden Ansatz, um dieses Ziel zu erreichen. / Modularity is a recurring theme in biological networks where independent elements repeat and shuffle to produce novel functions. In innate immunity, supramolecular organizing centers (SMOCs) are an example of modularity, characterized by ligand-induced complex self-assembly, and signaling components increase in local concentration. The Myddosome is a SMOC that assembles in response to the ligand IL-1, a vital proinflammatory cytokine. The Myddosome-mediated IL-1 signaling pathway has been extensively characterized using biochemical methods, yet dynamic information remains limited. There are conflicting reports of how the IL-1 pathway proteins assemble, and it is unknown whether IL-1 pathway complexes disassemble. This thesis investigated the Myddosome-mediated IL-1 signal transduction dynamics, combining a completely new high-throughput image analysis pipeline, phase portrait analysis, a novel microscopy assay, and CRISPR/Cas9-edited live lymphoma cell lines. Here, I show that the IL-1 pathway assembly has sequential steps, ligand-induced de novo oligomerization, proteins regulating oligomer size, and two modules: the Myddosome and NF-κB signalosomes. The upstream Myddosome signalosome (MyD88, IRAK4, IRAK1, TRAF6, TAB2) appears first, has no FRAP recovery, and shows positive internal feedback. The downstream NF-κB signalosome (HOIL1, NEMO, RelA, A20) appears later, recovers after FRAP, and negatively regulates the Myddosome signalosome. I also show, for the first time, that the IL-1 pathway disassembles after crossing a critical stoichiometric ratio, and that dynamical equations can recapitulate assembly-disassembly. These results demonstrate how a SMOC-dependent pathway uses modularity to achieve regulation. Understanding signaling modules holds significant implications for elucidating the regulatory circuitry in biological networks. My high-throughput pipeline offers a promising approach to achieving this objective.