Tfap2a gehört zur Familie der AP-2-Transkriptionsfaktoren. Heterozygote Mutationen von TFAP2A im Menschen führen zum Branchio-Okulo-Fazialen-Syndrom (BOFS) und sind mit Nierenanomalien assoziiert. Molekulare Mechanismen, die zu diesen BOFS-assoziierten Nierenanomalien führen, sind noch unbekannt. In diesem Projekt wurde die Expression von Mitgliedern der AP-2-Familie in neugeborenen und erwachsenen Wildtyp-Mäusen analysiert. Tfap2a wurde in der Ureterknospe und der distalen Region des S-förmigen Körpers in den Nieren neugeborener Mäuse exprimiert. Die Expression blieb in ausgereiften distalen Tubuli und Sammelrohren erhalten. Tfap2b, ein zweites Mitglied der AP-2-Familie, das in der Niere exprimiert wird und mit Zystenbildung assoziiert ist, wurde im aufsteigenden Ast der Henleschen Schleife sowie in den distalen Tubuli und dem in der Nierenrinde liegenden Sammelrohr exprimiert. Um die Rolle von Tfap2a in der Niere zu untersuchen, wurden Mäuse mit einer sammelrohrspezifischen Deletion von Tfap2a (Tfap2a-KO) erzeugt. Phänotypische und morphologische Analysen ergaben, dass Tfap2a-KO-Mäuse mäßig reduzierte Nierengewichte und eine fortschreitende Dilatation der äußeren medullären Sammelrohre aufwiesen. Einzelkern- und RNA-Sequenzierung der Nieren adulter Mäuse zeigte eine deregulierte Expression von Genen, die mit der Organisation von Aktinfilamenten, Zelladhäsion, Wnt-Signalen und anderen Signalwegen der Nierenentwicklung in Verbindung stehen. In einem isolierten Modell von kultivierten Sammelrohrzellen mit einer Deletion von Tfap2a waren ähnliche Signalwege dereguliert. Insgesamt deutet diese Studie darauf hin, dass Tfap2a für die Differenzierung des Sammelrohrepithels und die Regulierung des Durchmessers des Tubuluslumens erforderlich ist. Dies ermöglicht Einblicke in die molekularen Grundlagen der beim BOFS beobachteten Nierenfehlbildungen. / The transcriptional regulator Tfap2a is part of the AP-2 transcription factor family. Heterozygous mutations of TFAP2A in humans lead to branchio-oculo-facial syndrome (BOFS) and are associated with renal anomalies. Molecular mechanisms leading to BOFS-associated renal anomalies are still unknown. In this project, expression patterns of AP-2 family members were analyzed in newborn and adult wildtype mice. Tfap2a was expressed in the ureteric bud and distal region of the S-shaped body in kidneys of newborn mice. Expression was maintained in mature distal tubules and collecting ducts. Tfap2b, a second AP-2 family member expressed in the kidney and associated with cyst formation, was found in the ascending limb and showed overlapping expression with Tfap2a in distal tubules and the cortical collecting duct. To investigate the role of Tfap2a in the kidney, mice with a collecting duct-specific deletion of Tfap2a (Tfap2a-KO) were generated by crossing mice carrying a Cre-recombinase under the Hoxb7 promotor and mice with floxed Tfap2a alleles. Phenotypic and morphological analyses revealed that Tfap2a-KO mice displayed moderately reduced kidney weights and a progressive dilation of outer medullary collecting ducts. Single-nucleus and bulk RNA sequencing of kidneys of three months old Tfap2a-KO mice and littermate controls indicated deregulated expression of genes associated with actin filament organization, cell adhesion, Wnt signaling, and other kidney developmental pathways. Genes deregulated in Tfap2a-deficient mice included several genes previously implicated in the development of congenital anomalies of the kidney and urinary tract. In an isolated model of cultured collecting duct cells carrying a Tfap2a knockout similar pathways were deregulated. Taking together, this study indicates that Tfap2a is required for collecting duct epithelium differentiation and tubular lumen diameter regulation, providing insights into the molecular basis of renal defects observed in BOFS.

Viele biologische Prozesse im Verhalten von ganzen Organismen, aber auch in den Prozessen und der biochemischen Zusammensetzung von Zellen zeigen einen zirkadianen Rhythmus, also einen Rhythmus mit einer Periode von etwa 24 Stunden. Diese 24-Stunden-Rhythmen sind in der Genexpression auf allen Ebenen zu finden: von der Tran- skriptionsinitiation bis zur Proteindegradation. Auf Transkriptebene, zirkadiane mRNA-Produktion und mRNA-Abundanz ist umfassend gemessen. Auf der anderen Seite, zirkadiane posttranskriptionelle Regulation ist weit weniger verstanden. In dieser Arbeit untersuche ich, wie bisher ungemessene, posttranskriptionelle Prozesse die rhythmischen Eigenschaften der Genexpression beeinflussen. Dazu beschreibe ich die Lebensstadien eines Bio-Moleküls mit einem Modell-Motiv, einer einfachen Differentialgleichung mit zeitabhängigen, rhythmischen Raten. Als erstes diskutiere ich die Einschränkungen von Phase und Amplitude zirkadianer Transkripte, die nur von konstanter PTR beeinflusst werden. Bei vielen gemessenen Transkripten sind diese Einschränkungen verletzt. In diesen Fällen muss es eine rhythmische PTR geben. Ich untersuche, welche rhythmische PTR diese Fälle erklären können und führe einen statistischen Test ein, der auf unbeobachtete, rhythmische PTR testet. Durch die Analyse zweier Datensätze von Mausleber und -niere finde ich, dass 18% aller zirkadianen Gene in Niere und 34% in Leber rhythmisch posttranskriptionell reguliert sind. Im zweiten Teil analysiere ich weitere Aspekte von PTR in einem Hypothesen-getriebenen Ansatz. Ich zeige, dass Spleißen mit einem Rhythmus von 24 Stunden 12 Stunden-Rhythmen in der Abundanz von mRNA erzeugen kann. Als nächstes schlage ich ein Modell vor, das rhythmische Degradation von Mitgliedern der zirkadianen Uhr beschreibt. Schließlich erweitere ich das Modell-Grundmotiv zu einer partiellen Differentialgleichung (PDG), die das “Altern” von Molekülen beschreibt. / In almost all organisms on Earth, many behavioral, physiological, and biochemical activities oscillate with a circadian rhythm, a rhythm with a period of about 24 hours. In gene expression, the 24-hour-rhythm can be found on all stages: from transcription initiation to protein degradation. On the transcript level, circadian mRNA production and mRNA abundance are comprehensively charted through numerous genome-wide high throughput studies. Circadian post-transcriptional regulation, however, is less well understood. In this thesis, I will investigate how unobserved post-transcriptional processes influence rhythmic properties of gene expression. To this end, I quantify the life-stages of biomolecules using one modeling motif, a simple ordinary differential equation describing production and degradation with time-dependent rhythmic rates. This basic modeling motif is systematically varied to examine and discuss various influences of post-transcriptional regulation (PTR) on circadian mRNA expression. I first discuss the restrictions of rhythmic phase and amplitude of circadian transcripts influenced by non-rhythmic PTR. For many genes these restrictions are violated and we have to assume the existence of a rhythmic PTR. I discuss which rhythmic PTR can explain these findings and further introduce a statistical test to quantify the extent of unobserved rhythmic PTR. Analyzing two data sets on mouse liver and kidney, I find that 18% of circadian genes in kidney and 34% in liver are under rhythmic post-transcriptional control. In a second part, I analyze more specific aspects of PTR in a hypothesis-driven approach. Firstly, I find that splicing with a rhythm of 24 hours is able to generate 12-hour rhythms in abundance of mature mRNA. Secondly, I propose and analyze a model to investigate rhythmic degradation of core clock genes. And finally, I extend the core modeling motif to a partial differential equation (PDE) model that accounts for the “aging” process of molecules.

Der Transkriptionsfaktor CCAAT/enhancer-binding Protein β (C/EBPβ) reguliert die Expression zahlreicher Gene, welche die Proliferation, Differenzierung und Seneszenz in hämatopoietischen Zellen, Adipozyten und Leukämiezellen kontrollieren. Um diese mannigfaltigen Aufgaben zu erfüllen interagiert C/EBPβ mit zahlreichen Kofaktoren und Proteinen der Transkriptionsregulations-Maschinerie. Da das funktionale Netzwerk von C/EBPβ und seinen zahlreichen Kooperationspartnern bis heute nicht vollständig entziffert ist, ist es das Ziel dieser Arbeit das Netzwerk aus Interaktionspartnern und C/EBPβ regulierten Proteinen in Leukämiezelllinien und darüber hinaus zu erforschen und aufzudecken. Das Interaktom von C/EBPβ wurde mittels einer Kombination aus einem membranbasierten Peptid-Interaktions Testverfahrens (APS) und endogener Immunprezipitationen mit gekoppelter MS-Analyse untersucht. Außerdem wurde die Proteinmenge von C/EBPβ und von potentiell von C/EBPβ regulierten Proteinen mittels proteomischer MS-Analyse in C/EBPβ Knock-out- und Leukämiezelllinien untersucht. Die Protein-Interaktionsversuche ergaben epigenetische und allgemeine transkriptionsregulierende Proteine, sowie Chromatinstruktur modellierende Faktoren, die mit C/EBPβ interagieren. Zusätzlich konnten neue Interaktionen von C/EBPβ mit Kondensin- und Kinetochorproteinen beobachtet werden. Die Versuchsergebnisse eröffnen überdies neue Interaktionen von C/EBPβ mit DNA Reparatur und Apoptose assoziierten Proteinen. Interessanterweise konnten auch Komponenten des Spliceosomes und RNA-prozessierende Proteine als Interaktoren von C/EBPβ identifiziert werden. Zusammenfassend ermöglicht diese Studie nicht nur die Verifikation von bereits bekannten Proteininteraktionen von C/EBPβ, sondern eröffnet zahlreiche weitere zukünftige Forschungsfelder bezüglich des Interaktionsnetzwerkes von C/EBPβ in Leukämien, sowie anderen Zellarten und Geweben. / The basic leucine zipper transcription factor CCAAT/enhancer-binding protein β (C/EBPβ) regulates the expression of various genes that control the proliferation, differentiation and senescence of haematopoietic cells, adipocytes and leukemia cells. To facilitate its multifaceted functions C/EBPβ interacts with a collection of cofactors and proteins of the transcription regulation machinery. As the functional network of C/EBPβ and its numerous cooperation partners is still incomplete this study attempted to analyze interaction partners and downstream proteins of C/EBPβ in leukemia cells and beyond. A combinatory approach of an array based peptide-interaction screening (APS) and endogenous shotgun IP-MS from leukemia cell lines was applied to elucidate the interactome of C/EBPβ. Moreover, C/EBPβ abundance and potential C/EBPβ regulated proteins were determined by MS proteomics in C/EBPβ knockout and leukemia cell lines. The interaction screenings revealed proteins associated with the general and epigenetic regulation of transcription, with chromatin remodeling and mitotic chromatin organization as well as cell cycle regulation. Additionally, new interactions of C/EBPβ with condensin and kinetochore proteins could be elucidated. The data reports of novel C/EBPβ interactors involved in DNA repair and apoptosis. In addition, components of the spliceosome and RNA-processing were detected. Altogether this study verifies known and reveals various novel interactions of the transcription factor C/EBPβ and augments the network of previous reported interactions and potential cooperation partners. The here collected data discloses new subjects for further research concerning the interaction network of C/EBPβ during cell differentiation and in leukemia.

Die Komposition der Skelettmuskulatur resultiert aus der fein abgestimmten Balance von Proteinauf- und Abbaumechanismen. Die Skelettmuskelatrophie kann in verschiedenen Situationen entstehen bzw. von diversen Krankheiten ausgelöst werden (Altern, Hunger, Krebs, Nervenschädigung, Kachexie) und ist meist die Folge von gesteigertem Proteinabbau, der die Proteinsynthese überwiegt. Der Muskelabbau ist physiologisch teilweise sinnvoll und dient der Notversorgung von lebenswichtigen Organen mit Lipiden, Aminosäuren und Glukose. Insgesamt ist eine funktionsfähige Muskulatur sehr wichtig, sowohl für Gesunde als auch Erkrankte, da bei Muskelatrophie auslösenden Erkrankungen das Gesamtüberleben wesentlich verringert ist und die Lebensqualität der Patienten enorm reduziert ist. Der Abbau von strukturellen Muskelproteinen wurde hauptsächlich dem Ubiquitin-Proteasom System zugeschrieben, dessen Regulation und von seinen einzelnen Enzymen muss genauestens verstanden sein, um in der Zukunft zielgerichtete Therapien entwickeln zu können. Eines der zentralen Enzyme in der Skelett- und Herzmuskelatrophie ist die E3 Ubiquitin Ligase MuRF1. In nahezu allen Modellen für Muskelatrophie wurde eine starke Zunahme der Expression von MuRF1 beschrieben. Betrachtet man die sehr zentrale Rolle von MuRF1 im UPS, dort vermittelt MuRF1 den Abbau von strukturellen Proteinen des Sarkomers, und der beobachteten starken Regulation bei diversen Atrophie-Modellen, wird klar, wie wichtig das Verständnis der transkriptionellen Regulation von MuRF1 selbst ist. In den letzten Jahren wurden bereits einige Transkriptionsfaktoren identifiziert, die an der Regulation von MuRF1 bei verschiedenen Atrophie-Modellen beteiligt sind, die Studien zeigten aber auch, dass noch nicht alle Modelle erklärt werden konnten. Um die verbleibenden Wissenslücken zu füllen, wurde in dieser Studie nach neuen transkriptionellen Regulatoren von MuRF1 gesucht und deren Beteiligung an bereits bekannten Signalwegen analysiert. / Skeletal muscle mass is permanently balanced as a result of fine tuned protein synthesis and degradation mechanisms. Skeletal muscle atrophy occurs when protein degradation exceeds protein synthesis, which happens in a variety of conditions, such as aging, starvation, cancer, cachexia or denervation. Degradation of muscle mass can sometimes be useful, e.g. as source for lipids, amino acids and glucose in case of critical malnutrition as well as several other physiological conditions. But a solid composition and thereby functional maintenance of muscles is necessary for healthy individuals as well as individuals suffering from atrophy releasing diseases as to retain their mobility and to preserve full heart functions. Since degradation of structural proteins in muscle tissue has been addressed mainly to the ubiquitin-proteasome-system, the regulation of the participating components needs to be understood in detail to develop constructive treatments and therapies for atrophy prevention. One of the key enzymes in skeletal and heart muscle atrophy is the E3 ubiquitin ligase MuRF1. Its expression levels and protein content was found to be elevated in almost every know atrophy model. MuRF1 is very critical for the muscles composition and thus their functional integrity, as it marks and initiates degradation of structural and contractile proteins via the UPS. Since MuRF1 plays a prominent role in muscle atrophy, its transcriptional regulation needs to be well understood to develop effective therapies for all the different atrophy models MuRF1 has been linked to. Several transcription factors have been identified to regulate MuRF1 at different ratios and in diverse atrophy models. Importantly, they do not explain all MuRF1 inducing events observed. To fill some of the remaining knowledge gaps, the studies aims were to find new transcriptional regulators for MuRF1 and to analyze potential involvements of the obtained candidates in pathways affecting skeletal muscle atrophy.

Wir fanden konservierte molekulare Signaturen der Regulation durch Δ7-DA und Ascarosid bei Dauer- und infektiösen Larven. Danach wurde die hohe Konservierung durch unsere Analyse in Dauer- und Postdauer-Stadium zwischen den zwei nah verwandten freilebenden Arten C. elegans und C. briggsae identifiziert. Das heißt, dass die relative Veränderung auf mRNA- oder Protein- Ebene zwischen zwei Arten stark korreliert ist. Aber die relative Veränderung innerhalb derselben Art zeigt keine hochgradige Korrelation zwischen mRNA- und Protein-Ebene. Unsere Ergebnisse zeigen in C. elegans Dauerlarven die signifikante Reduzierung der RNA-Mengen in 20 Stoffwechselwegen. Im Gegensatz dazu speicherten Dauerlarven reichlich RNA-Mengen in GO Termen wie Ribosome und Aminoacyl-tRNA biosynthesis. Auf Protein-Ebene sind die Stoffwechselwege von Proteinsynthese und Proteinverarbeitung im endoplasmatischen Retikulum in Dauerlarven herunterreguliert und GO Terme wie Lysosome sind hochreguliert. Durch die Zeitreihenanalyse der Proteom-Remodellierung der molekularen Signaturen beim Austritt aus dem Dauer-Stadium fand wir, dass GO Terme wie metal ion binding signifikant herunterreguliert sind und der Proteinabbau hochreguliert ist. Unsere Ergebnisse vom pSILAC Experiment deuten an, dass die Proteine für Energieerzeugung und Chaperone/Proteinfaltung beim Daueraustritt schnell verbraucht sind und wieder hergestellt werden. Zum Schluss haben wir als Erste den popomR-Assay in C. elegans etabliert und ein Screening der vermeintlichen Proteinbindestellen auf poly-A-RNA durchgeführt, um in der Zukunft die konservierten Mechanismen der post-transkriptionellen Regulation durch RBPs im Dauer-Stadium zu analysieren. / We found the conservation of molecular signatures by regulating with Δ7-DA and Ascarosid in dauer larvae and infective larvae. Then by our comparative analysis, the high degree of conservation between two closely related free-living species C. elegans and C. briggsae was identified in dauer and post-dauer stages. This means that the relative changes are strongly correlated on the mRNA or the protein level between two species. But the relative changes in the same species don’t show any strong correlation between the mRNA and the protein levels. Our results showed a significantly reduced amount of RNA in 20 metabolic pathways in C. elegans dauer larvae. In contrast, dauer larvae stored a large amount of RNA in GO terms such as ribosome and aminoacyl-tRNA biosynthesis. On the protein level, the metabolic pathways of protein synthesis and protein processing in endoplasmic reticulum were downregulated in dauer larvae and the term of lysosome was up-regulated. Due to time course analysis for proteome remodeling of molecular signatures during exit process from dauer stage, we found that GO terms such as metal ion binding were significantly downregulated during dauer exit and at the same time the protein degradation was up-regulated. Our results of pSILAC experiment suggest that the proteins for energy generation and chaperone/protein folding are quickly spent and rebuilded during dauer exit. Finally, we were the first to establish the popomR assay in C. elegans and performed a screening of the putative protein binding sites on poly-A RNA to analyze the conserved mechanisms of post-transcriptional regulation by RBPs in dauer larvae in the future.

The high affinity, ATP-dependent K+ uptake system KdpFABC of Halobacterium salinarum, is highly induced under K+ limitation. In contrast to the well-characterized Kdp system in Escherichia coli, in which the kdpFABC genes are transcriptionally regulated by the sensor kinase/response regulator system KdpD/KdpE, transcriptional regulation of the kdp genes in H. salinarum was unknown due to the absence of halobacterial homologues of KdpD/KdpE. Furthermore, the physiological relevance of the KdpFABC K+ uptake system of H. salinarum was puzzling, since hypersaline habitats usually comprise K+ concentrations which do not induce kdp expression. In order to analyze the regulation of kdp gene expression, it was essential to gain information about the transcriptional unit(s) involved. Northern blotting, primer extension analysis and real-time RT-PCR revealed the presence of a polycistronic leaderless kdpFABCQ transcript with a putative kdp terminator or at least a potential mRNA processing site downstream of kdpQ. Furthermore, promoter truncation studies verified the so far only predicted basal transcription elements together with an upstream-located operator sequence. Since deletions of this putative operator sequence did not lead to a constitutive expression, a further component has to be involved in the regulation of the kdpFABCQ genes. However, truncation and scanning mutagenesis analyses of the kdp promoter as well as translational fusions of a halophilic beta-galactosidase to the kdp promoter excluded an additional regulatory element up- or downstream of the basal transcription elements and in the kdp-coding region. These results lead to speculations of multiple basal transcription factors to be involved. Furthermore, an inducible expression vector (shuttle vector) was constructed based on the promoter of the kdpFABCQ operon due to its, K+-sensitive features. Inducible expression systems are yet not available for H. salinarum. The resulting, replicating vector pKIX is functional and enables a K+-dependent expression from the kdp promoter with rather high induction ratios of 50-fold. Expression levels could further be improved by plasmid- and additional chromosomally encoded kdpQ and mutations generated in the kdp promoter. Since transcript levels from pKIX were found to be independent of differential target genes, the general application of pKIX as an inducible expression system is strongly supported and pKIX could, thus, be made accessible to the scientific community. To decipher the physiological relevance of the halobacterial Kdp system, H. salinarum was encountered to desiccation stress and salt crystal (halite) entombment. Halite crystals grown under non-inducing K+ concentrations with entombed strains of H. salinarum and H. salinarum deleted in the kdpFABCQ genes revealed a significantly reduced survival rate of the deletion strain upon recultivation. Additionally, a kdpFABCQ-inducing desiccation stress could already be determined on agar plates under non-limiting K+ concentrations. Furthermore, the cell morphology of H. salinarum entrapped in halite crystals resembled that of H. salinarum grown under K+-limiting conditions. Therefore, the Kdp system promotes survival of H. salinarum under desiccation stress. Furthermore, the Kdp system could be identified as at least one of the systems important for long-term survival of H. salinarum in halite.