Se ist ein essentielles Spurenelement, das seine biologische Aktivität als Selenocystein in den katalytischen Untereinheiten von Selenoproteinen entfaltet. Es wird als Supplement in der Prävention und Therapie einiger Volkskrankheiten wie Autoimmunerkrankungen und Krebs eingesetzt. Die verfügbaren Ergebnisse der klinischen Studien deuten auf geschlechtsspezifische Unterschiede in der Wirksamkeit von Se. Aus diesem Grunde sollte in der vorliegenden Arbeit die Biosynthese von Selenoproteinen in männlichen und weiblichen Mäusen als Modellorganismus für höhere Säugetiere analysiert und verglichen werden. Die gewonnenen Ergebnisse belegen eindeutig, dass die mRNA Konzentrationen von Selenoprotein P, der 5''-Iodothyronin-Deiodase Typ 1 und der extrazellulären Glutathion-Peroxidase 3 geschlechtsspezifische Unterschiede aufweisen. Dieser Dimorphismus ist jedoch nicht konstant, sondern variiert von Gewebe zu Gewebe und zeigt überdies auch eine Abhängigkeit vom Se-Status der Tiere und dem untersuchten Mausstamm. Überraschenderweise korrelieren die resultierenden Proteinmengen nicht linear mit den Unterschieden der mRNA Konzentrationen. Besonders die 5''-Iodothyronin-Deiodase Typ 1 zeigt ausgeprägte Unterschiede in Leber und Niere, wobei sich die Geschlechtsdimorphismen auf mRNA- und Protein-Ebene unterschiedlich stark ausprägen und vom Se-Status beeinflusst werden. Zusammengenommen zeigt diese Arbeit, dass die Expression von Selenoproteinen auf zwei Kontrollebenen geschlechtsspezifisch reguliert wird: über steroidabhängige Gentranskription werden unterschiedliche mRNA Konzentrationen abhängig vom Mausstamm, Alter und Se-Status in den Geweben exprimiert, und über noch nicht eindeutig identifizierte Mechanismen wird die Effektivität, mit der diese Transkripte in die entsprechenden Selenoproteine übersetzt werden, geschlechtsspezifisch kontrolliert. Diese Se-abhängige Regulation der Biosyntheserate, die vermutlich über eine veränderte Translationseffizienz erfolgt, stellt ein sehr überraschendes Ergebnis dar. Sollte es sich in menschlichen Proben bestätigen, so könnten diese Ergebnisse helfen, die geschlechtsspezifischen Befunde in den klinischen Supplementationsstudien zu verstehen und entsprechend abgestimmte Empfehlungen für eine unterschiedliche Supplementation von Mann und Frau zu erarbeiten. / Selenium is an essential trace element and acts as Selenocystein in the catalytic entity of selenoproteins. It is currently in use as supplement in the prevention and therapy of a variety of diseases including autoimmune diseases and cancer. The epidemiological and clinical data indicate that the effectiveness of Se supplementations is sex-specific. Therefore, this thesis was initiated to analyse and compare the expression of selenoproteins in male and female mice as a suitable model organism for higher mammals. The experimental data clearly indicate that selenoprotein P, type I 5'' iodothyronine deiodinase and the secreted glutathione peroxidase 3 display sex-specific differences in mRNA concentrations. The sexual dimorphic expression patterns of these selenoproteins are not constant but depend on the tissue, the Se-status of the animals and the specific mouse strain analysed. Surprisingly, no direct correlation is observed when mRNA levels and expressed protein concentrations are compared. This becomes very obvious in the case of type I 5'' iodothyronine deiodinase in liver and kidney. Both mRNA and protein levels differ between the sexes in a discordant and Se-dependent manner. Taken together, this thesis indicates that selenoprotein expression is regulated in a sex-specific manner by two different mechanisms. First of all, steroid-dependent gene transcription gives rise to sexually dimorphic mRNA levels in the different tissues. Mouse strain, age and Se-status influence this process. Secondly, the sexes differ profoundly with respect to the efficiency of selenoprotein biosynthesis from a given number of transcripts. Presumably, this process involves Se-dependent translational control mechanisms that have not been described before. Under the assumption that these results can be verified with human samples, it is conceivable that this new mechanism might help to explain some of the enigmatic sex-specific effects observed in human supplementary studies and that sex-specific supplementation regimen need to be worked out in the long run.

Diese Arbeit untersucht den Zusammenhang zwischen Mechanismen der translationalen Regulation und der Genomorganisation in Bakterien. Der erste Teil der Arbeit analysiert die Beziehung zwischen der Translationseffizienz von Genen und der Häufigkeit bestimmter Codons am Genanfang. Es ist bekannt, dass die Häufigkeitsverteilung der Codons am Anfang der Gene bei einigen Organismen eine andere ist als sonst im Genom. Durch die systematische Analyse von ungefähr 400 bakteriellen Genomen, evolutionären Simulationen und experimentellen Untersuchungen sind wir zu dem Schluss gekommen, dass die beobachtete Abweichung der Codonhäufigkeiten wohl eine Konsequenz der Notwendigkeit ist, RNA Sekundärstruktur in der Nähe des Translationsstarts zu vermeiden und somit eine effiziente Initiation der Translation zu gewährleisten. Im zweiten Teil der Arbeit untersuchen wir den Einfluss der Genreihenfolge innerhalb eines Operons auf die Fitness von E. coli. In bakteriellen Genomen vereint ein Operon funktionell zusammengehörige Gene, die in einer mRNA zusammen transkribiert werden und somit in der Expression stark korreliert sind. Daneben kann die translationale Kopplung, d. h. die Interdependenz der Translationseffizienz zwischen benachbarten Genen innerhalb einer solchen mRNA, eine bestimmte Proteinstöchiometrie weiter stabilisieren. Mithilfe eines Modells für die translationale Kopplung sowie für den Chemotaxis Signalweg konnten wir zeigen, dass die native Genreihenfolge eine der Permutationen ist, die am meisten zur Robustheit der Chemotaxis beitragen. Die translationale Kopplung ist daher ein wichtiger Faktor, der die Anordnung der Gene innerhalb des Chemotaxis Operon bestimmt. Diese Arbeit zeigt, dass die Anforderungen einer effizienten Genexpression sowie die Robustheit wichtiger zellulärer Funktionen einen Einfluss auf die Organisation eines Genoms haben können: einerseits bei der Wahl der Codons am Anfang der Gene, andererseits auf die Ordnung der Gene innerhalb eines Operons. / This work investigates the relationship between mechanisms of translational regulation and genome organization in bacteria. The first part analyzes the connection between translational efficiency and codon usage at the beginning of genes. It is known for some organisms that usage of synonymous codons at the gene start deviates from the codon usage elsewhere in the genome. By analyzing about 400 bacterial genomes, evolutionary simulations and experimental investigations, we conclude that the observed deviation of codon usage at the beginning of genes is most likely a consequence of the need to suppress mRNA structure around the ribosome binding site, thereby allowing efficient initiation of translation. We investigate further driving forces for genome organization by studying the impact of gene order within an operon on the fitness of bacterial cells. Operons group functionally related genes which are transcribed together as single mRNAs in E. coli and other bacteria. Correlation of protein levels is thus to a large extent attributed to this coupling on the transcriptional level. In addition, translational coupling, i.e. the interdependence of translational efficiency between neighboring genes within such a mRNA, can stabilize a desired stoichiometry between proteins. Here, we study the role of translational coupling in robustness of E. coli chemotaxis. By employing a model of translational coupling and simulating the underlying signal transduction network we show that the native gene order ranks among the permutations contributing most to robustness of chemotaxis. We therefore conclude that translational coupling is an important determinant of the gene order within the chemotaxis operon. Both these findings show that requirements for efficient gene expression and robustness of cellular function have a pronounced impact on the genomic organization, influencing the local codon usage at the beginning of genes and the order of genes within operons.