Hintergrund: Die Berlin Fat Mouse Inzuchtlinie (BFMI) ist ein Modell für Adipositas und das metabolische Syndrom. Diese Studie zielte darauf ab, genetische Varianten zu identifizieren, die mit dem gestörten Glukosestoffwechsel assoziiert sind, indem die fettleibigen Linien BFMI861-S1 und BFMI861-S2 verwendet wurden, die genetisch eng verwandt sind, sich aber in mehreren Merkmalen unterscheiden. BFMI861-S1 ist insulinresistent und speichert ektopisches Fett in der Leber, während BFMI861-S2 insulinsensitiv ist. Methoden: Die QTL-Analyse wurde in zwei fortgeschrittenen Intercross-Linien (AIL) in der Generation durchgeführt. Eine AIL wurde aus der Kreuzung BFMI861-S1 x BFMI861-S2 und die zweite AIL aus der Kreuzung BFMI861-S1 x BFMI861-B6N erhalten. Für beide AILs wurden Phänotypen über 25 bzw. 20 Wochen gesammelt. Zur Priorisierung von positionellen Kandidatengenen wurden Gesamtgenomsequenzierung und Genexpressionsdaten der Elternlinien verwendet. Ergebnisse: Für den AIL BFMI861-S1 x BFMI861-S2 wurden überlappende QTL für das Gonadenfettgewebegewicht und die Blutglukosekonzentration auf Chromosom (Chr) 3 (95,8–100,1 Mb) und für das Gonadenfettgewebegewicht, Lebergewicht und Blut nachgewiesen Glukosekonzentration auf Chr 17 (9,5–26,1 Mb). Für die AIL BFMI861-S1 x BFMI861-B6N zeigte ein hochsignifikanter QTL auf Chromosom (Chr) 1 (157–168 Mb) einen Zusammenhang mit dem Lebergewicht. Ein QTL für das Körpergewicht nach 20 Wochen wurde auf Chr 3 (34,1 – 40 Mb) gefunden, der sich mit einem QTL für das scAT-Gewicht überlappte. In einem multiplen QTL-Mapping-Ansatz wurde ein zusätzliches QTL, das das Körpergewicht bei 16 Wochen beeinflusste, auf Chr 6 (9,5–26,1 Mb) identifiziert. Schlussfolgerungen: Die QTL-Kartierung zusammen mit einem detaillierten Priorisierungsansatz ermöglichte es uns, Kandidatengene zu identifizieren, die mit Merkmalen des metabolischen Syndroms in beiden AILs assoziiert sind. / Background: The Berlin Fat Mouse Inbred line (BFMI) is a model for obesity and the metabolic syndrome. This study aimed to identify genetic variants associated with the impaired glucose metabolism using the obese lines BFMI861-S1 and BFMI861-S2, which are genetically closely related, but differ in several traits. BFMI861-S1 is insulin resistant and stores ectopic fat in the liver, whereas BFMI861-S2 is insulin sensitive. Methods: QTL-analysis was performed in two advanced intercross lines (AIL) in generation. One AIL obtained from the cross BFMI861-S1 x BFMI861-S2 and the second AIL from the cross BFMI861-S1 x BFMI861-B6N. For both AILs phenotypes were collected over 25 and 20 weeks, respectively. For prioritization of positional candidate genes whole genome sequencing and gene expression data of the parental lines were used. Results: For the AIL BFMI861-S1 x BFMI861-S2 overlapping QTL for gonadal adipose tissue weight and blood glucose concentration were detected on chromosome (Chr) 3 (95.8-100.1 Mb), and for gonadal adipose tissue weight, liver weight, and blood glucose concentration on Chr 17 (9.5-26.1 Mb). For the AIL BFMI861-S1 x BFMI861-B6N one highly significant QTL on chromosome (Chr) 1 (157–168 Mb) showed an association with liver weight. A QTL for body weight at 20 weeks was found on Chr 3 (34.1 – 40 Mb) overlapping with a QTL for scAT weight. In a multiple QTL mapping approach, an additional QTL affecting body weight at 16 weeks was identified on Chr 6 (9.5-26.1 Mb). Conclusions: QTL mapping together with a detailed prioritization approach allowed us to identify candidate genes associated with traits of the metabolic syndrome in both AILs.

Wir haben DNA-basierte Hybridisierungssonden zur erzwungenen Interkalation (sogenannte FIT-Sonden) entwickelt. Diese beruhen auf dem Ersatz einer natürlichen Nukleobase durch einen umgebungssensitiven Farbstoff. Die einzelsträngigen Sonden zeigen ein geringes Fluoreszenzsignal, da die Rotation um die zentrale Methinbrücke den angeregten Zustand effizient entvölkert. Durch Hybridisierung mit komplementären Zielsequenzen wird der Farbstoff in den Basenstapel gezwungen, wodurch die Rotation eingeschränkt wird und verstärkt Fluoreszenz auftritt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Sonden optimiert, um maximale Fluoreszenzanstiege und maximale Helligkeit zu erzielen. Wir konnten zeigen, dass der Einbau von Locked Nucleic Acid (LNA) gleichzeitigt die Helligkeit und die Stabilität gegenüber Nukleaseverdau vergrößert. Solche LNA-verstärkten FIT-Sonden konnten in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Anne Ephrussi (EMBL-Heidelberg) wurden solche Sonden erfolgreich in der Lebendzell-Bildgebung von Oskar mRNA in Oozyten von Drosophila Melanogaster eingesetzt. Die kombinierte Verwendung von Thiazolorange und einem zweiten, terminal angebrachten Cy7-Reporter ermöglichte durch Ratiometrische Messungen die Quantifizierung von Sonden und Ziel RNA durch waschfreien Fluoreszenz in-situ Hybridisierung. Wir konnten die Farbauswahl für FIT-Sonden erweitern und etablierten Chinolinblau als den höchst-responsiven Farbstoff in DNA-FIT-Sonden, welcher bis zu 195-fache Fluoreszenzintensivierung zeigte. Die Verwendung von cyan- (Thiazolgelb), grün- (Thiazolorange) und rot-emittierende (Chinolinblau) FIT-Sonden ermöglichte die simultane Detektion drei verschiedener RNA-Sequenzen. Dieselben Farbkanäle wurden ebenfalls zur Entwicklung von Wiederholungseinheiten für FIT-Sonden verwendet. Durch die Expression transgener RNA und die benachbarter Hybridisierung zahlreicher Sonden sollten die Mehrfarbdetektion in lebenden Zellen mit sehr geringer Nachweisgrenze gelingen. / We developed oligonucleotide hybridization probes based on forced intercalation (FIT). FIT probes contain asymmetric cyanine dyes of the thiazole orange family as nucleobase surrogates as an internal label. The thiazole orange is dark in the unbound, single stranded state, due to rapid depletion of the chromophores excited state by torsional twisting. Upon hybridization with target nucleic acids, the reporter is forced into the base stack, resulting in restriction of intramolecular rotation which is accompanied by a dramatic increase in quantum yield. The probes have been optimized for highest fluorescence response and maximum brightness upon hybridization with complementary nucleic acids. We discovered that locked nucleic acids (LNA) increase both, the nuclease resistance in living cells and the brightness. FIT-probes were applied in real-time PCR and RNA localization studies in fixed tissue and in living cells. Together with our collaborator Anne Ephrussi we demonstrated that carefully chosen probe sequences disrupted RNA secondary structure and thereby altered the motility of oskar ribonucleotide-particles in living oocytes of Drosophila melanogaster. The combined use of fluorogenic base surrogates and a second, terminally attached, independent reporter allowed the rapid intracellular RNA-quantification by means of wash-free fluorescence in-situ hybridization. We expanded the color repertoire of FIT probes by screening multiple chromophores and discovered quinoline blue as the most responsive chromophore with up to 195-fold fluorescence enhancement. The combined use of cyan- (thiazole yellow), green- (thiazole orange) and red-emissive (quinoline blue) FIT probes allowed the simultaneous detection of multiple RNAs of interest. The same color channels could be used for the development of artificial repeat tags for FIT-probes that will enable live-cell multiplexing by FIT-probes with transgenic RNAs.

Enhancer regulieren die Transkription ihrer Zielgene und deren Expression. Sie bieten eine Bindestelle für verschiedenste Transkriptionsfaktoren (TF) und RNA Polymerase II (RNAPII) und unterstützen die Gentranskription durch das Zustandekommen von Chromatinkontakten. Zusätzlich transkribiert RNAPII in Enhancer-Regionen kurze, non-polyadenylierte Transkripte, die man Enhancer-RNA (eRNA) nennt. Der Mechanismus der RNAPII-Rekrutierung und –Regulation an Enhancern ist bisher wenig verstanden, insbesondere wie das Vorhandensein von RNAPII-Modifikationen den Chromatinstatus, -faltung sowie die Genaktivierung beeinflusst. In dieser Arbeit wurden verschiedene Ansätze der Enhancer-Bestimmung miteinander verglichen. Während eine klare Bestimmung des besten Ansatzes sich als komplex erwies, konnte gezeigt werden, dass die Bindung von RNAPII an regulatorische Regionen in Zusammenhang mit TF eine universelle Konstante darstellte. Weiterhin wurden der Status der Enhancer-gekoppelten RNAPII-Aktivierung und deren Transkriptionsaktivität untersucht. Als Hauptergebnis ergab sich, dass der RNAPII-Status mit der Enhancer-Aktivität und daraus folgend mit veränderter Transkriptionsaktivität korreliert ist. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass das Vorhandensein extragenischer RNAPII ein neues Werkzeug zur Identifikation von regulatorischen Regionen ist. Erfolgreich konnten regulatorische Regionen in embryonalen Stammzellen der Maus sowie während der neuronalen Differenzierung vorhergesagt und mittels Enhancer-Aktivität in-vivo bestätigt werden. Dabei zeigte sich, dass im Laufe der der neuronalen Differenzierung extragenische RNAPII-Bindung spezifische Aktivierungsmuster aufweist: ihr Transkriptionslevel wird durch Kinasen feinmaschig reguliert und es werden verschiedene Formen maturierter RNA erzeugt. Zusammenfassend konnte RNAPII als Werkzeug zur Identifikation und Charakterisierung regulatorischer Regionen in verschiedenen Zelltypen ausgemacht werden. Selbst mit minimalen RNAPII-Datensätzen ist es möglich, gleichzeitig regulatorische Regionen zu identifizieren als auch ihren eigenen Aktivierungsstatus sowie den ihrer kodierender Genpromotoren zu bestimmen. / Enhancers regulate transcription of target genes and gene expression. They act as recruitment sites for multiple transcription factors (TFs) and RNA polymerase II (RNAPII) and favour transcription of target genes through chromatin contacts. RNAPII at enhancer regions transcribes short and mostly non-polyadenylated transcripts, called enhancer RNAs (eRNAs). The mechanisms of RNAPII recruitment and regulation at enhancers remain ill understood, in particular how signalling through RNAPII modifications may influence chromatin states, looping and gene activation. In this study, I compare enhancer lists defined with different approaches and find that their relation is very complex. However, I find that RNAPII binding co-occurs with TF binding at regulatory regions, independently of the identification approach used. I characterize the state of RNAPII activation at enhancers and its transcriptional activity. I find that RNAPII state reflects enhancer activation state and correlates with different transcriptional outputs. In addition, I demonstrate that extragenic RNAPII is a novel tool to identify regulatory regions. I successfully identified putative regulatory regions in mESC and during neuronal differentiation, with enhancer activity in vivo. Extragenic RNAPII regions have specific activation patterns during neuronal differentiation, are finely regulated at the transcriptional level by kinases and transcribe differently mature RNAs. In conclusion, I establish RNAPII as a tool to identify and characterise regulatory regions in a cell type of interest. With minimal RNAPII datasets it is possible to simultaneously identify regulatory regions, infer their state of activation, and the state of activation of coding gene promoters.

Zirkuläre RNAs sind eine Klasse endogener, tierischer RNAs. Obwohl sie hoch abundant sind, ist weder ihre Funktion noch ihre Expression im Nervensystem bekannt. Es wurde ein Katalog zirkulärer RNAs in neuralen Proben erstellt. Es konnten tausende zirkuläre RNAs von Mensch und Maus entdeckt und analysiert werden. Zirkuläre RNAs sind außerordentlich angereichert im Säugetiergehirn, ihre Sequenz ist gut konserviert und sie sind häufig gemeinsam in Mensch und Maus exprimiert. Zirkuläre RNAs waren generell höher exprimiert im Verlauf der neuronalen Differenzierung, sind stark angereichert an Synapsen und oft differentiell exprimiert. circSLC45A4 ist die Hauptisoform, die in humanem präfrontalem, embryonalen Cortex von diesem genomischen Lokus exprimiert wird und eine der am höchsten exprimierten zirkulären RNAs in diesem System. Induzierte Verminderung der Expression von circSLC45A4 ist ausreichend, um die spontane neuronale Differenzierung einer humanen Neuroblastomzelllinie zu induzieren. Dies kann durch die verstärkte Expression neuronaler Markergene belegt werden. Verminderung der Expression von circSLC45A4 im embryonalen Mauscortex verursacht eine signifikante Reduktion von basalen Progenitoren. Außerdem wurde eine signifikante Reduktion von Zellen in der kortikalen Platte nach Depletion von circSLC45A4 gemessen. Weiterhin konnten die Ergebnisse im Mauscortex dekonvoliert werden. Dies zeigte die Zunahme von Cajal-Retzius Zellen. Es wird eine Methode vorgestellt, die RNA-Sequenzierung von Einzelzellen mit räumlicher Auflösung zulässt, ohne vorherige Kenntnisse des Systems zu benötigen. 3D-seq vereint die Applikation eines physischen Gitters mit kombinatorischem Indizieren, so dass Einzelzellen individuell und räumlich markiert werden können. 3D-seq wurde an koronalen Schnitten von adultem Mausgehirn etabliert. Die Daten wurden zur Reproduktion des Gewebes in silico genutzt. 3D-seq ein leicht zu adaptierendes Protokoll, das an jedem Gewebe angewendet werden kann. / Circular RNAs (circRNAs) are an endogenous class of animal RNAs. Despite their abundance, their function and expression in the nervous system are unknown. Therefore, a circRNA catalogue comprising RNA-seq samples from different brain regions, primary neurons, synaptoneurosomes, as well as during neuronal differentiation was created. Using these and other available data, thousands of neuronal human and mouse circRNAs were discovered and analyzed. CircRNAs were extraordinarily enriched in the mammalian brain, well conserved in sequence, often expressed as circRNAs in both human and mouse, and sometimes even detected in Drosophila brains. CircRNAs were overall upregulated during neuronal differentiation, highly enriched in synapses, and often differentially expressed compared to their corresponding mRNA isoforms. CircRNA expression correlated negatively with expression of the RNA-editing enzyme ADAR1. Knockdown of ADAR1 induced elevated circRNA expression. Together, a circRNA brain expression atlas and evidence for important circRNA functions is provided. Starting from this catalogue a circRNA, circSLC45A4 was identified. It is the main RNA isoform produced from its genetic locus in the developing human frontal cortex and one of the highest expressed circRNAs in that system. Knockdown of this conserved circular RNA in a human neuroblastoma cell line was sufficient to induce spontaneous neuronal differentiation, measurable by increased expression of neuronal marker genes and neurite outgrowth. Depletion of circSlc45a4 in the developing mouse cortex caused a significant reduction of the basal progenitor pool and increased the expression of neurogenic regulators like Notch2, Foxp2, and Unc5b. Furthermore, a significant depletion of cells in the cortical plate after knockdown of circSlc45a4 was observed. In addition, deconvolution of the bulk RNA-seq data with the help of single cell RNA-seq data validates the depletion of basal progenitors after knockdown of circSlc45a4 in the mouse cortex and reveals an increase in Cajal-Retzius cells. Taken together, a detailed study of a conserved circular RNA that is necessary to maintain the pool of neural progenitors in vitro and in vivo is presented. The developing mouse cortex is a good illustration for a highly spatially organized tissue and why knowledge of spatial information for each cell can be of great importance. However, obtaining transcriptome-wide and spatially resolved information from single-cells has been proven to be a challenging task. Current state-of-the-art experimental methods are either limited by the number of genes that can be detected simultaneously within a single-cell or require preexisting spatial information. Here, 3D-seq, a new experimental technique that allows unbiased, high-throughput single-cell spatial transcriptomics is introduced. 3D-seq combines a physical grid with combinatorial indexing to label single cells of any tissue in a unique way and thereby preserving the approximate spatial localization of any given cell. 3D-seq was applied to coronal slices of adult mouse brain, more than 70 cell types were identified and the 3D-seq data was used to reproduce the tissue in silico with single-cell resolution. Furthermore, 3D-seq is easy to adapt, can be applied to any tissue and can be combined with other technologies.

Wie regulatorische Sequenzen die Genexpression steuern, ist von grundlegender Bedeutung für die Erklärung von Phänotypen in Gesundheit und Krankheit. Die Funktion regulatorischer Sequenzen muss letztlich in ihrer genomischen Umgebung und in entwicklungs- oder gewebespezifischen Zusammenhängen verstanden werden. Da dies eine technische Herausforderung ist, wurden bisher nur wenige regulatorische Elemente in vivo charakterisiert. Hier verwenden wir Induktion von Cas9 und multiplexed-sgRNAs, um hunderte von Mutationen in Enhancern/Promotoren und 3′ UTRs von 16 Genen in C. elegans zu erzeugen. Wir quantifizieren die Auswirkungen von Mutationen auf Genexpression und Physiologie durch gezielte RNA- und DNA-Sequenzierung. Bei der Anwendung unseres Ansatzes auf den 3′ UTR von lin-41, bei der wir hunderte von Mutanten erzeugen, stellen wir fest, dass die beiden benachbarten Bindungsstellen für die miRNA let-7 die lin-41-Expression größtenteils unabhängig voneinander regulieren können, mit Hinweisen auf eine mögliche kompensatorische Interaktion. Schließlich verbinden wir regulatorische Genotypen mit phänotypischen Merkmalen für mehrere Gene. Unser Ansatz ermöglicht die parallele Analyse von genregulatorischen Sequenzen direkt in Tieren. / How regulatory sequences control gene expression is fundamental for explaining phenotypes in health and disease. The function of regulatory sequences must ultimately be understood within their genomic environment and development- or tissue-specific contexts. Because this is technically challenging, few regulatory elements have been characterized in vivo. Here, we use inducible Cas9 and multiplexed guide RNAs to create hundreds of mutations in enhancers/promoters and 3′ UTRs of 16 genes in C. elegans. We quantify the impact of mutations on expression and physiology by targeted RNA sequencing and DNA sampling. When applying our approach to the lin-41 3′ UTR, generating hundreds of mutants, we find that the two adjacent binding sites for the miRNA let-7 can regulate lin-41 expression largely independently of each other, with indications of a compensatory interaction. Finally, we map regulatory genotypes to phenotypic traits for several genes. Our approach enables parallel analysis of gene regulatory sequences directly in animals.

Die Auswertung von Microarray-Daten beginnt oft mit information retrieval-Ansätzen, welche die Datenmassen auf eine im Hinblick auf eine bestimmte Fragestellung besonders interessante und überschaubare Menge von Genen bzw. probe set IDs reduzieren sollen. Vorraussetzung für eine effiziente Suche im Datenbestand ist jedoch eine Semantisierung bzw. Formalisierung der verwendeten Datenformate. Hier wird eine Ontologie als standardisiertes und semantisch definiertes Repräsentationskonstrukt vorgestellt, welches die Formalisierung von Fachwissen in einem interaktiven Wissensmodell erlaubt, das umfassend abgefragt, konsistent interpretiert und gegebenenfalls automatisiert weiterverarbeitet werden kann. Anhand einer molekularbiologischen Ontologie aus 1200 hierarchisch strukturierten Begriffen und am Beispiel des Toll-Like Receptor-Signalwegs wird aufgezeigt, wie ein solch ein objektorientiertes Beschreibungsvokabular zur Annotierung von Genen auf Affymetrix-Microarrays genutzt werden kann. Die Annotationsbegriffe werden über ontologische Konzepte, deren Eigenschaften und deren semantische Verbindungen (relationale Slots) im Wissensbank-Editor Protégé-2000 modelliert. Annotation bedeutet hier ein Gen formal in einen definierten funktionalen Kontext einzubetten. In der Anwendung der Wissensbank entspricht eine Annotation einem "drag and drop" von Genen in ontologische, die Funktion dieser Gene beschreibende, Konzepte. Die weitergehende kontextuale Annotation erfolgt über eine Vernetzung der Gene zu anderen Konzepten oder Genen. Das so erstellte vernetzte Wissensmodell (die knowledgebase) ermöglicht ein inhaltsbasiertes, assoziatives und kontextgeleitetes "Wissens-Browsing". Ontologisch annotierte Gendaten erlauben auch die Anwendung automatischer datengetriebener Visualisierungsstrategien, wie am Beispiel semantischer Netze gezeigt wird. Eine ontologische Anfrageschnittstelle erlaubt auch semantisch komplexe Anfragen an den Datenbestand bei erhöhter Trefferquote und Präzision. / Functional gene annotations provide important search targets and cluster criteria. We introduce an annotation system that exploits the possibilities of modern knowledge management tools, i.e. ontological querying, inference, networking of annotations and automatic datadriven visualization of the annotated model. The Gandr (gene annotation data representation) knowledgebase is an ontological framework for laboratory-specific gene annotation and knowledgemanagement. Gandr uses Protégé-2000 for editing, querying and visualizing microarray data and annotations. Genes can be annotated with provided, newly created or imported ontological concepts. Annotated genes can inherit assigned concept properties and can be related to each other. The resulting knowledgebase can be visualized as interactive semantic network of nodes and edges representing genes with annotations and their functional relationships. This allows for immediate and associative gene context exploration. Ontological query techniques allow for powerful data access. Annotating genes with formal conceptual descriptions can be performed using ‘drag and drop’ of one or more gene instances onto an annotating concept. Compared with unstructured annotation systems, the annotation process itself becomes faster and leads to annotation schemes of better quality owing to enforcement of constraints provided by the ontology. GandrKB enables lab-bench scientists to query for implicit domain knowledge, inferred from the ontological domain model. Full access to data semantics through queries for properties and relationships ensures a more complete and adequate reply of the system.

Die Haplotypspezifische Extraktion (HSE) bietet für die Analyse von männlichen Mischprofilen einen neuen und direkteren Lösungsansatz, in dem die haploiden Y-chromosomalen DNS-Komponenten der einzelnen Individuen bereits vor der Analyse der individual spezifischen Marker separiert werden können und dadurch eine wirkliche physische Trennung erreicht wird. Die HSE verwendet Y-chromosomalen SNPs für die Erstellung allelspezifische Extraktionssonden, die nun gezielt nur die Marker der extrahierten DNS Komponente bzw. einer Person separieren sollen. Dabei werden im Hybridisationsschritt der HSE selektive nur komplett hybridisierte Sonden durch eine Polymerase verlängert. Während der Elongation erfolgt eine Biotinylierung des neu entstehenden Stranges, welcher dann selektiv durch Streptavidin markierte Eisenkügelchen extrahiert werden kann. Erste Durchführungen einer HSE zeigten nur eine sehr schwache bis keine Anreicherung. Während der Optimierung verschiedener Parameter wurde die Schlüsselstellung des Sondendesigns in der HSE-Technik deutlich. Die Ergebnisse zeigten, dass die neu entwickelten Sonden den Trennungserfolg der Mischprobe enorm verbessern und in einigen Fällen sogar zum Ausschluss des konkurrierenden Allels führten. Ein Vergleich der HSE Ergebnisse mit den simulierten Sondenparametern der getesteten Sonden ergab, dass der Extraktionserfolg der Sonde maßgeblich durch das Zusammenspiel von Sondenlänge und GC-Gehalt bestimmt wird. Durch dieses neu gewonnene Verständnis über den Einfluss der einzelnen Sondenparameter auf den Trennungserfolg der Mischprobe, können für künftige HSE Anwendungen Sonden effizienter erstellt und deren Wirksamkeit vorhergesagt werden. Zusätzlich konnte das neu entwickelte Vorhersage-Model der Sondenspezifität auch für weitere Extraktionsorte außerhalb des Y-Chromosoms bestätigt werden. Weiterhin konnte durch die Kombination verschiedener Sonden in einer Multiplex HSE mehrerer Y-chromosomaler Marker gleichzeitig getrennt. / Haplotype-specific extraction (HSE) allows the separation of diploid samples in their haploid components and offers in forensic a new straight forward method to separate Y-chromosomal mixed profiles, consisting of haplotype markers like short tandem repeats (STRs). The advantage of the HSE approach in mixture analysis is the real physical separation of the individual DNA components before the amplification of the STR markers. In order to use the HSE technique for the separation of male DNA mixtures, Y-chromosomal extraction probes were designed to single nucleotide polymorphisms (SNPs), which have been specific for one contributor of the male DNA mixtures. During extraction only complete matched probes are extended by a polymerase which results in the incorporation of biotinylated nucleotides. The synthesized and biotin labeled strand is separated by streptavidin coated magnetic beads. Finally, samples were analyzed by PCR coupled capillary electrophoresis for the detection of the extracted STR markers. First tests of a Y-chromosomal specific extraction showed only little till no enrichment of the targeted alleles. Therefore optimization tests of different parameters were carried out, which revealed the probe design as the key factor of successful HSE. A comparison between simulated probe parameters and their extraction success in HSE showed that the HSE probe efficiency mainly depends of the relation of probe length and GC-contents. Because of the new gained knowledge about the influence of the probe-design on the separation success, probes for future HSE application can be developed faster and cost-effective. The new prediction model for probe-specificity was also successful tested for the extraction of other genome-loci. Furthermore, a multiplex HSE approach was used to separate several STR markers simultaneously in one extraction reaction and therefore achieved the separation of one contributor Y-chromosomal haplotype.

Der Gen-Knockdown mittels RNAi hat sich als essentiell erwiesen, um Inhibitoren der induzierten Transdifferenzierung in C. elegans zu identifizieren (Tursun et al., 2011). Bakterienstämme, die dsRNA exprimieren, das die Expression spezifischer Gene mindert, können dem Wurm direkt zugefüttert werden, um einen genomweiten RNAi-screen der insgesamt 20.000 Gene in C. elegans durchzuführen. Allerdings werden die meisten biologischen Prozese durch mehr als ein Gen reguliert, was den Bedarf nach einer Methode generiert, die es erlaubt, zwei oder mehr Gene gleichzeitig herunter zu regulieren, um die Steuerung biologischer Prozesse studieren zu können. Die derzeitig vorhandenen Methoden liefern entweder nicht reproduzierbare Ergebnisse oder sind nicht skalierbar. Wir nutzen baktierelle Konjugation, die es durch ein konjugatives Plasmid ermöglicht Bakterienzellen zu generieren, die zwei verschiedene RNAi-Plasmide enthalten. Das Ziel war es, modifizierte RNAi-Donor-Plasmide mittels bakterieller Konjugation an eine Vielzahl anderer Bakterienzellen zu übertragen, die bereits ein anderes RNAi-Plasmid enthalten und dies dann im Hochdurchsatzverfahren durchführen zu können. Um Enhancer induzierter Expression von unc-25::gfp in der Keimbahn, ermöglicht durch den Knockdown des Histonchaperons LIN-53 (RbAp46/48 in Menschen), zu finden, wurden RNAi-Klone generiert, die gleichzeitig lin-53 als auch eines von insgesamt 800 verschiedenen Chromatin-bezogenen Gene herunter regulieren. Dabei identifizierten wir RBBP-5, Mitglied des Set1/ MLL-Methyltransferase-Komplexes, als neuen Barrierefaktor der induzierten Transdifferenzierung. RBBP-5 agiert dabei mutmaßlich parallel zu LIN-53. Doppelte RNAi, ermöglicht durch bakterielle Konjugation, erlaubt den simultanen Knockdown zweier oder mehr Gene, um genetische Interaktionen studieren zu können und erweitert damit die Einsatzmöglichkeiten von RNAi-Screens, um untereinander verbundene biologische Prozesse zu studieren. / The knock down of genes by RNAi has been fundamental to identify inhibitors of induced cell transdifferentiation in C. elegans (Tursun et al., 2011). Bacteria strains expressing dsRNA that target specific genes can be fed to the worm allowing straightforward whole-genome RNAi screens of the 20,000 genes in theC. elegans genome. However, many biological processes are regulated by more than one gene raising the need for simultaneous knock down of two or more genes to more fully interrogate the regulation of complex biological processes. Two approaches are currently available for double RNAi knockdown, − two bacteria strains expressing specific dsRNA can be mixed and grown together and fed simultaneously, which gives highly variable results. Alternatively, a new bacterial clone can be generated carrying a plasmid on which two RNAi targets of interest are 'stitched' together, which is not scalable. To address this challenge, we have developed a protocol using bacterial conjugation mediated by the 'Fertility Factor' (F) Episome in order to combine two different RNAi plasmids in a single bacterium. The objective was to be able to transfer a single RNAi plasmid to a large number of bacterial cells carrying different RNAi clones in one step in a high-throughput manner for large scale 'double' or even 'triple' RNAi screens. To find enhancers of induced unc-25::gfp expression in the germ line enabled by the depletion of histone chaperone LIN-53 (RbAp46/48 in humans), double RNAi clones targeting lin-53 and a total of 800 chromatin-related genes were generated and screened. We identified the Set1/MLL methyltransferase complex member RBBP-5 as a novel reprogramming barrier that putatively acts in a parallel pathway to LIN-53. Double RNAi by conjugation permits to reliably knock down two genes simultaneously in order to study genetic interactions at a genome-wide level, thus further increasing the versatility of RNAi screens to investigate interconnected biological processes.

Cis-regulatorische Elemente wie Promotoren und Enhancer, die die Regulation der Transkription von Genen steuern, befinden sich in Regionen des dekondensierten Chromatins. DNase-seq und ATAC-seq sind weit verbreitete Verfahren, um solche offenen Chromatinregionen genomweit zu untersuchen. Die einzel-Nukleotid-Auflösung von DNase-seq wurde des Weiteren genutzt, um Transkriptionsfaktor-Bindungsstellen (TFBS) in regulatorischen Regionen durch TF-Footprinting zu bestimmen. Kürzlich durchgeführte Studien haben jedoch gezeigt, dass DNase I einen Sequenzbias aufweist, welcher nachteilige Auswirkungen auf die Footprinting-Effizienz hat. Auch wurden das Footprinting und die Auswirkungen des Sequenzbias auf ATAC-seq noch nicht umfassend untersucht. In dieser Arbeit nehme ich einen systematischen Vergleich der beiden Methoden vor und zeige, dass die beiden Methoden unterschiedliche Sequenzbiases haben und korrigiere diese protokollspezifischen Biases beim Footprinting. Der Einfluss von Bias-Korrekturen der Footprinting Ergebnisse ist für DNase-seq größer als für ATAC-seq, und Footprinting mit DNase-seq führt zu besseren Ergebnissen in unserer Datensätze. Trotz dieser Unterschiede zeige ich, dass die Integration replizierter Experimente die Ableitung von qualitativ hochwertigen Footprints ermöglicht, wobei die beiden Techniken weitgehend übereinstimmen. Diese Techniken werden ferner eingesetzt, um die cis-regulatorischen Elemente zu charakterisieren, die die Embryogenese der Fruchtfliege Drosophila melanogaster bestimmen. Durch die Verwendung von Embryonen die sich im richtigen Entwicklungsstadium befinden, sowie gewebespezifischer Kernsortierung mit offenem Chromatin-Profiling können zeitlich und gewebespezifisch aufgelöste vermeintliche cis-regulatorische Elemente definiert werden. Zusammengenommen demonstrieren diese Analysen die Fähigkeit der offenen Chromatin-Profilierung und der Computeranalyse zur Aufklärung der Mechanismen der Genregulation. / Cis-regulatory elements such as promoters and enhancers, that govern transcriptional gene regulation, reside in regions of open chromatin. DNase-seq and ATAC-seq are broadly used methods to assay open chromatin regions genome-wide. The single nucleotide resolution of DNase-seq has been further exploited to infer transcription factor binding sites (TFBS) in regulatory regions through TF footprinting. However, recent studies have demonstrated the sequence bias of DNase I and its adverse effects on footprinting efficiency. Furthermore, footprinting and the impact of sequence bias have not been extensively studied for ATAC-seq. In this thesis, I undertake a systematic comparison of the two methods and demonstrate that the two methods have distinct sequence biases and correct for these protocol-specific biases when performing footprinting. The impact of bias correction on footprinting performance is greater for DNase-seq than for ATAC-seq, and footprinting with DNase-seq leads to better performance in our datasets. Despite these differences, I show that integrating replicate experiments allows the inference of high-quality footprints, with substantial agreement between the two techniques. These techniques are further employed to characterize the cis-regulatory elements governing the embryogenesis of a complex organism, the fruit fly Drosophila melanogaster. Combining tight staging of embryos and tissue-specific nuclear sorting with open chromatin profiling, enables the definition of temporally and tissue-specifically resolved putative cis-regulatory elements. Taken together, these analyses demonstrate the power of open chromatin profiling and computational analysis in elucidating the mechanisms of transcriptional gene regulation.

CRISPR-Cas ist ein adaptives Immunsystem, dass Bakterien und Archaeen vor eindringenden Nukleinsäuren schützt. Es besteht aus einem sogenannten CRISPR-Array, der als genetisches Gedächtnis vorangegangene Infektionen speichert und einem cas Lokus, welcher für die Abwehr essentielle Proteine codiert. Das CRISPR-assoziierte Protein 9 (Cas9) des Typ II CRISPR-Cas Systems aus Streptococcus pyogenes ist heutzutage das Mittel der Wahl für Gentherapie und Genom-Modifikationen. Allerdings gibt es nach wie vor Probleme mit der Ungenauigkeit dieses Systems, welche für eben genannte Ansätze behoben werden müssen. Aus diesem Grund ist es besonders wichtig zu verstehen, in welcher Weise die Spezifität von Cas9 beeinflusst wird. In dieser Arbeit wurden die Voraussetzungen für eine spezifische Erkennung der Zielsequenz durch drei verschiedene Cas9 Proteine des Typs II-A und ein Cas12a Protein des Typs V-A CRISPR-Cas Systems untersucht. Wir zeigen, dass Arginin Seitenketten der sogenannten „bridge“ Helix in Cas9 von S. pyogenes eine wichtige Rolle in der Bindung und Spaltung der DNS spielen. Diese Seitenketten können in zwei Gruppen unterteilt werden, welche die Spezifität von Cas9 entweder vergrößern oder verkleinern. Die Aminosäuren R63 und R66 reduzieren die Spezifität von Cas9 indem sie den sogenannten R-loop in Anwesenheit einer Fehlpaarung stabilisieren. Wir zeigen außerdem, dass Q768 eine erhöhte Toleranz von Cas9 zu Fehlpaarungen an Position 15 der Zielsequenz vermittelt und dass das Entfernen dieser Aminosäure die Spezifität von Cas9 im Bereich der Zielsequenz, die am weitesten von der PAM entfernt ist, erhöht. Eine Kombination der Mutationen der oben genannten Arginin und Glutamin Seitenketten führt zur Erhöhung der Gesamtspezifität von Cas9. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen zum Verständnis bei, wie Cas9 Fehlpaarungen innerhalb der Zielsequenz detektiert und können dabei helfen weitere Strategien für eine verbesserte Spezifität von Cas9 zu entwickeln. / CRISPR-Cas (CRISPR-associated) systems are adaptive immune systems that have evolved in bacteria and archaea for protection against invading nucleic acids. They consist of a CRISPR array, where the genetic memory of the infection is stored and ultimately transcribed and processed into CRISPR RNAs (crRNAs), and of an operon of cas genes that encodes the Cas proteins. This thesis is focused on class 2 CRISPR-Cas systems that employ single RNA-guided nucleases in the interference phase. Dual-RNA guided CRISPR-associated protein 9 (Cas9) of the type II CRISPR-Cas system has become the tool of choice for genome editing applications in life sciences. However, off-target cleavage by Cas9 is one major issue that needs to be addressed for applications of the CRISPR-Cas9 technology for therapeutic purposes. Therefore, understanding the features that govern Cas9 specificity is of great importance. In this thesis, seed sequence requirements of three Cas9 proteins from the class 2 type II-A and one Cas12a protein from the class 2 type V-A CRISPR-Cas system have been investigated. We analyze the influence of mismatches and show that they affect target binding and/or cleavage by S. pyogenes Cas9. Additionally, we demonstrate that the arginine residues from the bridge helix of S. pyogenes Cas9 are important for target DNA binding and cleavage. Furthermore, these residues comprise two groups that either increase or decrease Cas9 sensitivity to mismatches i.e. specificity. R63 and R66 reduce Cas9 specificity by stabilizing the R-loop in the presence of mismatches. We also show that Q768 mediates Cas9 tolerance to a mismatch at target position 15 and removal of Q768 increases Cas9 specificity in the PAM-distal part of the target. Combination of arginine mutations and Q768A increased overall the sensitivity to mismatches. The results of this thesis elucidate how Cas9 senses PAM-adjacent mismatches and provide a basis to develop strategies for Cas9 variants with enhanced specificity.