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This thesis reports on the development of low-temperature processes for transition metal carbide and MAX-phase thin film growth. Magnetron sputtering and evaporation, far from thermodynamical equilibrium, have been utilised to engineer the properties of the films by physical and chemical control. Deposition of W, W2C and β-WC1-x films with controlled microstructure, from nanocrystalline to epitaxial, is shown in the W-C system down to 100 oC. W films with upto 20 at% C exhibited an extreme solid-solution hardening effect, with a nanoindentation hardness maximum of 35 GPa. Furthermore, the design of epitaxial ternary carbide films is demonstrated in the Ti1-xVxCy system in the form of controlled unit-cell parameters, strain-free films with a perfect match to the substrate, and ternary epitaxial gradient films. Moreover, phase stabilisation and pseudomorphic growth can be tuned in (Nb,Mo)C and (Ti,W)C films. The results obtained can be used for example to optimise electrical contacts in SiC high-power semiconductor devices. A large part of this thesis focuses on the deposition of MAX-phases. These compounds constitute a family of thermally stable nanolaminates with composition Mn+1AXn, n=1, 2 or 3, where M is an early transition metal, A is generally a group 13-14 element, and X is C or N. They show a combination of typical ceramic and metallic properties and are also machinable by virtue of the unique deformation behaviour observed only in laminates. So far, the MAX-phases have almost exclusively been prepared by high-temperature sintering and studied in bulk form. However, this thesis establishes a patented seed layer approach for successful MAX-phase thin film depositions down to 750 oC. For the first time, single-phase and epitaxial films of Ti3SiC2, Ti3AlC2 and Ti2AlC have been grown. The method has also been used to synthesise a new MAX-phase, Ti4SiC3. In addition, two previously unreported intergrown MAX-type structures are presented, Ti5Si2C3 and Ti7Si2C5. Combined theoretical and experimental results show the possibility to deposit films with very low bulk resistivity and designed mechanical properties. Furthermore, the demonstration of MAX-phase and carbide multilayer films paves the way for macrostructure engineering, for example, in coatings for low-friction or wear applications.

Objetivo. Ao mesmo tempo em que a obesidade aumenta no mundo todo e se torna cada vez mais um problema de Saúde Pública, o stress aumenta no cotidiano das pessoas e na busca pela sobrevivência. Verificar a possível associação entre prevalências de obesidade centralizada e indicadores de stress é o objetivo desse trabalho. Métodos. Utilizam-se dados de um estudo transversal, com informações de 298 mulheres de 20 a 59 anos, moradoras de um município da Grande São Paulo, as quais responderam questionários especialmente elaborados para avaliar o stress psicológico. O diagnóstico de obesidade centralizada foi feito através da medida da circunferência da cintura (CC) e da razão cinturaquadril (RCQ). O stress psicológico foi medido em escores atribuídos às respostas dos questionários e classificado em 3 categorias: isento, resistência e exaustão. A análise estatística foi realizada mediante dois modelos de regressão linear generalizada múltipla entre a variável resposta obesidade centralizada em duas categorias (sim, não) e o stress psicológico em três fases (isento, resistência e exaustão), controlando-se as variáveis demográficas: idade e escolaridade. Resultados. As prevalências de obesidade centralizada foram semelhantes nos dois modelos, respectivamente 40,6 % e 42% para CC e RCQ. As prevalências de stress psicológico foram 61,7% e 8,4% para as fases resistência e exaustão. As associações entre a categoria sim foram positivas e significantes, respectivamente para CC e RCQ (RP 1,51, P 0,028 e RP 1,52, P 0,022) com o stress na fase de exaustão, com o aumento da idade (RP 1,02, P 0,001 e RP 1,01, P 0,002) e com baixa escolaridade (RP 0,67, P 0,030 e RP 0,59, P 0,005). O teste de tendência foi positivo (P 0,029) para a categoria sim do RCQ e aumento das categorias de stress. Conclusões. A fase de exaustão do stress mostrou associação positiva e significante com a obesidade centralizada nos dois modelos estudados, CC e RCQ. O teste significante de tendência com a RCQ sugere efeito gradativo das fases do stress sobre a obesidade centralizada. São necessários, no entanto, outros estudos que comprovem a associação da obesidade centralizada com o stress subdividido em categorias. / Objective. When observing modern life nowadays we find out that, at the same time that obesity increases all around the world and becomes a real concern to public health authorities, we also see stress proliferating in peoples everyday life, specially in the fight for survival. The purpose of this work is to verify the association between prevalence of abdominal obesity and stress indicators. Methods. This work uses given data of a transversal study, containing information of 298 women aged between 20 and 59, inhabitants of the Great São Paulo, who had been submitted to questionnaires especially formulated to evaluate psychological stress. The diagnosis of abdominal obesity was made using two models: measuring Waist Circumference (WC) and Waist - Hip ratio (WHR). Psychological stress was measured in scores attributed to answers of the questionnaires and classified in 3 categories: Exempt, Resistance and Exhaustion. The statistics analysis were carried through two models of multiple generalized linear regression between the variable which is the answer- abdominal obesity focused in two categories (Yes, No) and psychological stress focused in three categories (Exempt, Resistance, Exhaustion) maintaining under control the demographic variables such as age and scholarship. Results. The results referring to the prevalence of abdominal obesity were similar in the two models showing respectively 40.6% and 42% for WC and WHR. The results on the prevalence of psychological stress were 61.7% and 8.4% respectively for the phase of Resistance and the phase of Exhaustion. The associations in the Yes category were classified as being positive and significant, for WC and WHR respectively, Prevalence Ratio PR 1,51, significancy P 0,028 and PR 1,52, P 0,022 for the stress in the phase of Exhaustion, when considered also an increase in age (PR 1,02, P 0,001 and PR 1,01, P 0,002) and a decrease in the level of education (PR 0,67, P 0,030 and PR 0,59, P 0,005) The trend analysis was positive (P 0,029) for the increase of the WHR and the categories of stress. Conclusions. The phase of Exhaustion of Stress showed positive and significant association with the Abdominal Obesity in the two models, WC and WHR. The positive results in the trend tests with the WHR suggest that abdominal obesity may be gradually affected by the phases of stress. Nevertheless, there is the need of further investigation to confirm the association between abdominal obesity and the various categories of stress.

Krebs und Infektionskrankheiten, wie z.B. Influenza, stellen zwei der großen Bedrohungen für die Menschheit dar. Gerade durch den demographischen Wandel sind immer mehr Menschen gefährdet. Mathematische Modelle von Krankheiten decken verschiedene Detailebenen ab -- von epidemologischen Modellen der Virusinfektion bis zu intrazellulären Modellen der Signaltransduktion in einzelnen Krebszellen. Diese Modelle, sofern sie anhand von biologische Daten kalibriert wurden, können sich als sehr nützlich erweisen um Hypothesen zu bisher unbekannten Wechselwirkungen zu generieren, Wirkstoffkandidaten vorherzusagen, und die Funktionsweise von existierenden Wirkstoffen besser zu verstehen. Im Rahmen dieser Arbeit möchte ich mehrere Projekte vorstellen, in denen prädiktive mathematische Modelle dazu benutzt wurden, tiefere Einblicke in die biologischen Prozesse zu gewinnen und die Therapieansätze bei Krebserkrankungen und den damit verbundenen Gesundheitsproblemen zu verbessern. Im ersten Teil geht es um die Bedeutung von gemeinschaftlich entwickelter Software für die Systembiologie. Eine offene und erweiterbare Modellierungssoftware ermöglicht es ständig verbessert zu werden und an die Bedürfnisse der Nutzer angepasst zu werden. Im zweiten Projekt wurden die intrazellulären Prozesse während der frühen Influenza A Infektion untersucht. Durch eine Kombination von biologischen Messungen und mathematischer Modellierung konnte der Abbau von viraler RNA wähernd des Transportes durch das Wirtszellzytoplasma als limitierender Faktor für die erfolgreiche Infektion identifiziert werden. Mit Hilfe eines experimentell modifizierten viralen Hämagglutintin-Proteins mit veränderter pH-Abhängigkeit konnte gezeigt werden, dass sich der Abstand zum Zellkern, in dem das virale Genom freigesetzt wird, vergrößert. Die Modellvorhersage, dass die Infektion dadurch weniger effektiv wird, konnte experimentell bestätigt werden. Im dritten Projekt beschäftigte ich mich mit gesundheitlichen Problemen, die im Zusammenhang mit einer Krebserkrankung und deren Behandlung auftreten können. Chemotherapie oder die Krebserkrankung selbst führt bei vielen Patienten zu einer Blutarmut (Anämie). Diese wird aktuell entweder durch regelmäßige Bluttransfusionen oder durch Verabreichung von sogenannten Erythropoiesis-Stimulating Agents (kurz: ESA, zu Deutsch: Erythropoese-stimulierende Substanzen) behandelt. Mithilfe eines publizierten mathematischen Modells zur ESA-EpoR Interaktion konnten die Bindungseigenschaften verschiedener ESAs charakterisiert und zudem die Anzahl der Bindungsstellen auf unterschiedlichen Zelllinien bestimmt werden. Durch eine Erweiterung des Modells mit einem pharmakokinetischen und -dynamischen Teil konnte die Dosierung für Anämiepatienten retrospektiv verbessert werden. Das letzte Projekt stellt eine computerbasierte Methode zur Analyse und Entschlüsselung der zellulären Zusammensetzung von Tumorproben dar. In den vergangenen Jahren wurde vermehrt eine neue Klasse von Krebsmedikamenten entwickelt, die sich das körpereigene Immunsystem zunutze macht, um den Krebs zu bekämpfen. Das Funktionieren dieser Medikamente hängt jedoch davon ab, ob bestimmte Immunzellen in der Umgebung des Tumors vorhanden sind. Auf Grundlage von Einzelzell RNA-Sequenzierungsdaten konnte eine existierende Methode so erweitert werden, dass nunmehr auch Proben von soliden Tumoren entschlüsselt werden können. Zudem wurden die Einflüsse von verschiedenen Faktoren, wie etwa der Gewebeherkunft oder dem verwendeten Algorithmus, systematisch ausgewertet. Zusammengefasst habe ich in dieser Arbeit dargestellt, wie prädiktive Computermodelle dazu verwendet werden können bestehende Behandlungsansätze zu verbessern und neue Wirkstoffkandidaten zu identifizieren. / Cancer and infectious diseases, such as influenza infection, represent major threats to the human population, especially since demographic change makes more and more people vulnerable. Mathematical modeling of disease covers several layers of detail ranging from epidemiological models for infection spread to cancer-associated signaling within individual cells. These models, when being calibrated to biological data, can provide useful means for generating hypothesis of priorly unknown interactions, predicting drug targets for novel therapeutic substances and for improving the understanding and efficient functioning of existing treatment strategies. In this thesis, I present several projects in which predictive computational models are utilized to gain deeper insights into the biological processes and to improve therapy of cancer and associated health problems. The first part highlights the importance of community-driven software development for systems biology applications. Efficient, yet expandable and open software continuously improves, driven by an active community of users and developers. In the second project, the intracellular processes during the early influenza A infection are investigated. Using a combination of experimental measurements and mathematical modeling, degradation of the viral genome during its diffusion through the cytoplasm could be identified as a limiting factor for a successful infection. By experimentally increasing the pH sensitivity of the viral hemagglutinin protein, the distance of diffusion was increased and the computationally predicted decrease in infectivity could be validated in experiment. The third project deals with cancer-associated health issues and their treatment. Patients suffering from anemia, caused by the cancer itself or as a side-effect of chemotherapy, are treated either with blood transfusions or with an erythropoiesis stimulating agent (ESA). By adapting a published model of ESA-EpoR interaction, not only the biochemical properties of different ESAs could be characterized in silico but also the number of binding sites (i.e. Epo receptors on the cell surface) in different cell lines was accurately determined. The model was extended by a pharmaco-kinetic and -dynamic part. The combined ESA-EpoR-PK/PD model could be utilized to retrospectively optimize the dosing regimen of patients suffering from anemia. In the last project, a computational method for analyzing and deciphering the cellular composition of bulk tumor samples is presented. Only recently, a new class of anti-cancer drugs was introduced recruiting the body’s own immune system to combat malignant tissue. However, the efficient functioning of these immunotherapeutical drugs heavily depends on the presence of specific immune cells in the tumor micro-environment. Based on single-cell RNA sequencing data, an existing method for computational deconvolution could be adapted for data from solid tumor tissue and its performance was benchmarked. Taken together, in this thesis I present approaches how predictive computational models can be utilized to render more efficient existing treatment strategies.

Heute kennt man weit über 100 klinische Erkrankungen, bei denen Sauerstoffradikale am pathogenetischen Mechanismus beteiligt sind. Sauerstoffradikalbildung wird als Initiator oder Promotor des Alterungsprozesses, der Arteriosklerose, der postischemischen Organschäden, des Diabetes mellitus oder verschiedener neurologischer sowie dermatologischer Erkrankungen diskutiert. Besonderes Interesse gilt hierbei den Superoxidradikalen (O2-.), da ihre Bildung den Initialschritt des oxidativen Stresses, nämlich die Übertragung eines Elektrons auf das Sauerstoffmolekül, darstellt. Obwohl für den Nachweis der Superoxidradikalbildung eine Vielzahl verschiedener Methoden angewendet wird, gibt es zunehmend quantitative und qualitative Widersprüche bezüglich O2-. -Radikale in biologischen Systemen. Dies ist auf die mangelnde Vergleichbarkeit der unterschiedlichen Nachweismethoden zurückzuführen. Die vorliegende Untersuchung wurde zur Überprüfung der Eignung in der Praxis angewandter Superoxid-Nachweismethoden wie Photometrie (Cytochrom c , Epinephrin, Nitrotetrazolium blau), Chemilumineszenz (Luminol, Lucigenin) und ESR-Spintrapping (DMPO, DEPMPO) für biologische Fragestellungen unternommen. Als biologische O2-.-Quellen wurden submitochondriale Partikeln, Mitochondrien und polymorphkernige Neutrophile untersucht. Es wurde gezeigt, daß bei Anwendung eines standardisierten O2-. -generierenden Enzymsystems (Xanthin/Xantinoxidase) je nach Methode Wiederfidungsraten erhalten werden, die weniger bis sehr stark von den realen O2-. -Bildungsraten abweichen. Der Nachweis der Superoxidbildung über die Chemilumineszenz des Luminols und des Lucigenins hat gezeigt, daß die Intensität des ausgestrahlten Lichtes nicht nur durch die Bildungsrate der O2-.-Radikale bestimmt wird, sondern auch durch unspezifische Wechselwirkungen der Nachweissysteme mit den zu untersuchenden Objekten. Da vielen Nachweismethoden die Oxidation oder Reduktion der jeweiligen Nachweissubstanz durch Superoxidradikale zugrundeliegt, können die Nachweisreaktionen auch durch andere reduzierende oder oxidierende biologische Komponenten in Gang gesetzt werden. Eine Überprüfung der Selektivität einer Nachweismethode durch die Zugabe des O2-.-eliminierenden Enzyms SOD ist nicht immer möglich, da Superoxidradikale oft auch als Zwischenprodukte der Nachweisreaktionen auftreten und/oder SOD nicht immer den Zugang zur O2-.-Bildungsquelle hat. Spintrapping der Superoxidradikale mit DEPMPO kann hingegen als sicherer Beweis der Superoxidbildung betrachtet werden. Für einen quantitativen Nachweis der Superoxidradikale mittels Spintrapping sind jedoch Kenntnisse über die Stabilität des Spinadduktes in jedem konkreten System erforderlich. Ein mathematisches Modell für die Berechnung der Superoxidbildung in verschiedenen Nachweisystemen wurde erarbeitet. / Imbalanced production of oxygen-centered radicals is generally considered to play a major role in the pathogenesis of a great number of clinical diseases. Metabolic disorders and other derangements of homeostasis affect O2-salvage in a way which may trigger O2- radical formation. Inversely, if O2- radicals are formed in excess, a great variety of functional and structural alterations are expected to occur. It follows that an evaluation of the ranking of O2- radicals in the pathophysiological cascade of the various diseases requires reliable methods allowing identification of the respective reactive oxygen species (ROS), localization of the generation site and the analysis of the conditions required for O2- radical formation. Superoxide radicals (O2-.) are of major interest in this respect as this univalent reduction product is the starting molecule of all ROS possibly occurring in biological systems. Controversial reports on the existence, the sites and formation conditions of O2-.-radicals in the tissue may be due to the application of inadequate methods. The aim of this study was therefore to critically evaluate current O2-.-detection methods for their suitability and comparability. O2-.-radical release from xanthine/xanthine oxidase was assessed and used as a standardized O2-.-source. Spectrophotometric (cytochrom c, epinephrin, nitroblue tetrazolium), chemiluminescence (luminol, lucigenin) and ESR-spin trapping (DMPO, DEPMPO) detection methods were exposed to this O2-.-radical generating system and analyzed with respect to their selectivity and quantitative yield. In a second step the influence of the biological O2-.-generating systems such as submitochondrial particles, mitochondria and polymorphnuclear neutrophils on the available detection methods was tested. The results revealed great variations between the detection methods used both with respect to their selectivity for O2-.-registration and the quantitative analysis of the rates formed. All conventional O2-.-detection methods were found to be directly affected by the biological systems studied, spin trapping with DEPMPO being the most reliable method for qualitative O2-.-detection. Quantitative O2-.-detection requires knowledge about the stability of the respective adduct. A mathematical model for the calculation of O2-.-formation rate in various detection systems is worked out.

Innerhalb dieser Arbeit wurde ein kompetitiver ELISA etabliert und validiert, der eine Quantifizierung von Drogen im humanen Serum gemäß geltender Richtlinien ermöglicht. Der Nachweis erzielte zudem vergleichbare Ergebnisse zur Referenzmethode (Massenspektrometrie). Es wurden neun Drogen (Amphetamin, Methamphetamin, Methylenedioxymethamphetamin (MDMA), Tetrahydrocannabinol (THC), Phencyclidin (PCP), Methadon, Morphin, Kokain und Benzoylecgonin) und insgesamt 33 Antikörper verwendet. Alle Reagenzien durchliefen zunächst ein stringentes Validierungsverfahren. Nach Ausschluss möglicher Kreuzreaktivitäten konnten für drei Drogen (Methadon, MDMA und Benzoylecgonin) jeweils ein Antikörper bestimmt werden, der eine spezifische und sensitive Quantifizierung der Droge ermöglichte. Mit dem anti-MDMA Antikörper war zusätzlich der Nachweis in einem miniaturisierten Format (Microarray) möglich. Die verwendeten Antikörper zeigten keine Kreuzreaktivitäten mit anderen Drogen, Antikörpern, dem Probenmaterial oder anderen Versuchskomponenten. Weiterhin wurde kein Einfluss etwaiger Abbauprodukte im langfristig gelagerten Serum beobachtet. Durch die Ergebnisse wird gezeigt, dass ein immunologischer Nachweis von Drogenmissbrauch in Serum eine verlässliche Ergänzung zu bestehenden Methoden darstellt. Bei einer Übertragung des immunologischen Ansatzes auf ein Microarray ergibt sich zudem die Möglichkeit mehrere Drogen und Serumproben parallel nachzuweisen bzw. zu vermessen. Der höhere Probendurchsatz, der kompakte Versuchsaufbau und der geringere Verbrauch an Material gehört zu den größten Vorteilen dieser Technik. / A competitive ELISA was established, which enables a reliable quantification of serological drug samples according to current guidelines. The method achieved comparable results to the standard method mass spectrometry. In total nine drugs (amphetamine, methamphetamine, 3,4-methylenedioxy-methamphetamine (MDMA), tetrahydrocannabinol (THC), phencyclidine (PCP), methadone, morphine, cocaine and benzoylecgonine) and 33 antibodies were tested. All reagents had to pass through a stringent validation process. After exclusion of cross-reactivities antibodies against three drugs (methadone, MDMA, benzoylecgonine) were validated, which allowed a specific and sensitive quantification. Additionally, by using the anti-MDMA antibody a detection of MDMA in serum on microarray (miniaturized format) was achieved. No cross-reactivities were detected for the used antibodies with other drugs, antibodies, sample material or other assay components. Furthermore, no influence of degradation products in long-stored serum was recorded. The results prove, that immunoassays can be a reliable complement to existing methods. By adapting the immunological method to a microarray, the simultaneous quantification of various drugs and serum samples is enabled. The increased through-put, smaller footprint and the decreased consumption of reagents are some of the biggest advantages of this technique.

Bei der adaptiven Immunantwort wird ein breites Repertoire an Effektor-T-Zellen gebildet, das sich durch spezifische und vielfältige funktionelle Fähigkeiten auszeichnet. Neben der Aktivierung der Immunantwort werden Mechanismen benötigt, die Immunantworten regulieren und abschalten können, um unerwünschte Immunreaktion zu verhindern. Die Arbeit befasst sich mit der Rolle von CD152 (CTLA-4), einem Homolog zu CD28, bei der Begrenzung von T-Zellantworten. Die Inhibition der Proliferationsbegrenzung der T-Zellen durch CD152 war ursprünglich auf eine späte Abschaltung der T-Zellproliferation zurückgeführt worden. Wir konnten zeigen, dass CD152 bereits die T-Zellaktivierung abschalten kann und somit die Aktivierungsschwelle der T-Zelle heraufsetzt. Wir konnten auch zeigen, dass CD152 die frühe T-Zellproliferation auf zwei Ebenen inhibiert: Durch die Transkriptionsinitiierung des autologen, Proliferation-induzierenden Zytokins IL-2 und durch die Expression von G1-Kinasen, die für das voranschreiten des Zellzyklus unerläßlich sind. Bisher war es nicht möglich, individuelle, CD152-oberflächen-exprimierende T-Zellen zu detektieren. Um die Expression von CD152 auf der Oberfläche von T-Zellen zu analysieren, haben wir eine sensitive Färbemethode für Oberflächen-exprimiertes CD152 etabliert. Wir konnten damit zeigen, dass während einer antigen-spezifischen Stimulation Zellmembran-gebundenes CD152 lediglich auf einer Subpopulation von aktivierten Zellen (CD152+ T-Zellen) exprimiert wird. Isolierte, aktivierte CD152+ T-Zellen waren im Gegensatz zu aktivierten CD152- T-Zellen bei Restimulation in ihrer Proliferation inhibiert. Dies zeigt auch, dass CD152 in der Lage ist, bereits aktivierte T-Zellen zu inhibieren. Die heterogene Expression von CD152 auf der Oberfläche lässt vermuten, dass die CD152 exprimierenden Zellen, wenn sie ein CD152-Signal bekommen, eine andere Zelldifferenzierung einschlagen als Zellen ohne CD152. Wiederholte oder chronische Aktivierung von Th-Zellen führt zu einer Form von Apoptose, dem Aktivierungs-induzierter Zelltod, gegen den Th2-Zellen resistent sind. Aktivierte Th2-Zellen exprimieren, im Gegensatz zu Th1-Zellen, häufiger CD152 auf ihrer Oberfläche. Wir konnten zeigen, dass CD152-Kreuzvernetzung von aktivierten T-Zellen direkt Resistenz gegen Apoptose vermittelt. Dies geschieht, indem ein Signaltransduktionsmolekül, die PI3´Kinase, aktiviert wird. Dies führt zur Inaktivierung von Apoptose-unterstützenden Molekülen (Phosphorylierung von FKHRL1 und Herunterregulation von FasL) und zur Induktion des Apoptose-verhindernden Moleküls Bcl-2. Vermeidung von Apoptose ist eine zentrale Voraussetzung zur Induktion von Gedächtniszellen. CD152 exprimierende Zellen wären somit gute Kandidaten, um zu Gedächtniszellen zu differenzieren. Um die Rolle von CD152 bei der späten T-Zelldifferenzierung in vivo untersuchen zu können, wurde das CD152 Gen konditionell in der Maus mutagenisiert. / During adaptive immune responses a broad repertoire of effector T-cells is generated, characterized by diverse functional capabilities. Besides activation of the immune response other mechanisms are needed in order to regulate and terminate responses, thus preventing unwanted immune reactions. Here I focus on the role of CD152 (CTLA-4), a homologue of CD28, in the limitation of T-cell responses. Inhibition of T-cell-proliferation by CD152 was originally attributed to a late regulation of the T-cell proliferation. We now show that CD152 is already able to prevent the activation of T-cells and to set the threshold for their activation. We also show that CD152 inhibits T-cell activation in two ways: It inhibits the induction of the growth-factor IL-2 and it inhibits the expression of G1-kinases mandatory for the progression of the cell cycle. Until now, it has not been possible to detect individual T-cells expressing CD152 at their surface. To analyze the expression of CD152 at the surface of individual cells, we developed a sensitive staining method. Using this technique we could show that antigen-specific stimulation of T-cells leads to the expression of surface-bound CD152 only on a fraction of the activated T-cells. Isolated, activated CD152+ T-cells were inhibited in their proliferation whereas CD152- T cells were not. This also shows that CD152 is indeed able to inhibit already activated T-cells. The heterogenous expression of CD152 at the cell surface of already activated T-cells also suggests that CD152+ T-cells will differentiate differently compared to CD152-T-cells. Repeated or chronic activation of Th-cells leads to one form of apoptosis, activation-induced cell death (AICD), against which Th2-cells are resistant. Activated Th2-cells express surface CD152 at higher frequencies than Th1-cells. We show here, that CD152-crosslinking of activated T-cells directly induces resistance against AICD by a mechanism requiring PI3´kinase. This leads to the inactivation of pro-apoptotic molecules (phosphorylation of FKHRL1 and downregulation of FasL). It also leads to the induction of the survival molecule Bcl-2. Prevention of apoptosis is a central prerequisite for the generation of memory cells. Therefore, surface CD152+ T-cells might be good candidates to differentiate into memory cells. To investigate the role of CD152 during the differentiation of T-cells in vivo, the CD152 gene was conditional mutagenese of the CD152 gene was generated.

Die vorliegende Arbeit ist im Rahmen eines Projektes zur Untersuchung der Genexpression bei Tiermodellen neurologischer Erkrankungen entstanden. Mit herkömmlichen Kandidatenansätzen ist eine Genexpressionsanalyse nur in beschränktem Umfang zu realisieren. Ziel war daher die Etablierung eines Verfahrens wie SAGE (serielle Analyse der Genexpression), das die Analyse des gesamten Transkriptoms zuläßt. Wie die Arbeit zeigt, ist SAGE in einem Standardlabor durchführbar. Es wurden geringfügige Abwandlungen der Orginalmethode eingeführt. Zur Sequenzfehlerkorrektur wurde ein spezielles Computerprogramm entwickelt und evaluiert. Zur Evaluierung der statistischen Auswertung von SAGE wurde zusätzlich zu einer Darstellung des gesamten statistischen Entscheidungsprozesses explorativ die Situation statistischer Entscheidungen wie sie im Rahmen üblicher SAGE Experimente auftreten mit vier Tests nachgeahmt. Es wurde eine Testvariante (modifizierter Z-Test) angewandt und evaluiert, die bis dato noch nicht zur Auswertung von SAGE benutzt worden war. Um die Reliabilität von SAGE abschätzen zu können, wurde von vier Mäusegroßhirnen die Gesamt-RNS vereinigt. Diese Transkriptgrundpopulation wurde zweigeteilt und parallel untersucht. Die beiden Gruppen wurden anhand eines statistischen Tests, der die gesamte Verteilungen der beiden Profile prüft, auf Homogenität untersucht. Zusätzlich wurde das Zusammenhangsmaß ermittelt. Dies ergab, daß die Reliabilität von SAGE im vorliegenden Kontext (relativ geringe Stichprobe und ein komplexes Gewebe) nicht optimal ist. Es kann jedoch keine Aussage dazu gemacht werden, ob dies der Methode selbst, das heißt ihrer molekularbiologischen Praxis und der Datenaufbereitung, anzulasten ist oder einer großen Stichprobenvariabilität. Dies bedeutet, daß in der vorliegenden Arbeit keine endgültige Aussage zur Reliabilität von SAGE möglich ist. Es werden Möglichkeiten dargestellt mit einer suboptimale Reliabilität im Rahmen von zukünftigen Projekten umzugehen. / The work presented here evolved within the framework of a project that examines gene expression of neurological conditions in animal models. Using conventional methods (candidate genes study) gene expression analysis is limited. Hence, the aim was to establish a procedure like SAGE (serial analysis of gene expression) that allows for analysis of the entire transcriptome. As shown it is possible to perform SAGE in a standard laboratory. Minor changes to the original version were made. A special computer program was developed and evaluated to reduce sequencing errors. In addition to a description of the entire statistical process, the statistics of SAGE were explored by simulating normal SAGE experiments, using 4 statistical tests. One test version (modified Z-test) that has not been used for statistical analysis of SAGE yet was applied and reviewed. To assess the reliability of SAGE the total-RNA of 4 corteces of mice was extracted and combined. This basic transcript population was divided in two and the parts examined in parallel. Both groups were analysed using a statistical test that tests the entire distribution of both profiles for homogeneity. Additionally the correlation (and its degree) of the profiles was calculated. The result was that the reliability of SAGE is not optimal in the context of this work (relatively small sample and complex tissue). However, no conclusion can be drawn as to whether the method itself (biomolecular practice and data analysis) is responsible for this, or whether it is due to sample variability. This means that in the work presented here no final statement concerning the reliability of SAGE is possible. Possibilities are described to deal with the issue of suboptimal reliability within the framework of future projects.

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.

Wichtige Marker in der klinischen Routine für die Risikoabschätzung von kardiovaskulären Erkrankungen (CVD) sind Blutcholesterinwerte auf Basis von Lipoproteinklassen wie ''schlechtes'' LDL oder ''gutes'' HDL. Dies vernachlässigt, dass jede Lipoproteinklasse eine nicht-homogene Population von Lipoproteinpartikeln unterschiedlicher Zusammensetzung aus Lipiden und Proteinen bildet. Studien zeigen zudem, dass solche Sub-populationen von Lipoproteinen im Stoffwechsel als auch im Beitrag zu CVD unterschiedlich sind. Mehrwert und routinemäßiger Einsatz einer detaillierteren Auftrennung von Lipoproteinen sind jedoch umstritten, da die experimentelle Fraktionierung und Analyse aufwendig, zeit- und kostenintensiv sind. Die vorliegende Arbeit ''Computational Lipidology'' präsentiert einen neuartigen Modellierungsansatz für die Berechnung von Lipoproteinverteilungen (Lipoproteinprofil) im Blutplasma, wobei erstmals individuelle Lipoproteinpartikel anstelle von Lipoproteinklassen betrachtet werden. Das Modell berücksichtigt elementare Bestandteile (Lipide, Proteine) und Prozesse des Stoffwechsel von Lipoproteinen. Stochastische wie deterministische Simulationen errechnen auf Basis aller Lipoproteinpartikel im System deren Dichteverteilung. Die Modellberechnungen reproduzieren erfolgreich klinisch gemessene Lipoproteinprofile von gesunden Patienten und zeigen Hauptmerkmale von pathologischen Situationen, die durch Störung eines der zugrundeliegenden molekularen Prozesse verursacht werden. Hochaufgelöste Lipoproteinprofile zeigen die Verteilung von sogenannten ''high-resolution density sub-fractions'' (hrDS) innerhalb von Hauptlipoproteinklassen. Die Ergebnisse stimmen mit klinischen Beobachtungen sehr gut überein, was die Arbeit als einen signifikanten Schritt in Richtung Analyse von individuellen Unterschieden, patienten-orientierte Diagnose von Fettstoffwechselstörungen und Identifikation neuer Sub-populationen von potentiell klinischer Relevanz qualifiziert. / Monitoring the major lipoprotein classes, particularly low-density lipoproteins (''bad'' LDL) and high-density lipoproteins (''good'' HDL) for characterizing risk of cardiovascular disease (CVD) is well-accepted and routine in clinical practice. However, it is only one-half of the truth as lipoprotein classes comprise non-homogeneous populations of lipoprotein particles varying significantly in their composition of lipids and apolipoproteins. Various studies have shown differing metabolic behavior and contribution to CVD of individual lipoprotein sub-populations. Nevertheless, the superiority of more detailed lipoprotein fractionation is still a matter of debate because experimental separation and analysis is an elaborate, time-consuming and expensive venture and not yet worthwhile for routine measurements. The present work ''Computational Lipidology'' aims at establishing a novel modeling approach to calculate the distribution of lipoproteins (lipoprotein profile) in blood plasma being the first that settles on individual lipoprotein complexes instead of common lipoprotein classes. Essential lipoprotein constituents and processes involved in the lipoprotein metabolism are taken into account. Stochastic as well as deterministic simulations yield the distribution of lipoproteins over density based on the set of individual lipoprotein complexes in the system. The model calculations successfully reproduce lipoprotein profiles measured in healthy subjects and show main characteristics of pathological situations elicited by disorder in one of the underlying molecular processes. Moreover, the model reveals the distribution of high-resolution lipoprotein sub-fractions (hrDS) within major density classes. The results show satisfactory agreement with clinical observations which qualifies the work as a significant step towards analyzing inter-individual variability, patient-oriented diagnosis of lipid disorders and identifying new sub-fractions of potential clinical relevance.