Seit Jahrhunderten wird menschliches Wissen in Form von natürlicher Sprache ausgetauscht und in Dokumenten schriftlich aufgezeichnet. In den letzten Jahren konnte man auf dem Gebiet der Lebenswissenschaften eine exponentielle Zunahme wissenschaftlicher Publikationen beobachten. Diese Dissertation untersucht die automatische Extraktion von Beziehungen zwischen Eigennamen. Innerhalb dieses Gebietes beschäftigt sich die Arbeit mit der Steigerung der Robustheit für die Relationsextraktion. Zunächst wird der Einsatz von Ensemble-Methoden anhand von Daten aus der "Drug-drug-interaction challenge 2013" evaluiert. Ensemble-Methoden erhöhen die Robustheit durch Aggregation unterschiedlicher Klassifikationssysteme zu einem Modell. Weiterhin wird in dieser Arbeit das Problem der Relationsextraktion auf Dokumenten mit unbekannten Texteigenschaften beschrieben. Es wird gezeigt, dass die Verwendung des halb-überwachten Lernverfahrens self training in solchen Fällen eine höhere Robustheit erzielt als die Nutzung eines Klassifikators, der lediglich auf einem manuell annotierten Korpus trainiert wurde. Zur Ermittlung der Robustheit wird das Verfahren des cross-learnings verwendet. Zuletzt wird die Verwendung von distant-supervision untersucht. Korpora, welche mit der distant-supervision-Methode erzeugt wurden, weisen ein inhärentes Rauschen auf und profitieren daher von robusten Relationsextraktionsverfahren. Es werden zwei verschiedene Methoden untersucht, die auf solchen Korpora trainiert werden. Beide Ansätze zeigen eine vergleichbare Leistung wie vollständig überwachte Klassifikatoren, welche mit dem cross-learning-Verfahren evaluiert wurden. Um die Nutzung von Ergebnissen der Informationsextraktion zu erleichtern, wurde die semantische Suchmaschine GeneView entwickelt. Anforderungen an die Rechenkapazität beim Erstellen von GeneView werden diskutiert und Anwendungen auf den von verschiedenen Text-Mining-Komponenten extrahierten Daten präsentiert. / For several centuries, a great wealth of human knowledge has been communicated by natural language, often recorded in written documents. In the life sciences, an exponential increase of scientific articles has been observed, hindering the effective and fast reconciliation of previous finding into current research projects. This thesis studies the automatic extraction of relationships between named entities. Within this topic, it focuses on increasing robustness for relationship extraction. First, we evaluate the use of ensemble methods to improve performance using data provided by the drug-drug-interaction challenge 2013. Ensemble methods aggregate several classifiers into one model, increasing robustness by reducing the risk of choosing an inappropriate single classifier. Second, this work discusses the problem of applying relationship extraction to documents with unknown text characteristics. Robustness of a text mining component is assessed by cross-learning, where a model is evaluated on a corpus different from the training corpus. We apply self-training, a semi-supervised learning technique, in order to increase cross-learning performance and show that it is more robust in comparison to a classifier trained on manually annotated text only. Third, we investigate the use of distant supervision to overcome the need of manually annotated training instances. Corpora derived by distant supervision are inherently noisy, thus benefiting from robust relationship extraction methods. We compare two different methods and show that both approaches achieve similar performance as fully supervised classifiers, evaluated in the cross-learning scenario. To facilitate the usage of information extraction results, including those developed within this thesis, we develop the semantic search engine GeneView. We discuss computational requirements to build this resource and present some applications utilizing the data extracted by different text-mining components.

Wir haben im Hippocampus von transgenen Mäusen, die grün fluoreszierendes Protein (GFP) unter der Kontrolle eines Promotors für Nestin exprimieren, mutmaßliche Neuronale Vorläuferzellen identifiziert. Wir haben bereits in früheren Arbeiten gezeigt, dass Nestin-GFP exprimierende Vorläuferzellen in der subgranularen Zone des adulten Gyrus Dentatus sich in zwei Subpopulationen entsprechend ihrer morphologischen Eigenschaften einteilen lassen. Eine kleine, morphologisch unterscheidbare Population von Vorläuferzellen mit neuronalen Eigenschaften erhielt GABAergen, aber keinen glutamatergen Input, dies widerspiegelt die Situation während der Entwicklung des Gehirns. Außerdem haben wir ecto-nucleotidase NTPDase2 und functionelle P2X Rezeptoren in hippocampalen Vorläuferzellen identifiziert. Wir haben auch das Verhalten Nestin exprimierender Zellen bis zu 8 Wochen nach 30 minütiger Occlusion der mittleren cerebralen Arterie (MCAo)/reperfusion und im murinen experimentellen Glioblastom Modell untersucht. Neben den bereits publizierten Ergebnissen, die ich auch in meiner Doktorarbeit vorgestellt habe, habe ich die elektrophysiologischen Eigenschaften der Nestin-GFP-exprimierenden Zellen in der Amygdala und im CA 1 des Hippocampus untersucht. / Using transgenic mice that express green fluorescent protein (GFP) under control of the nestin promoter, the putative precursor cells were identified. We have previously shown that nestin-GFP expressing precursor cells in the adult subgranular zone of hippocampal dentate gyrus could be divided into two distinct subpopulations based on morphological criteria. A small, morphological distinct population of precursor cells with neuronal properties received GABAergic, but not glutamatergic input similar as in brain development. We identified ecto-nucleotidase NTPDase2 and functional P2X receptors at hippocampal progenitor cells. We also studied the fate of nestin-GFP-expressing cells up to 8 weeks after 30 mins occlusion of the middle cerebral artery (MCAo)/reperfusion and in murine experimental glioblastoma model. Except for the published results which was included in this PhD dissertation, I also studied the electrophysiology properties of nestin-GFP-expression cells in amygdala and in Ca1 of hippocampus.

Hormonell wirksame Chemikalien, wie Pflanzenschutzmittel oder Pharmaka gelangen durch Abwässer in die Umwelt und akkumulieren vor allem in Oberflächengewässern. Ein erhöhtes Augenmerk liegt auf Substanzen, die durch (anti)androgene und (anti)östrogene Wirkungsweise die Reproduktion von Tieren und Menschen beeinträchtigen. Bei den bisherigen Nachweismethoden für diese Stoffe handelt es sich um invasive Methoden, die das Töten der Tiere beinhalten. Diesen Methoden mangelt es jedoch an der nötigen Sensitivität, um umweltrelevante Konzentrationen der endokrinen Disruptoren (EDs) nach Kurzzeitexposition nachweisen zu können, sowie am Vermögen, alle vier Wirkmechanismen (androgen, antiandrogen, östrogen und antiöstrogen) mit einer einzelnen Testmethode feststellen und unterscheiden zu können. In dieser Studie wurde deshalb mit Hilfe männlicher Afrikanischer Krallenfrösche (Xenopus laevis) eine Testmethode entwickelt, bei der die Frösche verschiedenen (anti)androgenen und (anti)östrogenen EDs ausgesetzt wurden und ihr Rufverhalten untersucht wurde. Diese nicht-invasive Methode erwies sich als schnell und höchst sensitiv. Zudem war es erstmals möglich, die vier verschiedenen Wirkmechanismen allein anhand veränderter Ruftypen und Rufparameter zu bestimmen und zu unterscheiden. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass bei Anwendung dieser Methode die Möglichkeit besteht, die Versuchstiere in weiteren Tests wiederzuverwenden, da die Rufparameter nach einer expositionsfreien Zeit von sechs Wochen wieder Kontrollwerte erreichten. Zusammengefasst kann die hier vorgestellte verhaltensphysiologische und damit nicht-invasive Methode als Biomarker für den Nachweis von (anti)androgenen und (anti)östrogenen EDs verwendet werden. Ferner zeigt die hohe Sensitivität des Tests, sowie die Möglichkeit der vollautomatischen Analyse enormer Datenmengen, dass dieser schnelle Verhaltenstest ein großes Potential hat, ein sensitiver, standardisierter und nicht-invasiver Biomarker zu werden. / Endocrine disrupting compounds (EDCs), such as herbicides, pesticides or pharmaceuticals enter the environment via sewage effluents and especially accumulate in surface waters. Research efforts so far mainly focused on EDCs with (anti)androgenic and (anti)estrogenic modes of action (MOAs), which can interfere with reproductive biology of vertebrates. To date, biomarkers for the assessment of such compounds are invasive techniques, which are not sensitive enough to detect EDCs after short-term exposures and which cannot distinguish between the four MOAs. Hence, in this study a non-invasive method for the assessment of EDCs was developed using male African clawed frogs (Xenopus laevis) as model species. Frogs were exposed to individual (anti)androgenic and (anti)estrogenic EDCs in the surrounding water and their calling behavior was analyzed. This non-invasive method turned out to be a fast and highly sensitive biomarker for the detection of (anti)androgenic and (anti)estrogenic EDCs. Moreover, this method was able to differentiate between the four different MOAs solely by determining affected parameters of the calling behavior. It was also shown that by using this method, it might be possible to reuse already tested experimental animals, because the measured affected parameters were reversed after a period of six weeks under control conditions. Taken together the here established non-invasive behavioral method can be used as biomarker for the detection of (anti)androgenic and (anti)estrogenic EDCs. Furthermore, the high sensitivity of this testing method, as well as the possibility of analyzing vast datasets rapidly in a completely automated fashion indicate the huge potential for this rapid behavior test to become a sensitive, standardized, non-invasive biomarker.

Die chronisch ischämische Herzkrankheit und der Myokardinfarkt (MI) sind die häufigsten Gründe für schwere Krankheit und vorzeitigen Tod in den entwickelten Ländern. Langfristig kommt es als Folge des Infarktes zur Kollateralgefäßbildung und zur Entwicklung einer kompensatorischen Herzhypertrophie. Eine Vielzahl von adaptativen Veränderungen in diesem Prozess konnte identifiziert werden. Wir konnten zeigen, dass in der akuten Phase nach MI Kontraktions- und Relaxationsgeschwindigkeit des Myokards erhöht waren. Die Expression der Hitzeschockproteine (HSP) 25 und 72 war verstärkt und korrelierte mit der Relaxationsgeschwindigkeit. In der chronischen Phase nach MI entwickelte sich eine signifikante Herzhypertrophie, die mit verminderter Kontraktions- und Relaxationsgeschwindigkeit einherging. Für die verlangsamte Relaxation war die verminderte Aktivität der Ca2+-ATPase des sarkoplasmatischen Retikulums (SERCA) als entscheidender Faktor anzusehen. Bei transgener Überexpression von Renin / Angiotensinogen ist die Relaxationsgeschwindigkeit des Myokards war wie auch nach MI durch geringere SERCA- Protein Expression vermindert. Die Empfindlichkeit der kontraktilen Funktion gegenüber Sauerstoffmangel und Reoxygenierung war nach MI gegenüber dem Kontrollmyokard geringer. Dafür konnten die verstärkte Expression der antioxidativ wirksamen HSPs und die erhöhte Aktivität der Glutathionperoxidase und der Superoxiddismutase, eine Verschiebung des Kreatinkinase (CK)- Isoenzymmusters und eine verminderte SERCA- Aktivität verantwortlich gemacht werden. Die Repolarisation der Aktionspotentiale der Kardiomyozyten war nach MI gegenüber den Kontrolltieren signifikant verlangsamt. Bereits eine 10-fach geringere artifizielle Dehnung des Gewebes führte nach MI im Vergleich zu Kontrolltieren zum Auftreten von Nachdepolarisationen und Extra-Aktionspotentialen. Ausschließlich in MI ließ sich durch die artifizielle Dehnung Vorhofflimmern auslösen, d.h. nach Myokardinfarkt war der mechano- elektrische Feedback Mechanismus empfindlicher. Die dehnungsinduzierten Veränderungen konnten durch Gadolinium unterdrückt werden, was auf eine Beteiligung von dehnungsaktivierten Ionenkanälen an den beobachteten Phänomenen schließen ließ. Auch kardiale Fibroblasten zeigten nach MI signifikante Änderungen ihrer elektrophysiologischen Eigenschaften, was zur Arrhythmieentstehung beitragen kann. Mittels molekularer Analysen konnten wir zeigen, dass der unter Sauerstoffmangel stabilisierte Transkriptionsfaktor Hif-1alpha in der Lage ist, den Promoter des Wilms' Tumor Suppressor Gens 1 (WT1) direkt transkriptionell zu aktivieren. Das führte zu verstärkter Expression von WT1 in den Herzen nach Myokardinfarkt, und zu verstärkter Expression von WT1 in Herz und Niere bei systemischer normobarer Hypoxie. Die WT1 Expression im Herzen nach MI ließ sich in den Koronargefäßen lokalisieren. Koexpression mit Proliferations- und Vaskulogenesemarkern ließ vermuten, dass WT1 nach MI eine wichtige Rolle für die Neovaskulogenese spielt. Die gewonnenen Ergebnisse tragen zum Verständnis der pathophysiologischen Veränderungen bei kardialer Hypertrophie nach Myokardinfarkt bei und eröffnen möglicherweise langfristig neue therapeutische Ansätze. / Chronic ischemic heart disease and myocardial infarction are the most common causes for morbidity and mortality in industrialized countries. A survived myocardial infarction (MI) results in a long run in collateral formation and the development of cardiac hypertrophy. A variety of adaptive responses in this process had been identified. We could show that in the acute phase after Mi in rats, contraction- and relaxation rates of the myocardium are increased. The higher relaxation rate correlates to an increased expression of heat shock proteins. In the chronic phase after MI, with the development of cardiac hypertrophy, contraction and relaxation rates decrease. The decrease in the relaxation rate could be attributed to a reduced activity of the Ca- ATPase of the sarcoplasmic reticulum (SERCA2). Transgenic overexpression of renin / angiotensinogen also resulted in a reduced SERCA2 expression and, consequently, lower relaxation rate. The susceptibility of contractile function to hypoxia - reoxygenation was reduced after MI compared to sham operated control animals. The lower susceptibility to hypoxia - reoxygenation could be attributed to an increased expression of heat shock proteins, higher activities of the antioxidant enzymes glutathionperoxidase and superoxiddismutase, shifts in the isoenzyme distribution of the creatine kinase, and a reduced SERCA2 activity. Repolarization of cardiomyocyte action potentials was found to be delayed after MI. A 10-fold lower artificial stretch of the tissue after MI than after sham operation caused afterdepolarizations and extra action potentials. Higher artificial stretch caused atrial fibrillation only after MI suggesting an intensified mechano-electrical feedback mechanism after MI. Stretch- induced electrical abnormalities could be suppressed by gadolinium suggesting the involvement of stretch-activated ion channels in the electrical abnormalities. Also electrophysiological properties of cardiac fibroblasts were significantly altered after MI, which may contribute to the increased risk for arrhythmia after infarction. Furthermore, we could show that the Hif-1alpha transcription factor, which is stabilized under hypoxic conditions is capable to directly activate the Wilms'' tumor suppressor 1 (WT1) transcriptionally. This leads to an increased expression of WT1 in the heart after MI and in heart and kidneys after systemic hypoxia. After MI, WT1 is expressed mainly in coronary vessels. Co-expression of WT1 with markers of proliferation and vasculogenesis suggests a role of WT1 in neovasculogenesis. These findings contribute to our understanding of pathophysiological alterations in the development of cardiac hypertrophy after MI and may contribute to the development of new therapeutic approaches.

LBP vermittelt im Wirtsorganismus die direkte Immunantwort auf bakterielle Liganden wie das Lipopolysaccharid (LPS) von Gram-negativen oder Lipopeptide von Gram-positiven Bakterien. In dieser Arbeit wurde die Funktionsweise von LBP weiter aufgeklärt. Im ersten Teil der Arbeit wurde eine natürlich vorkommende Mutation des LBP (c998t), die an Position 333 zu einem Austausch der Aminosäure Prolin zu Leucin führt, hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf Struktur und Funktionalität des Proteins untersucht. Westernblot-Analysen des rekombinant hergestellten Proteins und humaner Seren von Mutationsträgern weisen auf einen Zerfall des mutierten Proteins hin. Es kommt zu einer Beeinträchtigung der Bindung bakterieller Liganden und einer deutlichen Reduktion der LBP-vermittelten Zytokinausschüttung von Immunzellen. Der hier untersuchte Polymorphismus hat eine Allelfrequenz von 0,072 in einer gesunden europäischen Population. Genotypanalysen von Patientengruppen zeigten, dass es durch die Mutation zu einer deutlich erhöhten Mortalität bei Patienten mit septischen Komplikationen und einer durch Gram-negative Erreger verursachten Pneumonie kommt. Unsere Ergebnisse zur eingeschränkten Funktion des LBP-c998t bieten eine erste Erklärung dafür, wie diese Mutation vermutlich die Fähigkeit, Krankheiten zu bewältigen, beeinträchtigt. Innerhalb dieser Arbeit ging es um die Analyse der Bindung von bakteriellen Liganden an LBP. Dabei wurde eine potentiell gemeinsame Bindungsstelle für Liganden untersucht, die von Gram-positiven und Gram-negativen Bakterien stammen und später von den Toll-like Rezeptoren (TLRs) 2 und -4 erkannt werden. Dazu wurden Bindungsversuche zwischen Lipopeptiden und LPS mit einer zweiten LBP-Variante (LBP-E94/95) durchgeführt. Beim LPS führt dies zu einem Bindungsverlust. Auch für die Lipopeptide war durch die Mutationen die Interaktion mit LBP beeinträchtigt, was die These einer gemeinsamen Bindungsstelle von TLR2- und TLR4-Liganden an das Protein weiter unterstützt. / LBP enhances the innate immune reaction against bacterial ligands like LPS from gram negative or lipopeptides from gram positive bacteria in the host. Here we investigated the function of LBP using two recombinant mutants of the protein. The first part of this work examines a natural occurring mutation of LBP (c998t) leading to an amino acid exchange of proline to leucine at position 333 with regard to the impact on structure and function of the protein. Western blot analyses of the recombinant protein and sera obtained from individuals differing in the LBP genotype indicate the disaggregation of the mutated protein. Thereby binding of bacterial ligands to LBP is diminished and the LBP mediated cytokine secretion of immune cells is reduced. The gene polymorphism leading to the occurrence of the mutation is present with an allelic frequence of 0.072. A recent study has shown that this LBP-SNP led to a higher mortality in patients with septic complications and gram negative pneumonia. The results presented here, showing the negative impact on the function of LBP due to the mutation, may therefore be a first explanation on how this mutation affects the ability of people to deal with disease. Within this work binding of ligands to LBP was also explored. It was investigated whether ligands which are later recognized by Toll-like receptors (TLRs) 2 and – 4 share a common binding site on LBP. Assays with immobilized lipopeptides and LPS were performed with a second mutated LBP (LBP-E94/95). LPS binding to LBP is diminished completely. Here we showed that binding of lipopeptide to LBP is affected likewise, furthermore supporting the hypothesis of a common binding site for TLR2- and TLR4- ligands.

In der Arbeit wurde die Rolle von Bakterien für das Entstehen von Autoimmunität untersucht. Insbesondere wurde untersucht, inwieweit Bakterien entweder spezifisch (über "Kreuzreaktivität") oder antigenunabhängig (über "Bystander-Aktivierung") eine Aktivierung von autoreaktiven CD4+- T-Zellen induzieren können. Es konnte gezeigt werden, dass es bei dem untersuchten, MBP-spezifischen T-Zellrezeptor multiple, natürlich vorkommende, kreuzreaktive Peptide mikrobiellen Ursprungs gibt, die eine Aktivierung der T-Zellen hervorrufen und in vivo experimentelle autoimmune Enzephalomyelitis (EAE) induzieren können. Weiterhin wurde untersucht, inwieweit Lipopolysaccharid (LPS) als unspezifischer Aktivator des Immunsystems eine Aktivierung der autoreaktiven T-Zellen in vitro hervorrufen kann und inwieweit in vivo EAE durch LPS hervorgerufen werden kann. Es wurde gezeigt, dass LPS in vitro einen kleinen Anteil der CD4+ - T-Zellen aktiviert. Wurden den transgenen T+alpha- -Mäusen LPS appliziert, erkrankten diese an EAE. Somit gibt es sowohl in vitro als auch in vivo in den T+alpha- -Mäusen Hinweise für eine Relevanz von "Bystander-Aktivierung". Abschließend wurde diskutiert, inwieweit entweder "Kreuzreaktivität" oder "Bystander-Aktivierung" als Auslöser für Autoimmunität unter physiologischen Bedingungen in Frage kommt. Aufgrund der in dieser Arbeit gezeigten Ergebnisse wurde postuliert, dass keine der beiden Mechanismen alleiniger Auslöser sei, da es aufgrund der Häufigkeit von Infektionen, kreuzreaktiven Peptiden und des Vorkommens von autoreaktiven T-Zellen auch in gesunden Individuen ansonsten sehr viel häufiger zu Autoimmunität kommen müsste. Unter bestimmten Bedingungen könnte die Aktivierung von T-Zellen über Kreuzreaktivität oder über "Bystander-Aktivierung" Autoimmunität auslösen oder verstärken, wenn bereits andere Mechanismen des Immubnsystems, die Autoimmunität verhindern, versagt haben. / In this thesis the role of bacteria for the induction of autoimmunity was investigated. In detail, it was examined whether bacteria are able to activate autoreactive CD4+-T-cells antigen-specific ("cross-reactivity") or antigen-unspecific ("bystander-activation"). It was shown that the examined transgenic MBP-peptide specific T-cell-receptor recognized many natural occurring cross-reactive peptides of microbial origin, which induced an activation of the T-cells in vitro and which could induce autoimmune encephalomyelitis (EAE) in the T-cell-receptor transgenic mice in vivo. Furthermore, it was examined, whether lipopolysaccharide (LPS) as activator of the innate immune system could induce an unspecific activation of the autoreactive T-cells in vitro and whether administration of LPS in the transgenic mice could induce EAE in vivo. It was shown that LPS activates a small percentage of CD4+ - T-cells. Application of LPS to the transgenic T+alpha- mice induced EAE. Therefore, the role of bystander-activation was indicated in vitro and in vivo. Finally, it was discussed, whether either cross-reactivity or bystander-activation could be sufficient for inducing autoimmunity under physiologic conditions. Due to the results presented in this work, it is postulated that none of the both mechanisms could be inductor of autoimmunity alone. If one of these mechanisms was sufficient, autoimmunity in humans should be a frequent event, because infections and autoreactive T cells are both findings which occur in healthy humans very often. However, under certain conditions either cross-reactivity or bystander-activation could trigger or exacerbate autoimmunity, when other mechanisms which inhibit autoimmunity have failed.

Es gibt tausende regulatorische Proteine in Eukaryoten, die spezifische cis-regulatorischen Elemente von Genen und/oder RNA-Transkripten binden und die Genexpession koordinieren. Auf DNA-Ebene modulieren Transkriptionsfaktoren (TFs) die Initiation der Transkription, während auf RNA-Ebene RNA-bindende Proteine (RBPs) viele Aspekte des RNA-Metabolismus und der RNA-Funktion regulieren. Für hunderte dieser regulatorischer Proteine wurden die gebundenen Gene beziehungsweise RNA-Transkripte, sowie deren etwaige Sequenzbindepräferenzen mittels in vivo oder in vitro Hochdurchsatz-Experimente bestimmt. Zu diesen Methoden zählen unter anderem Chromatin-Immunpräzipitation (ChIP) gefolgt von Sequenzierung (ChIP-seq) und Protein Binding Microarrays (PBMs) für TFs, sowie Cross-Linking und Immunpräzipitation (CLIP)-Techniken und RNAcompete für RBPs. In vielen Fällen kann die zum Teil hohe Bindespezifität für ein zumeist sehr kurzes Sequenzmotiv regulatorischer Proteine nicht allein durch die gebundene Primärsequenz erklärt werden. Um besser zu verstehen, wie verschiedene Proteine ihre regulatorische Spezifität erreichen, haben wir zwei Computerprogramme entwickelt, die zusätzliche Informationen in die Analyse von experimentell bestimmten Bindestellen einbeziehen und somit differenziertere Bindevorhersagen ermöglichen. Für Protein-DNA-Interaktionen untersuchen wir die Bindungsspezifität paraloger TFs (d.h. Mitglieder der gleichen TF-Familie). Mit dem Fokus auf der Unterscheidung von genomischen Regionen, die in vivo von Paaren eng miteinander verwandter TFs gebunden sind, haben wir ein Klassifikationsframework entwickelt, das potenzielle Co-Faktoren identifiziert, die zur Spezifität paraloger TFs beitragen. Für Protein-RNA-Interaktionen untersuchen wir die Rolle von RNA-Sekundärstruktur und ihre Auswirkung auf die Auswahl von Bindestellen. Wir haben einen Motif-Finding-Algorithmus entwickelt, der Sekundärstruktur und Primärsequenz integriert, um Bindungspräferenzen der RBPs besser zu bestimmen. / There are thousands of eukaryotic regulatory proteins that bind to specific cis regulatory regions of genes and/or RNA transcripts and coordinate gene expression. At the DNA level, transcription factors (TFs) modulate the initiation of transcription, while at the RNA level, RNA-binding proteins (RBPs) regulate every aspect of RNA metabolism and function. The DNA or RNA targets and/or the sequence preferences of hundreds of eukaryotic regulatory proteins have been determined thus far using high-throughput in vivo and in vitro experiments, such as chromatin immunoprecipitation (ChIP) followed by sequencing (ChIP-seq) and protein binding microarrays (PBMs) for TFs, or cross-linking and immunoprecipitation (CLIP) techniques and RNAcompete for RBPs. However, the derived short sequence motifs do not fully explain the highly specific binding of these regulatory proteins. In order to improve our understanding of how different proteins achieve their regulatory specificity, we developed two computational tools that incorporate additional information in the analysis of experimentally determined binding sites. For protein-DNA interactions, we investigate the binding specificity of paralogous TFs (i.e. members of the same TF family). Focusing on distinguishing between genomic regions bound in vivo by pairs of closely-related TFs, we developed a classification framework that identifies putative co-factors that provide specificity to paralogous TFs. For protein-RNA interactions, we investigate the role of RNA secondary structure and its impact on binding-site recognition. We developed a motif finding algorithm that integrates secondary structure together with primary sequence in order to better identify binding preferences of RBPs.

Mathematische Modellierung ist ein wichtiges Werkzeug biologischer Forschung geworden, was sich in der Entstehung von Systembiologie widerspiegelt. Eine erfolgreiche Anwendung mathematischer Methoden auf biologische Fragen erfordert die Zusammenarbeit zwischen experimentell und theoretisch arbeitenden Wissenschaftlern, auch um sicherzustellen, dass die Biologie im Modell adäquat dargestellt wird. Ich präsentiere hier zwei Untersuchungen zur Anpassung von Saccharomyces cere- visae an hyperosmotische Bedingungen: Eine biologisch detailgetreue Beschreibung der Signaltransduktion zur Aktivierung von Hog1 und ein Model, das Anpassung an osmotischen Stress in zellulärem Zusammenhang beschreibt. Die Studie zur Osmoadaptation in zellulären Kontext impliziert, dass Hog1 und Fps1, zwei wichtige Bausteine dieses Adaptationsvorgangs, miteinander in Wechselwirkung treten und dies zur Anpassung beiträgt. Dieses Ergebnis wird durch die Integration verschiedener Hefestämme mit zum Teil gegensätzlich wirkenden Mutationen ermöglicht. Diese Studie offenbart des weiteren, dass die Rolle von Glycerol in der langfristigen Anpassung bisher überschätzt wurde. Die hier präsentierten Ergebnisse zeigen, dass Glycerol als ’Not’-Osmolyt eingesetzt wird und andere Stoffe, z.B. Trehalose, erheblich zu dauerhafter Osmoadaptation beitragen. Durch die Betrachtung des Zustands mehrerer zellulärer Mechansimen wird deutlich, dass Osmoadaptation stark vom Kontext abhängig ist und nicht perfekt ist. Der Preis schlägt sich in langsamerem Wachstum nieder. Zeitabhängige Sensitivitätsanalyse des Modells untermauert diese Hypothese. Die gewählte Perspektive ermöglicht die Betrachtung von intrazellulären Signaltransduktionskomponenten, Metaboliten und des Wachstums. Der Vergleich mit einer Studie, die Anpassung an osmotischen Stress als perfekte Adaptation auf Grund eines vereinfachten Modells beschreibt, hebt die Rolle der gewählten Perspektive zum Verständnis biologischer Systeme hervor. / Mathematical modeling has become an important tool in biology, reflected in the emergence of systems biology. Successful application of mathematical methods to biological questions requires collaboration of experimental and theoretical scientists to identify and study the problem at hand and to ensure that biology and model match. In this thesis, I present two studies on adaptation to hyperosmotic conditions in the yeast Saccharomyces cerevisae: A biologically faithful description of the signaling pathways activating Hog1 and a model integrating the effects of Hog1-activity and cellular metabolism, describing osmoadaptation in cellular context. The study of osmoadaptation in cellular context suggests that Hog1 and Fps1, two crucial components of adaptation, interact upon hyperosmotic stress. This finding is facilitated by incorporating multiple strains with mutations leading to partly oppositional phenotypes. This study further reveals that the role of glycerol in long term adaptation has been overestimated so far. According to the results presented here, glycerol is utilized as an ’emergency’ osmoprotectant and other compounds, e.g. trehalose, contribute significantly to osmoadaptation. Accounting for the state of multiple cellular mechanisms (Hog1-activity, glycolysis, growth) shows that adaptation to hyperosmotic stress and the impact of the individual mechanisms of adaptation is context dependent and that adaptation to sustained osmostress is not perfect, the expense reflected in a reduced growth rate in hyperosmotic medium. Time-dependent sensitivity analysis supports the notion of context. The perspective chosen allows observations on intracellular signaling components, metabolites and growth speed. Comparison with a study that describes osmoadaptation as perfect adaptation highlights the role of this perspective for the conclusions drawn, thus emphasizing the importance of an integrative perspective for understanding biological systems.

Das Verhalten Biologischer Systeme wird durch eine Vielzahl regulatorischer Prozesse beeinflusst, die sich auf verschiedenen Ebenen abspielen. Die Forschung an diesen Regulationen hat stark von den großen Mengen von Hochdurchsatzdaten profitiert, die in den letzten Jahren verfügbar wurden. Um diese Daten zu interpretieren und neue Erkenntnisse aus ihnen zu gewinnen, hat sich die mathematische Modellierung als hilfreich erwiesen. Allerdings müssen die Daten vor der Integration in Modelle aggregiert und analysiert werden. Wir präsentieren vier Studien auf unterschiedlichen zellulären Ebenen und in verschiedenen Organismen. Zusätzlich beschreiben wir zwei Computerprogramme die den Vergleich zwischen Modell und Experimentellen Daten erleichtern. Wir wenden diese Programme in zwei Studien über die MAP Kinase (MAP, engl. mitogen-acticated-protein) Signalwege in Saccharomyces cerevisiae an, um Modellalternativen zu generieren und unsere Vorstellung des Systems an Daten anzupassen. In den zwei verbleibenden Studien nutzen wir bioinformatische Methoden, um Hochdurchsatz-Zeitreihendaten von Protein und mRNA Expression zu analysieren. Um die Daten interpretieren zu können kombinieren wir sie mit Netzwerken und nutzen Annotationen um Module identifizieren, die ihre Expression im Lauf der Zeit ändern. Im Fall der humanen somatischen Zell Reprogrammierung führte diese Analyse zu einem probabilistischen Boolschen Modell des Systems, welches wir nutzen konnten um neue Hypothesen über seine Funktionsweise aufzustellen. Bei der Infektion von Säugerzellen (Canis familiaris) mit dem Influenza A Virus konnten wir neue Verbindungen zwischen dem Virus und seinem Wirt herausfinden und unsere Zeitreihendaten in bestehende Netzwerke einbinden. Zusammenfassend zeigen viele unserer Ergebnisse die Wichtigkeit von Datenintegration in mathematische Modelle, sowie den hohen Grad der Verschaltung zwischen verschiedenen Regulationssystemen. / The behavior of all biological systems is governed by numerous regulatory mechanisms, acting on different levels of time and space. The study of these regulations has greatly benefited from the immense amount of data that has become available from high-throughput experiments in recent years. To interpret this mass of data and gain new knowledge about studied systems, mathematical modeling has proven to be an invaluable method. Nevertheless, before data can be integrated into a model it needs to be aggregated, analyzed, and the most important aspects need to be extracted. We present four Systems Biology studies on different cellular organizational levels and in different organisms. Additionally, we describe two software applications that enable easy comparison of data and model results. We use these in two of our studies on the mitogen-activated-protein (MAP) kinase signaling in Saccharomyces cerevisiae to generate model alternatives and adapt our representation of the system to biological data. In the two remaining studies we apply Bioinformatic methods to analyze two high-throughput time series on proteins and mRNA expression in mammalian cells. We combine the results with network data and use annotations to identify modules and pathways that change in expression over time to be able to interpret the datasets. In case of the human somatic cell reprogramming (SCR) system this analysis leads to the generation of a probabilistic Boolean model which we use to generate new hypotheses about the system. In the last system we examined, the infection of mammalian (Canis familiaris) cells by the influenza A virus, we find new interconnections between host and virus and are able to integrate our data with existing networks. In summary, many of our findings show the importance of data integration into mathematical models and the high degree of connectivity between different levels of regulation.

In der hier vorgestellten Arbeit werden neuartige Festkörper-NMR (Nuclear Magnetic Resonance) Experimente vorgestellt, die eine direkte Detektion von Protonen einbeziehen. Die Technik basiert auf einer weitgehenden Verdünnung der Protonen durch Deuteronen in vollständig isotopenmarkierten, rekombinant exprimierten Proteinen und ermöglicht Festkörper-NMR mit sehr schmalen Linienbreiten aller standardmäßig erfassbaren Kerne (Protonen, Stickstoff, Kohlenstoff) ohne Hochleistungsentkopplung. Zusätzlich werden Methoden für ein besonders hohes Signal-zu-Rausch durch Paramagnetic Relaxation Enhancement (PRE) entwickelt. Die so präparierten Proteine erweisen sich tauglich für eine stark verbesserte NMR-Charakterisierung durch eine Vielzahl neuer Struktur- und Zuordnungsexperimente, in denen Techniken aus Festkörper- und Lösungs-NMR vereint werden. Dabei können hier erstmals auch Bereiche im Protein mit einbezogen werden, die langsame Dynamik vollziehen. Die Experimente finden Anwendung auf die SH3-Domäne von alpha-Spektrin, das Alzheimer-Peptid Abeta1-40 und das Membranprotein Omp G. / In this work, novel solid-state NMR (Nuclear Magnetic Resonance) experiments are presented that imply direct detection of protons. The technique is based on extensive dilution of protons with deuterons in uniformly labelled, recombinantly expressed proteins and allows for solid-state NMR providing very narrow lines of all commonly accessible nuclei (protons, nitrogen, carbon) without high-power decoupling. In addition, methods are developed that yield a particularly high signal-to-noise through Paramagnetic Relaxation Enhancement (PRE). The accordingly prepared proteins are shown to be applicable for a significantly improved NMR-characterization by manifold new experiments for assignment and structure elucidation, in which techniques from solid-state and solution NMR are united. For the first time, also those regions in a protein can be accessed that undergo slow dynamics. The experiments are employed on the SH3-domain of alpha-spectrin, Alzheimer’s peptide Abeta1‑40, and the membrane protein Omp G.