Bisher wurde davon ausgegangen, dass der IKK-komplex durch Regulation des Transkriptionsfaktors NF-kappaB die stressinduzierte Expression von Zielgenen steuert. Im Rahmen der hier vorgelegten Dissertation konnte jedoch gezeigt werden, dass der IKK-Komplex unabhängig von seiner Rolle in der NF-kappaB-Aktivierung die Stabilität einer Vielzahl von mRNAs kontrolliert. Mittels der Kombination von Ko-Immunopräzipitationsstudien und SILAC-MS konnte die induzierte Interaktion der regulatorischen Untereinheit des IKK-Komplexes IKKgamma mit dem Gerüstprotein EDC4 (Enhancer of Decapping 4) nachgewiesen werden. EDC4 ist eine essentielle Komponente sogenannter zytoplasmatischer „Processing Bodies“ (P-Bodies). Diese fungieren als Depots für die Speicherung von mRNAs, aber auch als Orte der mRNA-Degradation und der miRNA-vermittelten Repression spezifischer Zielgene. Die Interaktion von IKKgamma mit EDC4 konnte durch verschiedene Stimuli induziert werden. Dazu zählen DNA-Schäden durch Doppelstrangbrüche, aber auch die Aktivierung von Oberflächenrezeptoren durch TNFalpha und IL-1beta. EDC4 dient darüber hinaus als Substrat der Kinase IKKbeta. Mittels Massenspektrometrie und Kinaseassays konnten vier IKK-abhängige Phosphorylierungsstellen identifiziert werden. Die IKK-vermittelte Phosphorylierung von EDC4 ist essentiell für die Regulation von mRNAs und die damit verbundene Bildung der zytoplasmatischen P-Bodies. Diese Befunde konnten sowohl in stabilen induzierbaren Zelllinien, mittels transienter Transfektion und durch den Gebrauch von Kinaseinhibitoren in primären als auch in Krebszelllinien bestätigt werden. mRNA-Stabilitätsassays und eine RNA-Seq Analyse bestätigten die stressinduzierten Änderungen in den Halbwertszeiten spezifischer Transkripte und offenbarten einen gemeinsamen Regulationsmechanismus des IKK-Komplexes mit EDC4. / The IKK complex is deemed to regulate gene expression through the activation of the transcription factor NF-kappaB. Here I describe an NF-kappaB-independent function of the IKK complex in regulating mRNA stability across different cell types and stimuli. A SILAC-MS screen for interaction partners of the regulatory subunit IKKgamma revealed an inducible interaction with Enhancer of mRNA Decapping 4 (EDC4). EDC4 is an essential component of cytoplasmic processing bodies (P-bodies). P-bodies function as sites of mRNA storage, degradation and miRNA-mediated silencing. Interaction between IKKgamma and EDC4 can be induced by various stimuli, including DNA damage, TNFalpha and IL-1beta. EDC4 was identified as a novel IKK substrate and four IKKbeta phosphorylation sites were determined by mass spectrometry and in kinase assays. Stable inducible cell lines, transient transfection and kinase inhibitors were used in different human cancer and in primary cell lines and demonstrated that phosphorylation of EDC4 by IKK is essential for formation of P-Bodies in response to numerous stimuli. mRNA stability assays confirmed stress-induced changes in the half-life of target mRNAs and revealed common regulation of mRNA stability by IKK and EDC4. The transcriptome-wide reach of this joint regulation was assessed via RNA-Seq analysis.

Die DNA Methyltransferasen sind verantwortlich für die spezifische Methylierung von DNA-Basen. Mehrere DNA Methyltransferasen sind bekannt, wobei die Dnmt1 das hauptsächlich vorkommende Enzym ist. Bei Säugetieren korreliert die DNA-Methylierung mit der Genaktivität und ist essentiell für die Embryonalentwicklung. Eine beeinträchtigte Funktion oder Verfügbarkeit des Enzyms kann zu pathologisch veränderten Zuständen führen. Die Regulation der Dnmt1 und die damit verbundene Bedeutung bei der Entstehung von Krankheiten ist bisher nur unvollständig untersucht. In der Frühphase der Embryonalentwicklung von Säugetieren ändert sich das Methylierungsmuster des Genoms dramatisch. In zeitlich aufeinander folgenden Phasen wird die DNA demethyliert (Verlust der Methylgruppen) und neu methyliert (De-Novo Methylierung). Die Hypothese dieser Arbeit ist, dass verschiedene Isoformen der Dnmt1 in spezifischen Entwicklungsstadien exprimiert werden und zu Veränderungen des Methylierungsmusters der DNA beitragen. Um diese Regulation zu untersuchen, wurde die Struktur der Maus Dnmt1-Gens bestimmt. Außerdem wurde in verschiedenen Gewebetypen die Transkriptionsgröße und die Transkriptionsintensität der mRNA mit Hilfe von Northern-Blots quantifiziert. Mit diesen Experimenten konnte im Hoden- und Skelettmuskelgewebe ein längeres Dnmt1-Transkript als in anderen Geweben identifiziert werden. Dieses neue Dnmt1-Transkript wurde mit Hilfe von RT-PCR und RACE-Techniken kloniert und ist in beiden Geweben identisch. Es unterscheidet sich auf DNA-Ebene in der Sequenz des 5'-Endes von der bisher bekannten Form der Dnmt1 und besitzt einen anderen Startpunkt für die Transkription. Darüber hinaus besitzt das neue Dnmt1-Transkript ein 800 Basenpaar großes erstes Exon, welches sich von dem des bekannten Dnmt1-Transkripts unterscheidet. Die spezifische zelluläre Lokalisation des neuen Transkripts wurde mit Hilfe der In-Situ-Hybridisierung analysiert. Mit dieser Technik wurde das alternative Transkript in stärker spezialisierten, haploiden spermatogenen Zellen (Spermatiden) und zu einem geringen Maß im Skelettmuskel nachgewiesen. Während der Differenzierung von Muskelzellen wurde eine verminderte Expression des bereits bekannten mRNA-Transkripts und eine verstärkte Expression des neu identifizierten mRNA-Transkripts festgestellt. Obwohl die mRNA der alternativen Isoform verschiedene, kurze offene Leserahmen enthält, welche die Translation eines spezifischen Dnmt1 Proteins verhindern könnten, wurde durch Immunofluoreszenz- und Western-Blot Analysen ein Translationsprodukt nachgewiesen. Nach den hier aufgezeigten Ergebnissen werden alternative Dnmt1 Isoformen in vivo exprimiert, welche eine aktive Rolle bei der Regulation der DNA-Methylierung spielen könnten. / DNA methyltransferases (DNA MTases) are enzymes responsible for DNA methylation (transfer of methyl groups to a base in the DNA) and are vital for the development of mammals. Several MTases have been identified in eukaryotes but the most abundant is Dnmt1. Furthermore, many pathological conditions are often attributed to an altered availability or function of this enzyme, however the understanding of the regulation of Dnmt1 and the concomitant relationship to diseases is far from being complete. In mammals the methylation of DNA correlates with gene activity, and methylation patterns change dramatically during early development when the genome of the mammalian embryo undergoes consecutive waves of demethylation (loss of methylation) and de novo methylation (methylation of DNA sites that have not been previously methylated). The hypothesis of this study was that alternative Dnmt1 isoforms are expressed at specific developmental stages and thus contribute to changes in the DNA methylation pattern. To study this regulation the structure of the Dnmt1 gene was determined. In this work, the tissue distribution and abundance of Dnmt1 mRNA was analyzed by Northern blot and a new, longer transcript was identified that is present in testis and skeletal muscle tissue. The novel isoform was cloned by a combination of RT-PCR and RACE techniques and found to be identical in both tissues. This new isoform differs from the ubiquitous cDNA in the 5' end, utilizing a new transcriptional start site and an 800 bp long alternative first exon. The cellular localization of this new transcript was determined by in situ hybridization and found to be present in the more specialized haploid spermatogenic cells, spermatids and at lower level in skeletal muscle. During muscle differentiation, the ubiquitous isoform is downregulated while the alternative isoform is upregulated. Although this mRNA codes for several short upstream ORFs which could prevent translation of the Dnmt1-specific ORF, it was found by immunofluorescence and Western blot analyses that this transcript can be translated in vivo producing a shorter Dnmt1 protein. The results shown here indicate that alternative Dnmt1 isoforms are expressed in vivo and might play an active role in the regulation of DNA methylation.

Die Tyrosin Kinase Brk stellt den Prototypen nicht N-terminal myristoylierter, Nicht-Rezeptor Tyrosin Kinasen dar. Die Expression dieser Kinase ist auf epitheliale Gewebe beschränkt und wird während der Entwicklung differentiell reguliert. In normalen Geweben ist die Brk Expression auf nichtproliferierende, terminal differenzierte Zellen beschränkt. Um die regulatorische Funktion von Brk im murinen Darmepithel zu untersuchen, wurde das brk Gen in der Maus inaktiviert. Brk knockout Mäuse zeigten keine offensichtlichen Defekte in ihrer Entwicklung jedoch eine erweiterte Proliferationszone in den Krypten des Darmepithels und verlängerte Villi. Die Inaktivierung von Brk führte zu einer erhöhten Akkummulation von nukleärem (-catenin sowie einer Hochregulierung des (-catenin Zielgens c-myc in den Krypten der knockout Mäuse. Zusätzlich zeigten Brk knockout Mäuse eine Aktivierung des Akt-Signaltransduktionswegs in ihrem Darmepithel. Im Gegensatz zu Wildtyp Mäusen waren Brk knockout Mäuse resistent gegenüber (-Strahlung, was die Anhäufung onkogener Mutationen und damit die Entwicklung von Krebs fördert. Eine Induktion der Expression des Brk-Proteins im Darmepithel behandelter Wildtyp Mäuse wurde festgestellt. Weiterhin traten bei Brk knockout Mäusen chronische Entzündungen des Darmepithels sowie eine erhöhte Sensibilität gegenüber dem Reizmittel DSS auf. Im Gegensatz dazu, zeigten Wildtyp Mäuse eine mit der Literatur Übereinstimmende Reaktion zu DSS verbunden mit einer Induktion der Brk Expression im Darmepithel. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Brk Tyrosin Kinase eine entscheidende Rolle in der Aufrechterhaltung der Homöstase und Integrität des Darmepithels spielt. Insbesondere scheint Brk als wichtiger Faktor zur Bestimmung der Sensitivität epithelialer Zellen zu genotoxischem Stress zu fungieren. Entgegen der bisher vermuteten onkogenen Funktion in epithelialen Tumoren scheint Brk im normalen Darmepithel "Tumor Suppressor" Ähnliche Funtionen innezuhaben. / The Breast tumor kinase Brk is a prototypical non-myristoylated, non-receptor tyrosine kinase. Brk expression is epithelial-specific and ,in normal tissues, restricted to cells exiting the cell cycle and undergoing terminal differentiation. To determine the biological role of Brk in the gastrointestinal tract, we disrupted mouse brk by homologous recombination. Loss of Brk in the mouse resulted in increased intestinal epithelial cell turnover and the appearance of longer small intestinal villi. Brk deficient mice displayed enhanced accumulation of nuclear (-catenin and upregulation of the (-catenin target gene c-myc in the crypt compartment of small and large intestine. In addition, Brk deficient mice exhibited increased Akt kinase activity. Even though, there was no corresponding difference in base-line apoptosis in untreated wild-type and knockout animals. However, subjected to (-irradiation, Brk deficient animals were significantly impaired in the apoptotic response. Wild-type mice, however, exhibited normal levels of apoptosis following (-irradiation accompanied by a rapid induction of Brk expression in crypt cells. Furthermore, chronic inflammation was observed in Brk deficient mice, and they showed increased susceptibility to a colon injury model utilizing DSS. Interestingly, wild-type mice exhibited a significant upregulation of nuclear Brk protein throughout the intestinal epithelium in response to DSS. These recent findings suggest that Brk plays a crucial role in the maintenance of intestinal tissue homeostasis and integrity. In addition, Brk may function to protect the intestinal epithelium against DNA-replication-induced errors and hence the development of cancer. Contrary to reported oncogenic properties of Brk in other epithelial tissues, Brk appears to have tumor suppressor-like functions in the mouse gastrointestinal epithelium.

Ein Signalweg während der neuronalen Entwicklung im adulten Gehirn ist der PI3K-PTEN-Akt Signalweg. Akt ist eine Kinase die drei verschiedene Isoformen besitzt, welche durch die Phosphorylierung von S473 und T308 aktiviert werden. KO Modelle der Isoformen haben gezeigt, dass nicht alle Funktionen von anderen Isoformen kompensiert werden können. Die genaue Rolle der einzelnen Isoformen in einem neuronalen Zusammenhang ist nur wenig untersucht. Ziel dieser Arbeit war, eine detaillierte Analyse der einzelnen Akt Isoformen nach der Aktivierung des PI3K-PTEN Signalweges. Dazu wurde im Labor eine neue Methode zur isoelektrischen Fokussierung etabliert., welche Proteine nach ihrer Ladung trennt und somit eine Analyse der Dynamik von Akt Phosphorylierungen in neuronalen Zellen erlaubt. Im Zuge dieser Arbeit konnten wir bisher unerkannte Merkmale der Akt Aktivierung und Phosphorylierung identifizieren. Wir konnten zeigen, dass die S473 und T308 Phosphorylierung in Neuroblastomazellen unabhängig voneinander auftreten kann und, dass verschiedene Akt1 Moleküle unterschiedlich auf die Inhibition von PI3K reagieren. Außerdem konnten wir Verschiebungen in der Aktivierung und in der Expression der unterschiedlichen Isoformen während der postnatalen Gehirnentwicklung der Ratte feststellen. Des Weiteren konnten wir zeigen, dass die Aktivierung von Akt von dem Signal und dem Alter der Neurone abhängig ist. Noch nicht vollständig differenzierte Neurone reagieren vor allem auf BDNF Stimulation, wohingegen adulte, differenzierte Neurone hauptsächlich auf EGF reagieren und dort explizit Akt2 über EGFR und PI3K-p110α Signale aktiviert wird. Im Gegensatz dazu führt der Verlust von PTEN zu einer Aktivierung von hauptsächlich Akt1. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit einen komplexen Zusammenhang der Phosphorylierung von Akt auf, welcher Signal- und Entwicklungsabhängig ist bei dem unterschiedliche Akt Populationen auf Wachstumsfaktoren und auf PTEN Verlust reagieren. / A major pathway involved in neuronal development is the PI3K-PTEN-Akt pathway. Akt comprises three isoforms, which are activated by phosphorylation of the residues S473 and T308. KO animals for the isoforms have shown differential as well as redundant functions of the three isoforms. However, their individual role in neuronal signaling pathways has not yet been studied in great detail. The aim of this study was to obtain further insight into differential Akt isoform signaling in response to changes in the activity of PI3K and PTEN pathway. A new isoelectric focusing method was established, which allowed us to separate Akt proteins according to their charge, therefore, providing a refined read-out to study dynamics of Akt phosphorylation in a neuronal background. In the course of this project we were able to identify previously undescribed features of Akt phosphorylation and activation. First, we could provide evidence for an uncoupling of the two activating phosphorylation events at S473 and T308 in neuroblastoma cells and differential sensitivities of Akt1 forms towards PI3K inhibition. Secondly, we found a transient shift in Akt isoform activation and abundance during postnatal rat brain development. Thirdly, we were able to show that the activation of different Akt isoforms is dependent of the upstream signal as well as the age of the neuron. Immature neurons were found to be highly responsive to BDNF treatment, whereas mature neurons were most responsive to EGF stimulation leading exclusively to activation of Akt2 in an EGFR- and PI3K/p110α-dependent manner. Stimulation of Akt phosphorylation by the loss of PTEN led to an activation of mainly Akt1 forms, which suggests inherent differences in the Akt pools that are accessible to growth factors dependent PI3Ks as compared to the pools that are controlled by PTEN. In summary, this thesis demonstrates the presence of complex phosphorylation events of Akt in a developmental- and signal-dependent manner in neurons.

Protein Methyltransferasen sind oftmals fehlreguliert in Tumorzellen und stellen potenzielle Ziele in der Krebstherapie dar. Das SET und MYND Domain enthaltene Protein 2 (SMYD2) wurde als potenzielles Onkogen beschrieben und eine Überexpression korreliert mit einer schlechten Prognose. Für SMYD2 wurden verschiedene Substrate beschrieben u.a. Histon H3 und der Tumorsuppressor p53, allerdings ist die Biologie dieses Enzymes kaum verstanden. Durch die Entwicklung einer Testsubstanz zur spezifischen Hemmung von SMYD2 könnte ein möglicher therapeutischer Nutzen besser untersucht werden. Hierfür wurde ein zellulärer mechanistischer Test zur Messung der SMYD2 Aktivität mittels eines methylierungs-spezifischen Antikörpers etabliert. Mit Hilfe dieses Tests wurde BAY-598 als selektiver und potenter zellulärer Hemmer für SMYD2 identifiziert. Im weiteren Verlauf dieser Arbeit wurden mittels eines Proteomansatzes nach SMYD2 Überexpression hunderte neue zelluläre Lysinmethylierungen identifiziert. Hierbei wurde das AHNAK Protein als neues SMYD2-Substrat identifiziert und validiert. Die AHNAK Methylierung konnte in verschiedenen Zelllinien und im Muskelgewebe von Mäusen nachgewiesen werden. Im letzten Teil der Arbeit wurde die spezifische Testsubstanz BAY-598 genutzt, um verschiedene in der Literatur aufgekommene Hypothesen zur SMYD2 Funktion zu testen. Die vorliegende Arbeit hat dazu beigetragen die potente und selektive SMYD2 Testsubstanz BAY-598 zu entwickeln. Außerdem wurde mit AHNAK ein neues SMYD2 Substrat identifiziert und validiert. Die Relevanz des SMYD2 Enzymes und der AHNAK Methylierung erfordert weitere Forschungsarbeit, die durch die Bereitstellung der spezifischen Testsubstanz BAY-598 deutlich verbessert werden sollte. / Protein methyltransferases are often misregulated in tumor cells and display a potential target for cancer therapy. The SET and MYND domain containing protein 2 (SMYD2) was described as a potential oncogene and overexpression correlated with a worse prognosis. Several substrates for SMYD2 had been described among them histone H3 and p53. However, the biology of SMYD2 is poorly understood. By developing a small molecule inhibitor of SMYD2 its therapeutic role could be better evaluated. Therefore, a cellular mechanistic assay was developed using a methylation specific antibody. With that assay BAY-598 was identified as a potent and selective cellular inhibitor of SMYD2. In the following a proteomic approach revealed hundreds of novel cellular lysine methylation sites in SMYD2 overexpression cells. Among these AHNAK protein was validated as a novel SMYD2 substrate, which was present in several cell lines as well as in muscle of mice. Finally, BAY-598 was used to test several hypothesized functions of SMYD2 in different cell line models. Taken together, the current work strongly supported the development of the probe inhibitor BAY-598 and the discovery of AHNAK as a novel SMYD2 methylation substrate. The relevance of SMYD2 and AHNAK methylation needs further investigation, which should be supported by BAY-598.

In vielen humanen Neoplasien findet sich eine erhöhte Aktivität des Raf-Mek-Erk-Signaltransduktionsweges. Zunächst wurde davon ausgegangen, dass diese erhöhte Aktivität hauptsächlich durch die Ras-Onkogene hervorgerufen wird. Doch mittlerweile konnten auch Mutationen der Raf Gene in humanen Neoplasien nachgewiesen werden. Gegen Raf und Mek konnten eine Anzahl von Enzyminhibitoren entwickelt werden. Der Nachteil vieler dieser Inhibitoren ist, dass sie nicht zwischen den einzelnen Kinaseisoformen unterscheiden können. In dieser Arbeit ist es nun das erste Mal gelungen, jede Komponente des Raf-Mek-Erk-Signaltransduktionsweges einzeln mittels RNA Interferenz effizient zu inhibieren. Dabei konnte die Rolle der verschiedenen Isoformen in der Proliferation, Morphologie und Genex-pression von transformierten Zellen definiert werden. In den NIH3T3-pEJ Zellen konnte A-Raf erstmals eine antiapoptotische Rolle zugewiesen werden. Diese Hemmung der Apoptose läuft möglicherweise über einen Mek2-abhängigen Weg und ist an die Mitochondrien gekoppelt. Für die beiden Mek Kinasen konnten unter-schiedliche Funktionen in der Signalweiterleitung gezeigt werden. Mek2 spielt die Hauptrolle in der Aktivierung der beiden Substratkinasen Erk1 und Erk2. Der Verlust der Mek1 Isoform wird dagegen möglicherweise durch eine erhöhte Expression von Mek2 kompensiert und wirkt sich nicht so stark auf die Phosphorylierung von Erk1/2 aus. Durch die Verwendung von Erk1 und Erk2 spezifischen siRNAs konnte eine Trennung zwischen der Proliferationsre-gulation und der Kontrolle der morphologischen Transformation herausgearbeitet werden. Durch die Verwendung von Mikroarrays ist es gelungen, beiden Phänotypen ein Genexpres-sionsprofil zuzuordnen. Neben Unterschieden zwischen den verschiedenen Kinaseisoformen konnten neue, potentielle Feedbacks beschrieben werden. / In many human neoplasia an increased activity of the RAF/MEK/ERK- signaling pathway is found. First it was assumed that this raised activity is caused primarily by the RAS onco-genes. However, meanwhile mutations in the RAF genes could be also proved in human neo-plasia. A number of enzyme inhibitors have been developed against the RAF and MEK pro-teins. The disadvantage of many of these inhibitors is that they cannot distinguish between the different kinase isoforms. In this work it has succeeded the first time to inhibit every compo-nent of the RAF/MEK/ERK- signaling pathway individually by means of interference RNA. Beside this, the role of the different isoforms in the proliferation, morphology and genetic profile of transformed cells could be defined. For the first time A-Raf could be assigned an anti-apoptotic role in NIH3T3-pEJ cells. This inhibition of the apoptosis possibly runs through a Mek2-dependent way and is coupled to the mitochondria. For both Mek kinases different functions could be shown in the downstream signaling. Mek2 plays the leading role in the activation of both downstream kinases Erk1 and Erk2. The loss of the Mek1 isoform expression is possibly compensated through an increased expression of Mek2 and does not affect the phosphorylation of Erk1 / 2 so strongly. A discri-mination between the regulation of proliferation and the control of the morphological trans-formation could be worked out by the use of Erk1 and Erk2 specific siRNAs. By the use of micorarray an expression profile of both phenotypes has assigned. Beside differences between the different kinases new, potential feedback pathways could be described.

Die Familie der Mykobakterien setzt sich aus pathogenen und apathogenen Vertretern zusammen. In dieser Arbeit wurden 3 Mitglieder dieser Familie für Untersuchungen herangezogen: ihr prominentester pathogener Vertreter Mycobacterium tuberculosis, der Erreger der Tuberkulose, das als Impfstoff eingesetzte Mycobacterium bovis BCG, das durch Attenuierung aus dem Rindertuberkulose-Erreger Mycobacterium bovis hervorging und das apathogene Bodenbakterium Mycobacterium smegmatis. Ein Schlüssel zum Verständnis der Mykobakterien und speziell ihrer Widerstandsfähigkeit ist die Kenntnis ihrer komplexen Zellwand. Peptidoglycan als deren Bestandteil und insbesondere der mittels Undecaprenyl-Monophosphat bewerkstelligte Transport von Peptidoglycan-Vorläufern aus dem Cytoplasma an die Zelloberfläche steht dabei im Zentrum der Zellwandbildung. In M. tuberculosis, M. bovis BCG und M. smegmatis wurden Deletionsmutanten für die Undecaprenyl-Phosphokinase (Upk) hergestellt. Für M. smegmatis wurde gezeigt, daß die delta upk Deletionsmutante, in Übereinstimmung mit Deletionsmutanten homologer Gene in anderen Bakterien, eine erhöhte Sensitivität gegenüber dem die Zellwandsynthese hemmenden Antibiotikum Bacitracin aufwies. Überraschenderweise zeigte M. tuberculosis delta upk diesen Phänotyp nicht. Weiterhin ließ sich für M. smegmatis delta upk im Vergleich zum M. smegmatis Wildtyp Peptidoglycan an der Zelloberfläche in geringerem Maße nachweisen. Eindrucksvoll zeigte sich die Bedeutung der Undecaprenyl Phosphokinase in der gestörten Entwicklung von Biofilmen im Falle der M. smegmatis delta upk Mutante. Dies galt sowohl für in vitro Bedingungen als auch für ein, im Rahmen dieser Arbeit, neu entwickeltes in vivo Modell. Vergleiche von M. tuberculosis Wildtyp und M. tuberculosis Mutante auf der Ebene von Proteom- und Transkriptom-Analysen führten zur Identifikation eines zum mykobakteriellen Fettsäure-Synthese II (FASII) System gehörenden Operons, das im Falle der upk-Deletion verstärkt exprimiert wurde und damit möglicherweise einen Kompensationsmechanismus für die fehlende Phosphokinase darstellt. Eine reduzierte Persistenz von M. smegmatis delta upk in infizierten Makrophagen legte nahe, daß Upk bei mykobakteriellen Infektionen eine entscheidende Rolle für das Überleben der Bakterien und ihre Virulenz spielt. Dies konnte erstmals für M. tuberculosis im Rahmen von Maus-Infektionsversuchen gezeigt werden. M. tuberculosis delta upk ließ sich als neues Mitglied in eine Reihe von als growth in vivo (giv) klassifizierten Mutanten einreihen. Die Herstellung von Deletionsmutanten wird als Möglichkeit betrachtet, verbesserte Impfstoffe herzustellen. Die physiologische Konsequenz der Deletion sollte bestenfalls neben einer Attenuierung des Ausgangsbakteriums (gilt besonders für M. tuberculosis) eine Überexpression protektionsrelevanter Antigene zur Folge haben. Im Vergleich zum bestehenden Impfstoff M. bovis BCG führte die Impfung von Mäusen mit M. bovis BCG delta upk sowohl zu geringerer bakterieller im Anschluß an die Vakzinierung als auch zu einer verbesserten Langzeit-Protektion gegen Tuberkulose. / The family of mycobacteria is composed of pathogenic and apathogenic bacteria. This study was performed with 3 members of this family, the most prominent pathogenic member, Mycobacterium tuberculosis, the causative agent of tuberculosis, the vaccine strain Mycobacterium bovis BCG which was developed by attenuation of the bovine tuberculosis agent Mycobacterium bovis, and Mycobacterium smegmatis which is apathogenic and widely distributed in soil. A key to understanding mycobacteria and, especially, their resistance is to understand the complexity of their cell wall. Peptidoglycan is a major component of the cell wall and the transport of peptidoglycan precursors out of the cytoplasm to the bacterial surface by undecaprenyl monophosphate is central to cell wall synthesis. Therefore, deletion mutants of the undecaprenyl phosphokinase gene (upk) were generated in M. tuberculosis, M. bovis BCG, and M. smegmatis. In the case of M. smegmatis it was shown that a delta upk deletion mutant, as with deletion mutants of homologous genes in other bacteria, exhibited an increased sensitivity to the antibiotic bacitracin, indicating that cell wall synthesis was hampered. Surprisingly, M. tuberculosis delta upk did not exhibit this phenotype. Furthermore, a lower level of peptidoglycan was detected on the cell surface of an M. smegmatis delta upk mutant compared to M. smegmatis wildtype. Relevance of the undecaprenyl phosphokinase was demonstrated by impaired biofilm development in the case of the M. smegmatis delta upk mutant. This was observed in vitro as well as in vivo using an animal model which was newly developed in this thesis. A fatty acid synthase II (FASII) system related operon revealed by comparative proteome- and transcriptome-analyses comparing M. tuberculosis wildtype and M. tuberculosis delta upk mutant, and may reflect a compensatory mechanism for the loss of upk. Reduced persistence of M. smegmatis in infected macrophages suggested a decisive role of Upk in mycobacterial infection concerning survival and virulence of bacteria. This was later demonstrated to be true for M. tuberculosis in a mouse model. M. tuberculosis delta upk was, therefore, classified as a new member of the group of growth in vivo (giv) mutants. Construction of deletion mutants is a strategy to identify improved vaccines. Ideally, the physiologic consequences of a gene deletion would result in attenuation of the modified bacterium (especially in the case of M. tuberculosis) and overexpression of antigens relevant for protection. Compared to the existing vaccine M. bovis BCG, vaccination of mice with M. bovis BCG delta upk exhibited a lower bacterial load upon vaccination as well as an improved long-lasting protection against M. tuberculosis infection.

Hohe Telomeraseaktivität bedingt durch genomische TERT-Rearrangements definiert eine Gruppe an Hochrisiko-Neuroblastompatienten mit ungünstiger Prognose. Das Abzielen auf Telomerase ist ein hochpriorisierter Ansatzpunkt in der Therapie, für die es bislang keine klinisch erfolgreichen Inhibitoren gibt. Der Einsatz von epigenetisch wirksamen Histondeacetylase Inhibitoren (HDACi) stellt dabei eine interessante Therapieoption dar. In TERT-rearrangierten Neuroblastomzellen erzielte die Behandlung mit verschiedenen pan-, Klasse I oder spezifischen HDAC1/2 Inhibitoren eine Supprimierung der TERT mRNA Expression und der Telomeraseaktivität. RNA-Interferenz Studien bestätigten, dass HDAC1 und HDAC2 die TERT Expression positiv regulieren. Die transiente Überexpression von TERT zeigte einen partiellen Rescue des HDACi-bedingten anti-proliferativen Effekts. Der präventive und therapeutische Einsatz von HDACi Panobinostat verlangsamte das Xenografttumorwachstum, die TERT-Expression und Telomeraseaktivität in subkutanen NMRI-Foxn1nu/nu Mausmodellen des TERT-rearrangierten Neuroblastoms bei klinisch relevanten Dosen. Dies zeigt das translationale Potential und die klinische Durchführbarkeit der Panobinostat-Behandlung. ChIP Sequenzierung und Methylierungsanalyse zeigten keine bedeutenden Unterschiede der Histonmodifikationen und der Methylierung von CpG Dinukleotiden am TERT Lokus nach Panobinostatbehandlung. Die Inhibierung der de novo RNA Synthese zeigte, dass die Stabilität des TERT mRNA Transkripts nach Panobinostatbehandlung verringert war. Dies deutet darauf hin, dass die reduzierte Transkriptstabilität der zugrundeliegende molekulare Mechanismus ist. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass die hohe Telomeraseaktivität in TERT-rearrangierten Neuroblastommodellen durch den Einsatz zugelassener HDACi supprimiert werden kann. / Telomerase activation by genomic TERT-rearrangements defines a subgroup of high-risk neuroblastomas with adverse outcome. Accordingly, telomerase activity presents a high-priority drug target with no currently available clinical inhibitors. It was assessed whether telomerase activity could be inhibited through histone deacetylase (HDAC) inhibition in models of TERT-rearranged neuroblastoma. Treatment with a panel of seven pan-, class I- or specific HDAC1/2 inhibitors suppressed TERT mRNA expression and telomerase activity in TERT-rearranged neuroblastoma cells at clinically achievable concentrations. RNA interference-based studies confirmed that HDAC1 and HDAC2 positively regulate TERT transcript levels. Enforced TERT expression partly rescued the anti-proliferative effect of HDAC inhibition indicating a causal role of TERT suppression in the HDAC inhibitormediated tumor-suppressive phenotype. Panobinostat treatment, in preventive and therapeutic settings, considerably attenuated tumor growth in subcutaneous TERT-rearranged neuroblastoma xenograft models in NMRI-Foxn1nu/nu mice and suppressed TERT transcript levels and telomerase activity at clinically relevant doses, thus demonstrating translational potential and clinical feasibility. ChIP sequencing detected no major differences in the chromatin context of the TERT locus between HDAC inhibitor-treated and control cells. Likewise, HDAC inhibition did not substantially alter the methylation profile in the TERT region. Blocking de novo RNA synthesis, however, reduced TERT mRNA transcript levels in HDAC inhibitor-treated cells, suggesting reduced TERT transcript stability as the underlying molecular mechanism. In summary, high-level telomerase activity caused by genomic rearrangements in neuroblastoma models is suppressed by treatment with clinically approved HDAC inhibitors, suggesting indirect druggability and a potential molecular rationale for therapeutic intervention.

Histidinkinase-Rhodopsine (HKRs) können als besondere Gruppe der Hybrid-Histidinkinasen beschrieben werden, deren N-terminale sensorische Domäne ein mikrobielles Rhodopsin ist. HKR-codierende Sequenzen konnten in den Genomen verschiedener Algen, Pilze und Amoeben gefunden werden doch ihre Aufgaben und Wirkungsweisen sind bisher ungeklärt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die rekombinanten Rhodopsin-Domänen von zwei HKRs mit verschiedenen spektroskopischen Techniken charakterisiert. Sie zeigten mehrere Besonderheiten. Das Rhodopsin-Fragment von Cr-HKR1 aus Chlamydomonas reinhardtii kann durch alternierende kurzwellige und langwellige Belichtung zwischen zwei stabilen Absorptionsformen konvertiert werden: einer Blaulicht-absorbierenden (Rh-Bl) und einer UVA-Licht-absorbierenden Form (Rh-UV). Dies resultiert aus der ungewöhnlichen thermischen Stabilität des Zustandes mit deprotonierter Schiff’scher Base. Das zweite charakterisierte HKR, die Os-HKR-Rhodopsin-Domäne aus der marinen Picoalge Ostreococcus tauri, zeigt eine Dunkelabsorption von 505 nm. Auch Os-HKR ist photochrom und die deprotonierte Spezies kann effizient akkumuliert werden. Diese P400-Absorptionsform ist jedoch nicht völlig stabil sondern es kommt nach Belichtungsende zur langsamen Dunkelzustands-Regeneration. Überraschenderweise konnte die Bindung sowie die transiente Abgabe eines Anions während des Os-HKR-Photozyklus festgestellt werden. Somit beeinflusst nicht nur das Licht, sondern auch das Salz in der Umgebung die Os-HKR-Reaktionen. Aufgrund ihrer photochromen Eigenschaften werden die HKRs als wirksame lichtinduzierte Schalter für die C-terminalen Signaltransduktionsdomänen postuliert. Schwingungsspektroskopische Analysen deckten eine Heterogenität hinsichtlich der im Protein gebundenen Retinal‐Konfiguration sowie die Existenz von zwei parallelen Photozyklen auf. Jeder dieser Photozyklen geht aus einer der beiden Retinal-Isomere hervor. / Histidine kinase rhodopsins (HKRs) can be described as hybrid histidine kinases with a microbial rhodopsin as N-terminal sensory domain. HKR-encoding sequences were found in the genomes of various unicellular organisms such as algae, fungi and amoeba but their mechanistic and physiologic function is unknown. During this work the absorptive properties of the recombinant rhodopsin domains of two HKRs were studied by the usage of different spectroscopic techniques. Both HKRs showed unusual characteristics. The rhodopsin fragment of Cr‐HKR1 from Chlamydomonas reinhardtii can be interconverted between two stable absorbance forms by the alternate application of short‐ and long‐wavelength light: a blue light-absorbing dark form (Rh-Bl) and a UVA light-absorbing form (Rh-UV). This unusual photocycle results from the uncommon thermal stability of the absorbance state with a deprotonated retinal Schiff base. The second studied HKR, the Os‐HKR rhodopsin domain from the marine picoalga Ostreococcus tauri, shows an absorbance maximum at 505 nm in darkness. Likewise Cr‐HKR1 the Os‐HKR is photochromic and the deprotonated form P400 can be efficiently accumulated. But the Os-HKR P400-form is not completely stable. A slow dark state recovery occurs. Surprisingly the dark state absorbance of Os‐HKR was found to be dependent on anion binding in the protein. Furthermore during the photocycle the transient anion release occurs and therefore not only light but also salt impacts the Os-HKR-reactions. Due to their pronounced photochromic properties, the HKRs are postulated to act as effective molecular switches for the C-terminal signal transduction domains in response to the light conditions. Vibrational spectroscopy revealed the heterogeneity with regard to the retinal configuration bound in the HKRs suggesting the existence of two parallel photocycles. Either of these photocycles originates from one of the two retinal isoforms.