Das Kriechen von Zellen über Oberflächen spielt eine entscheidende Rolle bei lebenswichtigen Prozessen wie der Embryonalentwicklung, der Immunantwort und der Wundheilung, aber auch bei der Metastasenbildung. Die Zellbewegung erfolgt über die Bildung einer flachen Ausstülpung der Zellmembran, des Lamellipodiums. In dieser Arbeit wird ein mathematisches Modell entwickelt, das die Bildung, Stabilität und Stärke des Lamellipodiums, sowie die Dynamik der Zellvorderkante beschreibt. Dabei werden zwei Bereiche innerhalb des Lamellipodiums unterschieden. Im Hauptteil besteht es aus einem dichten Netzwerk von Aktinfilamenten, dem sogenannten Aktingel. An der Vorderkante wachsen die Enden der Aktinfilamente durch Polymerisation und bilden einen dynamischen Grenzbereich, die semiflexible Region. Das Gleichgewicht zwischen den Filamentkräften in der semiflexiblen Region und den viskosen sowie den äußeren Kräften bestimmt die Geschwindigkeit der Zellvorderkante. Eine Stabilitätsanalyse liefert Bedingungen für die Existenz stabiler Lamellipodien. Im Parameterbereich mit Filamentdichte Null können keine stabilen Lamellipodien existieren, aber aufgrund von Anregbarkeit trotzdem vorrübergehend gebildet werden. Hier beschreibt das Modell sehr gut das in Epithelzellen gemessene aufeinanderfolgende Vorschieben und Zurückziehen von Lamellipodien. Es zeigt, dass für die Zyklen prinzipiell keine Änderung in der Konzentration von Signalmolekülen innerhalb der Zelle notwendig ist. Das Modell wird auch auf die gemessene Kraft-Geschwindigkeits-Beziehung von Fischkeratozyten angewandt. Aufgrund der guten Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulationen wird ein Mechanismus vorgeschlagen, der die charakteristischen Merkmale der Beziehung erklärt. Es wird gezeigt, dass die gemessene Kraft-Geschwindigkeits-Beziehung ein dynamisches Phänomen ist. Eine stationäre Beziehung, die unter der Bedingung gilt, dass die Zellen einer konstanten Kraft ausgesetzt sind, wird vorhergesagt. / Many cells move over surfaces during embryonic development, immune response, wound healing or cancer metastasis by protruding flat lamellipodia into the direction of migration. In this thesis, a mathematical model is developed that describes the formation of lamellipodia, their stability, strength and leading edge dynamics. Two regions inside the lamellipodium are distinguished in the model. The bulk contains a dense cross-linked actin filament network called actin gel. The newly polymerized tips of the actin filaments form a highly dynamic boundary layer at the leading edge called semiflexible region. The balance of filament forces on the membrane in the semiflexible region with viscous and external forces determines the velocity of the leading edge. A stability analysis defines criteria for the existence of stable lamellipodia. No stable lamellipodium can exist in the parameter regime with a filament density of zero. However, due to excitability, lamellipodia can still form transiently. The measured subsequent protrusions and retractions of lamellipodia in epithelial cells are very well reproduced by the excitable behavior. The modeling results show that in principle no signaling is necessary for cycles of protrusion and retraction. Furthermore, they are fitted to the force-velocity relation of keratocytes, which has been measured by placing a flexible cantilever into the cell''s path of migration. Due to the good agreement between experiment and simulations, a mechanism leading to the characteristic features of the force-velocity relation is suggested. Moreover, properties of the structure of the stable keratocyte lamellipodium, like the length of actin filaments and the branch point density, can be concluded. It is shown that the force-velocity relation measured with the cantilever is a dynamic phenomenon. A stationary force-velocity relation is predicted that should apply if cells experience a constant force, e.g. exerted by surrounding tissue.

Der Cholesterin-Stoffwechsel ist sehr streng auf zellulärer Ebene reguliert und ist essentiell für das Zellwachstum. MicroRNAs (miRNAs), eine Klasse nicht-kodierender RNAs, wurden als kritische Regulatoren der Genexpression identifiziert und entfalten ihre Wirkung vorwiegend auf posttranskriptioneller Ebene. Aktuelle Arbeiten aus der Gruppe um Fernández-Hernando haben gezeigt, dass hsa-miR-33a und hsa-miR-33b, miRNAs die in den Intronsequenzen der Gene für die Sterol-regulatorischen Element- Bindungsproteine (SREBP-2 und SREBP -1) lokalisiert sind, den Cholesterin-Stoffwechsel im Einklang mit ihren Wirtsgenen regulieren. Gleichermaßen inhibiert miR-33 Schlüsselenzyme in der Regulation der Fettsäureoxidation, einschließlich CROT, CPT1A, HADHB, SIRT6, AMPKα, genauso wie IRS2, eine wesentliche Komponente des Insulin-Signalwegs in der Leber. Diese Studie zeigt, dass hsa-miR-33 Familienmitglieder nicht nur Gene in Cholesterin- und Fettsäure-Stoffwechsel sowie Insulin-Signalwege regulieren, sondern zusätzlich die Expression von Genen des Zellzyklus und der Zellproliferation modulieren. miR-33 inhibiert die Expression der CDK6 und CCND1, wodurch sowohol die Zellproliferation als auch die Zellzyklusprogression verringert wird. Die Überexpression von miR-33 induziert einen signifikanten G1 Zellzyklusarrest. Durch eine Inhibierung der miR-33 Expression mittels 2''F/MOE-modifiziert Phosphorothioat-Backbone Antisense-Oligonukleotiden, wird die Leberregeneration nach partieller Hepatektomie (PH) in Mäusen verbessert, was auf eine wichtige Rolle für miR-33 in der Regulation der Hepatozytenproliferation während der Leberregeneration hinweist. Zusammengefasst zeigen diese Daten, dass Srebf/miR-33 Locus kooperieren, um Zellproliferation und Zellzyklusprogression zu regulieren, und könnte somit auch relevant für die menschliche Leberregeneration sein. / Cholesterol metabolism is tightly regulated at the cellular level and is essential for cellular growth. Cellular imbalances of cholesterol and fatty acid metabolism lead to pathological processes, including atherosclerosis and metabolic syndrome. MicroRNAs (miRNAs), a class of noncoding RNAs, have emerged as critical regulators of gene expression acting predominantly at posttranscriptional level. Recent work from Fernández-Hernando´s group and others has shown that hsa-miR-33a and hsa-miR-33b, miRNAs located within intronic sequences of the sterol regulatory element-binding protein (SREBP-2 and SREBP-1) genes, respectively, regulate cholesterol metabolism in concert with their host genes. Similarly, miR-33 targets key enzymes involved in the regulation of fatty acid oxidation including CROT, CPT1A, HADHB, SIRT6 and AMPKα, likewise, IRS2, an essential component of the insulin- signaling pathway in the liver. This study shows that hsa-miR-33 family members not only regulate genes involved in cholesterol and fatty acid metabolism and insulin signaling, but in addition modulate the expression of genes involved in cell cycle regulation and cell proliferation. Thus, miR-33 inhibited the expression of CDK6 and CCND1, thereby reducing cell proliferation and cell cycle progression. Over-expression of miR-33 induced a significant G1 cell cycle arrest and most importantly, inhibition of miR-33 expression using 2’F/MOE-modified phosphorothioate backbone antisense oligonucleotides improved liver regeneration after partial hepatectomy (PH) in mice, suggesting an important role for miR-33 in regulating hepatocyte proliferation during liver regeneration. Altogether, these data establish that Srebf/miR-33 locus may co-operate to regulate cell proliferation, cell cycle progression and may also be relevant to human liver regeneration.

In der eukaryotischen Ontogenese ist die Etablierung differenzierungsspezifischer Genexpression eng an die Unterteilung des Genoms in funktionell getrennte Domänen gekoppelt. Solche Domänen lassen entweder erhöhte transkriptionelle Aktivität zu oder unterdrücken sie und werden Eu- bzw. Heterochromatin genannt. Heterochromatin enthält spezielle Proteine, die zur Ausbildung dieser repressiven Chromatinstruktur beitragen. Eine der Hauptfragen in der Heterochromatinbiologie ist, wie solche Proteine rekrutiert werden. Dieser Prozess ist entscheidend damit einzelnde Regionen im Genom koordiniert zeit- und ortsabhängig reprimiert werden können. In Saccharomyces cerevisiae entsteht Hetero-chromatin an den silent-mating-type Loci HMRa und HMLalpha durch die zielgerichtete Rekrutierung des Sir-Komplexes über eine Gruppe von Proteinen, die an sogenannte silencer-DNA Sequenzen binden. In diese Arbeit wird gezeigt, daß das Protein Sum1, bisher bekannt als Repressor meiotischer Gene im vegetativen Zellzyklus, als Heterochromatin-Rekrutierungsfaktor für HMLalpha fungiert. Sum1 konnte in vitro und in vivo an HMLalpha über ein funktionelles Element innerhalb des HML-E silencers binden und die Deletion von SUM1 verursachte einen Verlust von Repression an HMLalpha. SUM1 beeinflußte außerdem die Fähigkeit von HML-E als Replikationsstartpunkt (origin) zu agieren, was eine Rolle von Sum1 in der Replikation nahelegt. Die Beobachtung, daß orc2-1 und orc5-1 mit sum1Delta synthetisch lethal waren und daß cdc6-1, cdc7-1 oder cdc45-1 mit sum1Delta einen synthetischen Wachstumsdefekt aufwiesen unterstützt die Vermutung, daß SUM1 eine globale Rolle in der Replikationsinitiation besitzt. In einer genomweiten Suche wurden ARS Elemente gefunden, die sowohl Sum1 als auch ORC rekrutieren. Dabei konnte gezeigt werden, daß die Replikationsaktivität dieser ARS Elemente von Sum1 bzw. Sum1 Bindungsstellen abhängig war. Als Repressor von meiosespezifischen Genen interagiert Sum1 oft mit der Histondeacetylase Hst1. In diesem Zusammenhang konnte gezeigt werden, daß SUM1-regulierte origins ebenfalls HST1 zur vollen Aktivität benötigten. Zusammenfassend schlagen wir Sum1 als neuartigen Modulator für die Replikationsinitiation an einer Untergruppe chromosomaler Replikationsstartpunkte vor. / The division of eukaryotic chromatin into functionally distinct domains is critical to implement gene expression programs that drive the development of multicellular organisms. Regions termed euchromatin exist in the genome that are generally conducive to transcription, whereas heterochromatin contains specialized chromatin binding proteins that repress transcription in these regions. A central question in heterochromatin biology is how the heterochromatin factors are targeted to specific genomic regions, a process that is crucial to ensure that the designated domains, and only they, are repressed in the appropriate spatial and temporal fashion. In Saccharomyces cerevisiae heterochromatinization at the silent mating-type loci HMRa and HMLalpha is achieved by targeting the Sir complex to these regions via a set of anchor proteins that bind to the silencers. Here, we have identified a novel heterochromatin targeting factor for HMLalpha, the protein Sum1, a repressor of meiotic genes during vegetative growth. Sum1 bound both in vitro and in vivo to HMLalpha via a functional element within the HML-E silencer, and deletion of SUM1 caused HMLalpha derepression. Significantly SUM1 was also required for origin activity of HML-E, suggesting a role of Sum1 in replication initiation. Our observations of a synthetic lethality between orc2-1 or orc5-1 and sum1Delta as well as a synthetic growth defect of cdc6-1, cdc7-1 and cdc45-1 with sum1Delta support the notion that SUM1 has a global role in replication initiation. In a genome-wide search for Sum1-regulated origins, we identified a set of autonomous replicative sequences (ARS elements) that bound both the origin recognition complex and Sum1. Full initiation activity of these origins required Sum1, and their origin activity was decreased upon removal of the Sum1 binding site. In its role as a repressor of meiosis specific genes, Sum1 often works in concert with the histone deacetylase Hst1. We found that SUM1-regulated origins also required HST1 for full activity. Taken together we propose that Sum1 is a novel replication initiation modulator for a subset of chromosomal origins.

Der Typ I Transmembran-Rezeptor SORLA gehört zur VPS10p-Rezeptor Familie in Säugern. Der Rezeptor mit starker Homologie zu Endozytose- und Sorting-Rezeptoren ist am stärksten im zentralen Nervensystem (CNS) exprimiert. Außerhalb des CNS ist SORLA in einer Vielzahl von Geweben zu finden, unter anderem in der Niere. Das klare Expressionsmuster des Rezeptors im distalen Nephron lässt eine Rolle des Rezeptors in transepithelialen Transportprozessen vermuten. Um genau festzustellen, welche Prozesse von SORLA beeinflusst werden, wurde die Nierenfunktion von Mäusen mit einer vollständigen Defizienz des Sorla-Gens (Sorla-/-) untersucht. Diese Tiere zeigen Defekte in der renalen Ionenhomöostase: sie verlieren Na+, Cl-, K+, und Ca2+ (im Normalzustand und/oder nach Trinkwasserentzug). Eine Erniedrigung von Blutdruck und Herzfrequenz sowie eine fehlregulierte Sekretion von Aldosteron gehen mit dem Salzverlust-Phänotyp einher. Passend zu dieser Beobachtung konnte eine Expression von SORLA in der Nebenniere – speziell in der Zona glomerulosa, dem Ort der Aldosteron-Synthese – gezeigt werden. Des weiteren wurde eine signifikant verminderte Expression mehrerer Gene des Adrenalin-Synthesewegs in Sorla-/--Mäusen festgestellt, welcher in einer verringerten Menge des Hormons in den Nebennieren der Tiere resultiert. In der Niere bewirkt das Fehlen von SORLA insbesondere eine veränderte Phosphorylierung der beiden Kation-Chlorid-Cotransporter NCC und NKCC2 hervor, deren Aktivität durch Phosphorylierung reguliert wird. Es ist bekannt, dass die Signalkinase SPAK die Aktivität von NKCC2 und NCC reguliert. Die anormale Phosphorylierung fällt mit einer untypischen Verteilung der Kinase im TAL der SORLA-defizienten Mäuse zusammen. Dies deutet auf eine Funktion des Rezeptors beim Trafficking von SPAK hin. Durch die Identifizierung von Transportproteinen als putative Interaktionspartner SORLAs konnte diese Hypothese bekräftigt werden. / The type I transmembrane receptor SORLA is a member of the mammalian VPS10p-receptor family. The receptor, which is mainly expressed in the central nervous system (CNS), is characterized by high structural homology to endocytosis- and sorting-receptors. Outside the CNS, expression of SORLA can be found in a variety of tissues, including kidney. This distinct expression pattern in the distal nephron suggests a role for SORLA in transepithelial transport processes. To determine which processes the receptor might be involved in, the kidney function of mice, wich carry a complete deficiency of the Sorla gene, was analyzed. These animals show defects in ion handling: they are wasting Na+, Cl-, K+, and Ca2+ (under normal conditions and/or after water deprivation). The salt loss phenotype is accompanied by decreased mean arterial pressure and heart rate as well as mis-regulated secretion of aldosterone. In line with this observation, SORLA is also expressed in the adrenal gland, particularly in the zona glomerulosa, the place of aldosterone synthesis. Additionally, a significant down-regulation of several genes of the epinephrine synthesis pathway in mice lacking SORLA was found. This defect results in lower adrenal levels of the hormone. In the kidney, the lack of SORLA results especially in altered phosphorylation of the two cation-chloride cotransporters NCC and NKCC2, as their activity is regulated by phosphorylation. The signaling kinase SPAK has been reported to regulate the activity of NKCC2 and NCC. The transporters’ abnormal phosphorylation coincides with the atypical distribution of the kinase in TAL of Sorla-/- mice, suggesting a role of the receptor in establishing the localization of SPAK. This hypothesis was further substantiated by the identification of putative SORLA-interacting proteins involved in trafficking.

Der ABC-Transporter ABCA1 ist unmittelbar in die zelluläre Lipidhomeostasie einbezogen, in dem er die Freisetzung von Cholesterol an plasmatische Rezeptoren, wie ApoA-I, vermittelt. Trotz intensiver Untersuchungen ist dieser molekulare Mechanismus nicht verstanden. Verschiedene Studien deuten daraufhin, dass durch die Aktivität von ABCA1 bedingte Veränderungen in der Lipidphase der äußeren Hälfte der Plasmamembran (PM) wichtig für die Freisetzung des Cholesterols sind. In der vorliegenden Arbeit wird die Lipidumgebung von ABCA1 in der PM lebender Säugetierzellen unter Anwendung der Fluoreszenzlebenszeitmikroskopie von fluoreszierenden Lipidsonden untersucht. Es wurde eine breite Verteilung der Fluoreszenzlebenszeiten der Sonden gefunden, die sensitiv gegenüber Veränderungen der lateralen und transversalen Organisation der Lipide ist. Im Einklang mit Studien an riesengroßen unilamellaren Vesikeln und Plasmamembranvesikeln weisen unsere Ergebnisse die Existenz einer größeren Vielfalt submikroskopischer Lipiddomänen auf. Die FLIM-Untersuchungen an ABCA1 exprimierenden HeLa-Zellen weisen eine die Lipidphase destabilisierende Funktion des Transportes aus. Dieses wurde unterstützt durch die Lipidanalyse von Fraktionen der PM. Auf der Basis unserer Untersuchungen und früheren Daten stellen wir die Hypothese auf, dass die Exponierung von Phosphatidylserin (PS) auf der Zelloberfläche ein zentrales Ereignis der ABCA1 bedingten Veränderungen ist. Allerdings zeigen vergleichende Studien an ABCA7 exprimierenden Zellen, dass dies nicht ausreicht, um die ABCA1 verursachten Veränderungen in der Lipidpackung der PM zu erklären. Unsere Ergebnisse beweisen, dass die Fähigkeit von ABCA1, den Cholesterolefflux zu vermitteln, auf durch den Transporter bedingte Veränderungen in der LP der PM zurückzuführen sind, die unabhängig von der Bindung von ApoA-1 sind und dieser vorausgehen. Diese Veränderungen sind notwendig für die Lipidierung von ApoA-1 und der Generierung von HDL-Partikeln. / The ABCA1 transporter organizes cellular lipid homeostasis by promoting the release of cholesterol to plasmatic acceptors such as ApoA-I. Despite intensive investigation, the molecular mechanism of such a process has not yet been clarified. In the present study we report on the analysis of the ABCA1 lipid microenvironment at the plasma membrane of living cells, by a novel approach based on fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM). In the plasma membrane of mammalian cells, a broad fluorescence lifetime distribution sensitive to treatments interfering with the membrane lateral and transbilayer organization was found. In agreement with investigations in giant unilamellar vesicles and giant plasma membrane vesicles, our results are consistent with the existence of a large variety of submicroscopic lipid domains. Based on that, FLIM in HeLa cells expressing ABCA1 revealed the destabilizing function of the transporter on the lipid arrangement at the membrane, indicating that lipid packing was a primary target of ABCA1 activity. This was corroborated by the analysis of plasma membrane fractions isolated by density fractionation. On the basis of our analysis and previous data, we speculate that the exposure of phosphatidylserine on the cell surface is a central event for ABCA1-dependent modifications. However, a comparative study of cells expressing ABCA7, the member of the ABCA subfamily with the highest homology to ABCA1, revealed that exposure of PS alone cannot account for the detected effects. Collectively, our data suggest that the ability of ABCA1 to promote cholesterol efflux is independent and precedes its actual binding to ApoA-I. Rather, ABCA1-induced plasma membrane modifications are necessary for the lipidation of ApoA-I and the generation of high density lipoprotein particles.

Die Therapie des häufigsten primären Hirntumors bei Erwachsenen, des Glioblastoms, gestaltet sich aufgrund der relativen Resistenz gegen Bestrahlung und Zytostatika schwierig und resultiert in einer äußerst schlechten Prognose. Ziel dieser Arbeit war die Identifikation von zellulären Faktoren, die bei einer Behandlung mit dem neuartigen onkolytischen Virus Ad5-Delo3RGD (ΔE1A-13S, ΔE19K, ΔE3, zusätzliches RGD-Motiv) eine Bedeutung hinsichtlich des Ansprechens auf die Therapie haben. Dazu erfolgte nach der Transduktion von Gliomzellen mit adenoviralen Vektoren, mit unterschiedlichem E1A-Status, eine Analyse der Modulation der globalen Genexpression. Die E1A-Deletante, Ad5-Ad312, war replikationsinkompetent in Gliomzellen und hatte infolgedessen nur einen marginalen Einfluss auf Genebene und keine biologischen Effekte auf Proteinebene. Das Wildtypvirus (Ad5-wt) mit intakter und das onkolytische Virus (Ad5-Delo3RGD) mit mutierter E1A-Region induzierten eine starke Modifikation der zellulären Genexpression in Gliomzellen. Die Transduktion der Gliomzellen mit Wildtypvirus bzw. onkolytischen Virus resultierte in einer bis zu 60 %-igen Hemmung der Sekretion des Angiogenesefaktors VEGF. Fernerhin konnte in Glioblastomzellen gezeigt werden, dass Ad5-wt und Ad5-Delo3RGD eine 50 bis 60 %-ige Inhibition der Sekretion von TGF-β2, sowie eine bis zu 65 %-ige Hemmung der Transkriptionsaktivität des TGF-β-Signalwegs induzierten. Damit reprimieren besagte Viren zelluläre Faktoren, deren Expression im Gliom mit einer schlechten Prognose korreliert ist. Aufgrund dieser Daten konnte für maligne Gliome ein Modell von Ad5-Delo3RGD-Therapie relevanten zellulären Faktoren entwickelt werden, welches den Zusammenhang zwischen TGF-β2, VEGF bzw. MIR-181 und der Virotherapie verdeutlicht. Mit Hilfe dieses Modells steigt das Verständnis um die antineoplastische Aktivität des onkolytischen Virus, und ermöglicht damit eine Verbesserung der Ad5-Delo3RGD-basierten Therapie. / Glioblastoma is the most common type of brain tumor among adults. The therapy is very difficult, due to its relative resistance to radiation and zytostatica, and often results in fatal prognosis. The main objective of this thesis was the identification of cellular factors associated with therapy response to adenoviral treatment using the newly developed oncolytic virus Ad5-Delo3RGD. Therefore, after viral transduction of glioma cells with adenoviral vectors, using E1A-wildtype and -mutant viruses, an analysis of the modulation of mRNA expression profiles was conducted. The E1A deletion mutant Ad5-Ad312 was replication-deficient in glioma cells and therefore had only marginal influence of host gene transcription level and no biological effect on protein level. Both, wildtype adenovirus type 5 (Ad5-wt), with intact E1A, and oncolytic virus (Ad5-Delo3RGD), with mutated E1A, induced strong modifications of gene expression profiles in glioma cells. The transduction of glioma cells with wildtype or oncolytic virus resulted in a 60 % reduced secretion of the angionesis factor Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF). In addition it was shown that Ad5-wt and Ad5-Delo3RGD induced a reduced secretion of TGF-ß2 by 50 to 60 % and a repression of the SMAD2/SMAD3/SMAD4-specific transcription activity up to 65 %. Thus the viruses inhibit cellular factors, which expression is corelated to a weak prognosis. Based on this data a new model for malign glioma was developed, which illustrates the relationship between virotherapy and the cellular factors TGF-β2, VEGF and MIR-181, which are associated with treatment response to Ad5-Delo3RGD-based therapy. The model helps to understand the basic antineoplastic activity of the oncolytic virus and therefore should help to improve Ad5-Delo3RGD-based therapy.

Limitierend für pharmakologische Therapien ist oft die Unfähigkeit des Wirkstoffes, biologische Membranen zu überwinden, weswegen häufig Transportmoleküle wie z.B. zellpenetrierende Peptide (CPPs, cell penetrating peptides) benutzt werden. Von den über 100 beschriebenen CPPs wurde bisher nur eine kleine Anzahl systematisch verglichen, was die Auswahl des „richtigen“ CPPs für eine Anwendung erschwert. Ziel dieser vorliegenden Arbeit war es, das pro-apoptotische Peptid KLA mittels CPPs spezifisch in Krebszellen zu transportieren. Untersucht wurden: (I) Verschiedene CPPs in unterschiedlichen Zelltypen zur Selektion der „besten“ CPPs; (II) Der Einflusses des CPP C-Terminus auf die Internalisierung und zelluläre Verteilung; (III) Der zelluläre KLA-Transport mittels CPPs via einer nicht-kovalenten Administration. 22 verschiedene CPPs wurden in sieben Zelltypen untersucht, wobei Toxizität, Zellaufnahme und zelluläre Lokalisation mittels Fluorescein markierten CPPs in Fluoreszenzspektroskopie und konfokaler Mikroskopie betrachtet wurden. Abhängig von der Zellaufnahme wurden die CPPs in drei Gruppen klassifiziert. Die Untersuchung carboxylierter und carboxyamidierter CPP C-Termini ergab, dass in den meisten Fällen ein Carboxyamid die zelluläre Aufnahme begünstigte. Drei CPPs (MPG, Penetratin und Integrin) wurden ausgewählt, um das pro-apoptotische KLA Peptid in zwei Krebszelllinien (MCF-7 Brustkrebszellen und leukämische RAW264.7 Makrophagen) im Vergleich zu Fibroblasten (Cos-7) nicht-kovalent zu transportieren. Der erfolgreiche KLA-Transport hing vom CPP, dessen C-Terminus und der Zelllinie ab. Die Analyse der Viabilität nach CPP:KLA Administration ergab, dass MPG-CONH2:KLA (1:2) toxisch für Makrophagen und Brustkrebszellen, aber nicht für Fibroblasten war. Die Toxizität konnte der Apoptose zugeordnet werden. Die vorliegende Arbeit liefert wichtige Informationen über die Auswahl des passenden CPPs für den nicht-kovalenten Transport des pro-apoptotischen KLA-Peptids. / Limitations in a pharmacological therapy are often due to the inability of drugs to overcome the cell membrane and therefore transporting molecules are being used, e.g. cell penetrating peptides (CPPs). Only a few of the over 100 described CPPs have been compared systematically making the choice of “the” CPP for a given application difficult. The goal of the presented work is the CPP mediated delivery of the pro-apoptotic peptide KLA in breast cancer cells as proof of principle for a therapeutical application. Analysed were (I) Different CPPs in various cell types to select the “best” one, (II) The influence of the CPP C-termini on uptake and localisation, (III) The cellular KLA delivery via a non-covalent CPP administration. 22 CPPs were compared in seven cell types thereby looking at toxicity, cellular uptake and subcellular localisation using fluorescein labelled CPPs for fluorescence spectroscopy and confocal microscopy. The resulting uptake information allowed the classification of the CPPs in three main groups. The evaluation of carboxylated and carboxyamidated CPP C-termini revealed that a carboxyamide mostly enhanced the cellular CPP uptake. Three CPPs were selected (MPG, penetratin and integrin) to deliver the pro-apoptotic KLA peptide in two cancer cell lines (breast cancer MCF-7 cells and RAW264.7 macrophages) compared to fibroblasts (Cos-7) via the non-covalent strategy. A successful KLA delivery depended on the applied CPP, its C-terminus and the used cell line. The biological activity of the pro-apoptotic KLA peptide was determined via the cell viability (MTT assay). The co-incubation of MPG-CONH2:KLA (1:2) was able to induce toxicity in breast cancer cells and leukaemic macrophages, but not in fibroblasts. The viability reductions were then assigned to apoptosis. This work provides important information for the choice of an adequate CPP for the pro-apoptotic KLA peptide delivery and presents the advantage of the non-covalent delivery strategy.

Lipidmembranen ermöglichen die räumliche Anordnung von Biomolekülen. Einerseits repräsentieren Lipidvesikel Kompartimente zur Aufrechterhaltung chemischer Milieus und dienen der Verkapselung verschiedenster Substanzen. Anderseits stellen inhomogene Membranen Matrizen für eine laterale Organisation von Membrankomponenten dar. In der vorliegenden Arbeit wurden lipophile Nukleinsäuren zum Aufbau kompartimentalisierter Strukturen auf der Basis von Lipidmembranen benutzt, erstens, für die geordnete, dreidimensionale Assemblierung von Vesikeln, zweitens, für eine spezifische Funktionalisierung inhomogener Lipidmembranen. Definierte Schichten stabiler Lipidvesikel wurden auf „layer-by-layer“ beschichteten Silikapartikeln angeordnet. Mit Hilfe einer optischen Pinzette wurde der gerichtete Transport der mit Vesikeln beschichteten Partikel demonstriert. Moleküle konnten in den Vesikeln verkapselt und bei Bedarf vor Ort freigesetzt werden. Zudem wurde die kontrollierte Fusion der immobilisierten Veskel gezeigt, die eine Durchmischung von verschiedenen Membrankomponenten zur Folge hatte. Lipophile Nukleinsäuren wurden in die Membranen von lipiddomänenbildenden Vesikeln inkorporiert. Cholesterolbasierte DNS verteilte sich hierbei homogen über die gesamte Membran. Palmitoylierte Peptid-Nukleinsäure konzentrierte sich hingegen in der flüssig-geordneten Phase von flüssig-flüssig phasenseparierten Membranen, welche sogenannten Lipid Rafts in Zellmembranen ähnelt. Mittels der palmitoylierten Peptid-Nukleinsäure und tocopherolmodifizierter DNS wurden lateral inhomogene Membranen domänenspezifisch funktionalisiert. Beide Konstrukte konnten temperaturabhängig vermischt und separiert werden. / Lipid membranes are versatile tools for the spatial organization of biomolecules. On one hand, lipid vesicles represent enclosed compartments to maintain chemical environments and allow the efficient entrapment of substances. On the other hand, lateral inhomogeneous membranes provide the two dimensional sorting of membrane-bound compounds. In this work, lipophilic nucleic acids were used to build multicompartment systems based on lipid membranes by the controlled assembly of vesicles and the domain specific functionalization of inhomogeneous membranes. Three dimensional architectures of vesicles were formed by the sequential assembly of vesicles on layer-by-layer coated particles. Upon binding of the vesicles to the particles the vesicles remained stable – they did not fuse neither became leaky. Molecules could be entrapped inside the vesicles and released on demand. It was shown that the vesicles assembled on a particle can be transported to a defined destiny using an optical tweezer. Thus, the targeted delivery and the release of encapsulated molecules on site was achieved. It was also shown that vesicles immobilized on the particles can be fused by remote control, resulting in a mixing of membrane associated compounds. Different lipophilic nucleic acids were arranged in two dimensional patterns by incorporation into domain-forming vesicles. Cholesterol-modified DNA revealed an equal distribution to both domains in liquid-liquid phase-separated membranes, whereas palmitoylated peptide nucleic acid partitioned into the liquid-ordered domain, which resembles lipid rafts of cellular membranes. Using the palmitoylated peptide nucleic acid and tocopherol-modified DNA both domains of liquid-liquid phase-separated vesicles were functionalized with different DNA recognitions sites. Both constructs could be mixed and separated by temperature control.

Apoptose spielt eine wichtige Rolle bei der Generierung eines funktionellen Lymphozytenrepertoirs. Während der anti-IgM induzierten B-Zell Apoptose werden potentiell autoreaktive Zellen eliminiert. Da die molekularen Mechanismen der B-Zell Apoptose weitgehend unbekannt sind, sollten in dieser Arbeit assoziierte Proteine und Gene identifiziert werden. Durch Subklonierung wurde eine Burkitt Lymphom B Zellinie BL60-2 generiert, die sensitiv auf den anti-IgM Stimulus ist. Für den Vergleich apoptotischer und nicht apoptotischer Zellen wurde eine Methode entwickelt in der apoptotische, Phosphatidylserin (PS) positive Zellen, über eine magnetische Separation mit einer Reinheit von bis zu 95 Prozent von nicht apoptotischen Zellen angereichert werden konnten. Mittels der hochauflösenden 2D-Gelelektrophorese wurden die aufgereinigten Fraktionen apoptotischer und nicht apoptotischer Zellen analysiert und die Proteinmuster verglichen. Anhand massenspektrometrischer Analysen und Edman Abbau konnten bisher folgende differentiell erscheinende Proteinspots identifiziert werden: Lamin B1, b-Aktin, neutrales Calponin, Nucleolin, D4-GDI, hnRNP A1, hnRNP C1/C2, hnRNP K, LSP1, HHR23B, das FUSE-binding Protein, dUTPase, P0, HP1 a. Die Proteine D4-GDI, hnRNPA1 und der Transkriptionsfaktor SP1 werden spezifisch während der anti-IgM induzierten Apoptose gespalten. Der zeitliche Verlauf wurde in einer eindimensionalen Western Blot Analyse bestimmt. Das diese Spaltungen ein Resultat der Aktivierung der Proteasen der Caspase 3 Familie sind, konnte durch Inhibitor Studien mit dem Tetrapeptid z-DEVD-fmk bewiesen werden. Die Spaltung des Transkriptionsfaktors SP1 wurde ebenfalls in in vitro untersucht. Rekombinante Caspase 3 und 7 generieren die gleichen Spaltprodukte, die zuvor in vivo nach anti-IgM induzierter Apoptose detektiert wurden, Caspase 6 hingegen generiert nur ein Fragment. Die spezifische Spaltung des Transkriptionsfaktors beinflußt die DNA Bindungsaktivität, was in einem elektro mobility shift assay gezeigt werden konnte. Die Intensität des SP1/DNA-Komplexes nimmt nach Apoptose-Induktion stark ab, hingegen nimmt die Intensität eines kleineren Komplexes stark zu, was auf die Bindung eines der Spaltprodukte schließen ließ, das möglicherweise transkriptionell inaktiv ist und damit einen wichtigen Apoptose Effektor darstellt. Die Proteasen der Caspase 3 Familie konnten erstmalig als zentrale Regulatoren während der anti-IgM induzierten Apoptose identifiziert werden. Durch die Hemmung mit dem Inhibitor z-DEVD-fmk konnte die Apoptose, sowie charakteristische morphologische Veränderungen, wie die Kernfragmentierung und PS auf die Zelloberfläche gehemmt werden und als Caspase 3 abhängige Veränderungen bestimmt werden. Über verschiedene Methoden der differentiellen Hybridisierung von neu hergestellten l-Zap cDNA-Phagenbanken von nicht stimulierten und anti-IgM stimulierten Burkitt Lymphom Zellen sowie der subtraktiven Klonierung sollten Gene identifiziert werden, die während der anti-IgM induzierten Apoptose differentiell exprimiert werden. Apoptose spezifische Sequenzen wurden angereichert, kloniert und sequenziert. / Apoptosis or programmed cell death is essential in the process controlling lymphocyte growth and selection. During anti-IgM induced B cell apoptosis autoreactive cells are eliminated. Since the molecular mechanisms underlying the process of B cell apoptosis are still not well understood the goal of this study was to identify proteins and genes in apoptosis. Subcloning lead to the selection of a human Burkitt lymphoma B cell line clone (BL60-2) which is highly sensitive towards the anti-IgM stimulus. In order to compare apoptotic and non apoptotic cells a novel method was established, which allows separation of apoptotic, Phosphatidylserine (PS) positive cells from non apoptotic, PS negative cells by magnetic cell sorting. This method generates fractions of apoptotic and non apoptotic cells with a purity of up to 95 %. Cell lysates from those fractions were analyzed using high-resolution two-dimensional gel electrophoresis and the protein patterns were compared. Using mass spectrometry and Edman sequencing the following differentially appearing proteins were identified: Lamin B1, b-Actin, neutral Calponin, Nucleolin, D4-GDI, hnRNP A1, hnRNP C1/C2, hnRNP K, LSP1, HHR23B, FUSE-binding protein, dUTPase, P0, HP1 a. The specific cleavage of the D4-GDI, hnRNPA1 and the transcription factor SP1 which occurs after anti-IgM induced apoptosis was detected by western blot analysis. It was determined by inhibition studies with the tetrapeptide inhibitor z-DEVD-fmk that the cleavage is a result of the Caspase 3 family. Cleavage of the transcription factor SP1 was also investigated by in vitro cleavage assays. The activity of recombinant caspase 3 and 7 generate the same cleavage products as observed in vivo after anti-IgM induction. The specific cleavage of the transcription factor influences it´s DNA binding activity as observed by the decrease of the full lenght protein-DNA complex. The increase of a smaller protein-DNA complex was apparent, which may represent the binding of at least one cleavage product. In this work proteases of the Caspase 3 family could be identified as central regulators during anti-IgM induced apoptosis. Anti-IgM induced apoptosis can be completly inhibited by inhibition of Caspase 3 proteases. Characteristic morphological changes, nuclear fragmentation and PS translocation to the outer membrane leaflet of the cells could be determined as a consequence of the Caspase 3 activation during the process of apoptosis. By differential hybridisation of newly generated l-Zap c-DNA librarys from unstimulated and anti-IgM stimulated B cells as well as with subtractive cDNA librays, it should be feasable to identify newly transcribed genes. Apoptosis specific sequences were enriched, cloned and sequenced.

Scs2p ist ein integrales Membranprotein des Endoplasmatischen Retikulums (ER), dessen Deletion zu einer geringeren Expression der Inositol-1-P Synthase INO1 in Inositol-freiem Medium führt und dessen Überexpression die Inositol-Auxotrophie eines Stammes mit einer defekten "unfolded protein response" supprimiert. scs2 Mutanten weisen zudem eine erhöhte Sensitivität gegen Tunicamycin auf, eine Substanz, welche die N-Glykosylierung von Proteinen im ER inhibiert. Für die mutmaßlichen Orthologen von Scs2p in höheren Eukaryoten wurde eine Funktion dieser Proteine im vesikulären Transport postuliert. In dieser Arbeit wurde Scs2p als mit Cue1p, einer Komponente der ER-assoziierten Proteindegradation, quervernetzbares Protein identifiziert, und daraufhin begonnen, die Funktion von Scs2p näher zu charakterisieren. Eine Deletion von SCS2 hatte keinen Einfluß auf die bekannten Cue1p-abhängigen Degradationswege. Auch die Induktion der "unfolded protein response" (UPR) infolge einer Akkumulation von falsch gefalteten Proteinen wurde durch eine Deletion von SCS2 nicht beeinträchtigt. Eine Beeinträchtigung des Transportes durch den sekretorischen Weg konnte in scs2 Hefen ebenfalls nicht nachgewiesen werden. scs2 Mutanten zeigten eine generell verminderte Expression von Genen der Glycerolipid Biosynthese, deren Transkription über Ino2p/Ino4p reguliert wird. Dabei beeinträchtigte eine Deletion von SCS2 nicht die Induktion der UPR in Inositol-armem Medium und die darüber vermittelte Induktion der INO1 Expression. Ein analoger Phänotyp wurde auch in Mutanten beobachtet, in denen die Gene von Ubc7p, einer Komponente der ER-Degradation oder Lcb3p, einer Sphingosin-P Phosphatase, deletiert waren. Dabei bestand in bezug auf die Ino2p/Ino4p-abhängige Expressionsregulation keine epistatische Beziehung zwischen den drei Gendeletionen. Untersuchungen des Einflusses verschiedener Mutanten und Inhibitoren des Sphingolipid Stoffwechsels zeigten, daß Änderungen der Synthese von komplexen Sphingolipiden die Regulation der Inositol Synthese nur indirekt beeinflußten und gaben Hinweise auf eine Regulation des Glycerolipid Stoffwechsels durch Sphingosin. scs2 Mutanten erwiesen sich als sensitiv gegen Inhibitoren der Sphingolipid Biosynthese. Untersuchungen von Stämmen, in denen verschiedene Gene der Sphingolipid Synthese deletiert wurden, sowie Analysen der Lipidzusammensetzung zeigten, daß in scs2 Zellen eine Regulation beeinträchtigt ist, welche die IPC Synthase Aktivität bei einem verringerten Sphingolipid Gehalt der Zelle erhöht. Die geringere Expression von Genen der Glycerolipid Synthese und die niedrigere Kapazität zur Synthese von komplexen Sphingolipiden erwiesen sich als voneinander unabhängige Auswirkungen eines komplexen Phänotyps von scs2 Deletionsmutanten, wobei die primäre Funktion von Scs2p vermutlich nicht im Lipidstoffwechsel liegt. / Scs2p is an integral membrane protein of the endoplasmic reticulum (ER), whose deletion leads to a reduced expression of INO1 encoding inositol-1-phosphate synthase and whose over-expression suppresses the inositol auxotrophy of a strain with a defect unfolded protein response (UPR). scs2 mutants display an enhanced sensitivity to Tunicamycin, an inhibitor of protein N-glycosylation in the ER. It has been proposed that the putative orthologs of Scs2p in higher eukaryotes function in vesicular transport. In this work Scs2p, which was identified as a protein that can be crosslinked to Cue1p, a protein involved in ER-associated protein degradation, was further characterised. A deletion of SCS2 did not affect the known Cue1p-dependend degradation pathways. Cells lacking Scs2p normally induced the UPR upon an accumulation of misfolded proteins. An impairment of protein transport through the secretory pathway could also not be detected in scs2 cells. scs2 mutants displayed a generally reduced expression of genes involved in glycerolipid synthesis, whose transcription is regulated by Ino2p/Ino4p. The induction of the UPR in inositol-free medium and the subsequent upregulation of INO1 expression were not impaired in these cells. A similar effect was observed in strains lacking Ubc7p, a component of the ER -associated protein degradation system and in cells lacking the sphingoid base-1-phosphate phosphatase Lcb3p. Regarding the Ino2p/Ino4p-dependend gene expression no epistatic relationship was observed between Scs2p, Ubc7p and Lcb3p. An examination of the influence of various mutants and inhibitors of the sphingolipid pathway indicated that alterations of the synthesis of complex sphingolipids have only an indirect influence on the regulation of inositol synthesis and pointed towards a control of glycerolipid synthesis by sphingoid bases. scs2 cells were found to be sensitive to inhibitors of sphingolipid biosynthesis. The examination of strains lacking various enzymes involved in sphingolipid synthesis and direct analysis of lipid composition showed that a deletion of SCS2 impairs an upregulation of IPC synthase activity under conditions where the sphingolipid content of the cell is diminished. The reduced expression of genes involved in glycerolipid synthesis and the lower capacity for the synthesis of complex sphingolipids turned out to be mutually independent consequences of the complex phenotype of cells lacking Scs2p, whose primary function may not be in the lipid metabolism.