Saccharosetransporter sind Membranproteine, die von der SUT-Genfamilie kodiert werden. In Solanaceen wurden Subfamilien: SUT1, SUT2, und SUT4 identifiziert. Die Funktion von SUT4 wurde bisher nur fragmentarisch geklärt. Mittels real time PCR wurde eine Organ- und Entwicklungs-spezifische SUT4-Expression in Wildtyp Kartoffeln (Solanum tuberosum ssp. tuberosum) der Varietät Désirée gezeigt. Die Expression von SUT4, SUT2 und SUT1 zeigt eine Tagesrhythmik. Mit Hilfe der RNA Interferenz-Technik wurden transgene Pflanzen mit einer reduzierten SUT4-Expression hergestellt. StSUT4-RNAi Kartoffeln zeigten: reduzierte Stängelelongation, frühere Blühinduktion, frühzeitige Knollenbildung, Veränderungen des Kohlenhydratprofils in den Source- und Sink-Organen, sowie in den Phloemexudaten. Eine vermehrte Zuckertranslokation von Source-zu–Sink wurde postuliert. Bestimmte Aspekte des StSUT4-RNAi Phänotyps wurden früher bereits für Pflanzen mit Veränderungen der Gibberellin-Antwort, sowie für Pflanzen mit deregulierter photoperiodischen Signaltransduktion beschrieben. In den StSUT4-RNAi Blättern wurden verringerte Transkriptmengen eines GA-Biosynthese-Enzyms (GA20ox1) und eine erhöhte PhyB-mRNA-Akkumulation festgestellt. Der Versuch der Komplementation des StSUT4-RNAi Phänotyps durch GA3-Behandlung war nicht erfolgreich. Es wurde gezeigt, dass es unter Beschattung zu einer erhöhten SUT4-mRNA-Akkumulation kommt. In den StSUT4-RNAi Pflanzen wurden Veränderungen der Expression photoperiodisch regulierter Gene beobachtet. Eine Rolle des SUT4 als ein Integrator der pflanzlichen Antwort auf Licht, Hormone und Zucker wurde postuliert. / Sucrose transporters are membrane proteins, which are encoded by the SUT gene family. In Solanaceen the SUT1, SUT2, and SUT4 subfamily have been identified. So far, the function of the sucrose transporters belonging to the SUT4 subfamily is only poorly understood. The expression of SUT4 in wild type of potato, Solanum tuberosum ssp. tuberosum var. Désirée analyzed via real time PCR shows to be sink and development specific. The expression of SUT4, SUT2 und SUT1 follow a diurnal rhythm. An RNA interference approach was used for the generation of transgenic plants with reduced SUT4 expression. The transgenic potato plants show a reduced internode elongation, early flowering, early tuberization, changes of the carbohydrate content in source as well as in sink organs of these plants, together with changes in phloem efflux from leaves. Increased translocation rate of soluble sugars was postulated. Particular aspects of the StSUT4-RNAi phenotype were already described for plants with changes in the gibberellin response or changes in the photoperiodic signaling pathway. In the StSUT4-RNAi leaves was observed a reduction of the transcript level of the GA biosynthetic enzyme GA20ox1 and increased accumulation of PhyB transcripts. However, the complementation of the StSUT4-RNAi phenotype by GA3 treatment was not successful. Under shade conditions (or under far red light enrichement), the StSUT4 transcripts accumulated to higher levels. In the StSUT4-RNAi plants were observed changes in the expression of genes involved in the photoperiodic pathway. An integrative function of SUT4 in the coordination of the light signalling, the hormone signalling and the sugar signalling pathways of higher plants was postulated.

In eukaryotischen Zellen sind die Lipidspezies häufig asymmetrisch zwischen den Hälften der Plasmamembran verteilt. Insbesondere Phosphatidylserin (PS) weist oft eine ausgeprägte transversale Asymmetrie auf, da es fast ausschliesslich auf die innere Hälfte der Plasmamembran beschränkt ist. In den letzten Jahren wurden mehrere Proteine diskutiert, die Lipide zwischen den Membranhälften transportieren und möglicherweise die transversale Lipidasymmetrie sowie damit verbundene Zelleigenschaften beeinflussen. Im Mittelpunkt der vorliegenden Promotion steht der Auswärtstransport fluoreszierender (C6-NBD-) Lipid-Analoga und endogener Lipide durch das Multidrug Resistance 1 P-Glycoprotein (MDR1 Pgp), das der ATP Binding Cassette (ABC) Transporter Superfamilie angehört. Interessanter Weise wird für MDR1 Pgp eine ungewöhnlich breite Substratspezifität angenommen. Das anionische Lipid PS war hier von besonderem Interesse, obgleich es in vorhergehenden Arbeiten nicht als MDR1 Pgp Substrat betrachtet wurde. Der Auswärtstransport von Phosphatidylcholin-, Phosphatidylethanolamin-, Glucosylceramid- und Sphingomyelin-Analoga durch MDR1 Pgp konnte in einer humanen Magenkarzinomlinie (EPG85-257), die MDR1 überexprimiert, mittels Fluoreszenzspektroskopie bestätigt werden. Zudem legt die verringerte Akkumulation von Diacylglycerol- und Ceramid-Analoga den Transport dieser Lipidspezies durch MDR1 Pgp nahe. Im Anschluß an die intrazelluläre Markierung mit C6-NBD-PS mittels eines neuen Verfahrens konnte der signifikant erhöhte Auswärtstransport dieses Analogons in MDR1 überexprimierenden Zellen durch Verwendung spezifischer Inhibitoren MDR1 Pgp zugeschrieben werden. In flusscytometrischen Versuchen war die Exponierung von endogenem PS auf der äusseren Membranhälfte von MDR1 überexprimierenden Zellen signifikant höher als in Kontrollzellen. Verringerung der PS-Exponierung durch einen Inhibitor von MDR1 Pgp deutet auf den Transport von endogenem PS durch MDR1 Pgp hin. Zusätzlich wurde hier der Transport von C6-NBD-PS in vier weiteren Zellinien mit verschiedener Spezies- und Gewebezugehörigkeit charakterisiert, die unterschiedliche Mengen an MDR1 Pgp synthetisieren. Wie Experimente in einer BCRP überexprimierenden EPG85-257-Sublinie nahelegen, ist ausser MDR1 Pgp möglicherweise ebenfalls der ABC Halb-Transporter Breast Cancer Resistance Protein (BCRP) am Transport von C6-NBD-PS und an der verstärkten Exponierung von endogenem PS beteiligt. / In eukaryotic cells, the lipid species are frequently distributed asymmetrically between the plasma membrane leaflets. Phosphatidylserine (PS), in particular, often exhibits a distinct transverse asymmetry, being restricted almost exclusively to the inner leaflet. In the past years, several proteins were suggested to transport lipids between the leaflets of a membrane, and to potentially influence transverse lipid asymmetry and related cell properties. This thesis focuses on outward transport of fluorescent (C6-NBD-) lipid analogs and endogenous lipids by the Multidrug Resistance 1 P-Glycoprotein (MDR1 Pgp), a member of the ATP binding cassette (ABC) transporter superfamily. Interestingly, MDR1 Pgp has been suggested to exhibit an unusually broad substrate specificity. Here, the anionic PS was of particular concern, although previously reported not to be an MDR1 Pgp substrate. In a human gastric carcinoma cell line (EPG85-257) overexpressing MDR1, outward transport of phosphatidylcholine, phosphatidylethanolamine, glucosylceramide and sphingomyelin analogs via MDR1 Pgp was confirmed using fluorescence spectroscopy. In addition, decreased accumulation of analogs of diacylglycerol and ceramide suggest MDR1 Pgp mediated transport of these lipid species. Upon intracellular labelling with C6-NBD-PS using a novel approach, significantly increased outward transport of this analog in MDR1 overexpressing cells could be attributed to MDR1 Pgp by employing specific inhibitors. In a flow cytometry setup, the exposure of endogenous PS on the outer plasma membrane leaflet was significantly elevated in MDR1 overexpressing cells compared to controls. Reduction of PS exposure by an MDR1 Pgp inhibitor suggests transport of endogenous PS by MDR1 Pgp. Transport of C6-NBD-PS was furthermore characterized here in four additional cell lines of different species and tissue origin with varying synthesis levels of MDR1 Pgp. Besides MDR1 Pgp, the ABC half-size transporter Breast Cancer Resistance Protein (BCRP) is possibly also involved in transport of C6-NBD-PS and in increased exposure of endogenous PS, as found in a BCRP overexpressing EPG85-257 subline.

Das COP9 Signalosom (CSN) ist ein hoch konservierter Proteinkomplex, der an der Regulation des Ubiquitin (Ub)-26S Proteasomsystems (UPS) beteiligt ist. Das UPS ist die wichtigste Proteolysemaschinerie in eukaryotischen Zellen, bei der Proteine über eine dreistufige Kaskade der Enzyme E1-E3 mit einer Ub-Kette markiert werden, die als Erkennungssignal für den Abbau durch das 26S Proteasom dient. Das CSN gilt als Paralog zum Lid, einem Subkomplex des 26S Proteasoms, und interagiert mit einer Vielzahl von Proteinen, unter anderem mit E3-Ligasen und Kinasen. In dieser Arbeit konnte die direkte Bindung des CSN an das 26S Proteasom gezeigt werden, was zu einem Einfluss auf die Peptidaseaktivität des 26S Proteasoms in vitro führt. In Flag-Pulldown-Experimenten aus B8 Mausfibroblasten, die stabil mit Flag-CSN2 transfiziert waren, wurde ein vollständiger Flag-CSN-Komplex nachgewiesen, der mit dem 26S Proteasom assoziiert vorliegt. Co-Immunpräzipitationen beider Komplexe in vitro wiesen auf eine konzentrationsabhängige Verdrängung des Lid-Subkomplexes durch das CSN hin. Diese Interaktion führte zur Reduktion der proteolytischen Aktivität des 26S Proteasoms. Darüber hinaus wurde eine assoziierte deubiquitinierende Aktivität am CSN entdeckt und als USP15 identifiziert. Die Charakterisierung von USP15 zeigte, dass es durch die am CSN assoziierte Kinase CK2 phosphoryliert und stabilisiert wird. Erstmalig konnte durch Inhibitorstudien mit ortho-Phenanthrolin eine Metallabhängigkeit der Aktivität von USP15 nachgewiesen werden, die zur Identifizierung eines bisher unbekannten Zn-Fingers führte. Mutationsanalysen des Zn-Fingers zeigen, dass dieser für die Bindung und Spaltung von Ub-Ketten, nicht aber von linearen Ub-Konstrukten, notwendig ist. In Zellexperimenten konnte nachgewiesen werden, dass USP15 die E3 Ligase Rbx1 stabilisiert, was vermutlich auf eine Umkehr der Autoubiquitinierung zurückzuführen ist. Das CSN scheint somit sowohl das 26S Proteasom als auch die E3-Ligasen direkt zu beeinflussen. Die Ergebnisse dieser Arbeit stellen eine Vertiefung der Erkenntnisse über das CSN als Regulator des UPS dar. / The COP9 signalosome (CSN) is a conserved protein complex that is involved in the regulation of the ubiquitin (Ub)/26S proteasome system (UPS). The UPS is the most important degradation machinery in eukaryotic cells. By the concerted action of three enzymes, E1-E3, proteins are labelled with a Ub-chain that serves as a recognition signal for the degradation by the 26S proteasome. The CSN is homologous to the lid, a subcomplex of the 26S proteasome, and interacts with numerous proteins, including E3 Ub ligases and kinases. In this study a direct interaction of the CSN with the 26S proteasome could be shown which has consequences for the peptidase activity of the 26S proteasome in vitro. In Flag-pull-down experiments from mouse B8 fibroblasts, that permanently expressed Flag-CSN2, an intact Flag-CSN complex was detected that is associated with the 26S proteasome. Co-immunoprecipitation of both complexes in vitro indicated a concentration-dependent replacement of the lid subcomplex by the CSN. This interaction led to a decrease of the proteolytic activity of the 26S proteasome. Moreover, a deubiquitinating activity associated with the CSN was discovered and identified as USP15. The USP15 was phosphorylated by the CSN-associated kinase CK2 that stabilised the enzyme. For the first time inhibitor studies with ortho-phenanthroline demonstrated a metal-dependency for the activity of USP15 that could be attributed to a formerly unidentified Zn-finger. Mutational analysis of the Zn-finger showed that it is necessary for the binding and cleavage of poly-Ub-chains but not for linear Ub-constructs. Cell culture experiments demonstrated a stabilisation of the E3 ligase Rbx1 by USP15 most likely by reversing its autoubiquitination. Therefore the CSN seems to directly influence the 26S proteasome as well as E3 ligases in their functions. These results expand the present knowledge on the CSN as a regulator of the UPS.

Gleich einem Etikett dient die N-Glykokosylierung vom Ribosom neu synthetisierter Proteine durch die Oligosaccharyltransferase (OST) bei der kotranslationalen Translokation in das Endoplasmatische Retikulum (ER) als Startpunkt vielschichtiger Prozessierungen. Bisher fehlte der strukturelle Nachweis, dass die OST als mit dem Ribosom assoziierten Membranprotein (RAMP) Bestandteil des auf dem proteinleitenden Kanal, dem Sec61-Komplex, basierenden Translokons ist. In dieser Arbeit berichten wir von der kryoelektronenmikroskopischen 3D-Struktur eines definierten OST-Sec61-Ribosom-Komplexes aus Saccharomyces cerevisiae bei 15,4 Å Auflösung. Dazu wurden die Komponenten (OST, Sec61 und Ribosomen mit naszierender Proteinkette) affinitätschromatographisch gereinigt und das Bindungsverhalten mit 80S-Ribosomen in vitro untersucht. Die OST band mit einer KD von 12,8 nM hochaffin und spezifisch an den bekannten Sec61-Ribosomen-Komplex. Dieser in vitro rekonstituierte trimere Komplex zeigte eine neuartige eng an das Ribosom anschließende Translokonstruktur mit zwei bisher unbekannten ribosomalen Verbindungen, einer einzigen dezentralen porenförmigen Vertiefung und zusätzlichen luminalen Bereichen. Durch das Docken eines Sec61-Homologs in einer alternativen Bindeposition sowie das Docken eines Stt3p-Homologs (der katalytischen Untereinheit der OST) und mit Hilfe der mittels (Kryo-)Negativkontrastierung gewonnenen 3D-Struktur der OST konnten Hybridmodelle erstellt werden. Daraus wurde unter Einbeziehung von bekannten molekularbiologisch gewonnenen Interaktionsdaten das 3D-Modell eines aktiven Ribosomen-gebundenen OST-Sec61-Translokons entwickelt. / Like a label, N-glycosylation by the oligosaccharyltransferase (OST) of newly synthesized proteins emerging from the ribosome while being cotranslationally translocated into the endoplasmic reticulum (ER) provides a starting point for a multitude of processes. Hitherto no structural proof has been presented, that the OST as a ribosome associated membrane protein (RAMP) is a constituent of the translocon, based at its core on the protein conducting channel (Sec61-complex). In this work we report on the 3D-structure of a defined OST-Sec61-ribosome complex from Saccharomyces cerevisiae by cryo-electron microscopy at 15.4 Å resolution. Thereto, the components (OST, Sec61, ribosome nascent chain complexes) have been purified by affinity chromatography and the binding of 80S-ribosomes has been checked in vitro. The OST bound with high affinity by a KD of 12.8 nM specifically to the established Sec61-ribosome complex. This trimeric complex reconstituted in vitro exhibits a new kind of tightly bound ribosomal translocon showing two hitherto unknown connections to the ribosome, a single off-center pore-like indentation and an additional luminal domain. By docking of a Sec61 homologue at an alternative binding position plus the docking of a Stt3p homologue (the catalytic subunit of the OST) and by means of the 3D-structure of the OST using the (cryo-)negative staining technique, hybrid models could be created. Consequently, integrating known interaction data from molecular biology experiments has been used to develop a 3D-model of an active ribosome-bound OST-Sec61-translocon.

Der radiale Wasserfluss durch die feinen Seitenwurzeln von Schilf- und Mais ist vom radialen Teilchenfluss entkoppelt. Der radiale Wasserfluss wird bereits im Kortex der Wurzel durch den Protoplasten kontrolliert, da die Strömung auf dem apoplastischen Zellwandweg um die Protoplasten herum gegenüber der Strömung durch die Protoplasten nicht signifikant ist. Der radiale Reflexionskoeffizient der Wurzeln wird durch den Reflexionskoeffizient der Plasmamembran bestimmt. Die Feinwurzeln von Schilf- und Mais besitzen einen Reflexionskoeffizienten für Salze, Zucker, Zuckeralkohole und Polymere der sich nicht signifikant von eins unterscheidet. An intakten Wurzeln wurde dies durch die Abwesenheit von solvent drag für NaCl und Mannitol bei der Steigerung des Wasserflusses und der gleich großen hydraulischen Wirkung von osmotischen und hydrostatischen Kräften auf die Exsudation nachgewiesen. Die radialen Wände der Endodermis von Schilf- und Maiswurzeln sind keine perfekte Diffusionsbarriere. Liegen die genannten Stoffe in einer signifikanten Konzentration in der Zellwand vor permeieren sie passiv unter Umgehung der Protoplasten durch die Endodermis in die Xylemgefäße. Auch die Epidermis/Hypodermis der untersuchten Wurzeln hat die Eigenschaft einer semipermeablen Membran in der osmotische Druckgradienten einen Volumenfluss erzeugen. Es wurden zwei Methoden etabliert, mit denen sich der osmotische Druck des Xylemsaftes in isolierten Feinwurzeln bestimmen lässt. Die Feinwurzeln unterschieden sich hinsichtlich des osmotischen Druckes ihres Xylemsaftes und ihrer radialen hydraulischen Leitfähigkeit stark. Die bekannte Fähigkeit der Schilfpflanzen Natriumionen an der Sprossbasis aus dem Xylem zu eliminieren muss um Chloridionen erweitert werden. Die hohe Permeabilität der Endodermis für NaCl verringert die osmotische Wirkung des Brackwassers auf die Wasseraufnahme. Die Entkopplung der Salzaufnahme vom Wasserfluss vermeidet eine exzessive Salzbelastung des Sprosses. / Radial Water fluxes are not coupled to the radial solute fluxes in fine lateral roots of mays and reed. The radial water flow is already controlled by the protoplast in the cortical parenchyma as the hydraulic conductivity of the cell wall path circumventing the protoplasts is negligible compared to hydraulic conductivity of the pathway through the protoplast. The radial reflection coefficient of the root is defined by the reflection coefficient of the plasma membrane. Therefore fine laterals of the common reed (Phragmites australis) and maize (Zea mays) therefore exhibit a reflection coefficient for salts, sugars, alditols and polymers that is not significantly different from unity. This conclusion was drawn from the absence of solvent drag for NaCl and mannitol with increasing water flux and by the observation of equality of the hydraulic effect of both osmotic and hydrostatic forces on the exudation flow in intact roots of both plants. The radial walls of the endodermis are no absolute barrier for diffusion of small osmolytes. In the presence of high cell wall concentrations, the abovementioned osmolytes passively permeated into the xylem vessels at high rates circumventing the protoplast. The epidermis/hypodermis exhibits a semipermeable barrier as well wherein osmotic forces can create a radial volume flux. Two methods were established that allow for the determination of the flow direction and the osmotic pressure of the xylem sap in isolated fine laterals. Laterals differed strongly regarding their hydraulic conductivity and the osmotic pressure of their xylem sap. The known ability of the reed plant to remove sodium ions from the ascending sap has to be expanded for chloride. The high permeability of the endodermis for NaCl reduces the osmotic force of the brackish medium on water uptake. Uncoupling of radial water from the solute fluxes avoids the excessive permeation of NaCl and its accumulation in the assimilating leaves at high rates of transpiration.

Die Fusion von Membranen erfordert die Verschmelzung von zwei Phospholipiddoppel-schichten, wobei dies über dieselben Zwischenschritte abzulaufen scheint. Eine lokale Störung (‚Stalk’) stellt eine erste Verbindung der äußeren Membranhälften dar, die anschließend lateral expandiert und ein Hemifusionsdiaphragma (HD) bildet. Das Öffnen einer Fusionspore im HD führt zur vollständigen Fusion. Mittels konfokaler Mikroskopie wurde die Fusion von Giant unilamellar vesicles (GUVs) mit negativ geladenen Lipiden und transmembranen (TM) Peptiden in Anwesenheit von zweiwertigen Kationen beobachtet, wobei die Peptide bei der HD Entstehung völlig verdrängt wurden. Eine detaillierte Analyse zeigte, dass es sich bei diesem Mikrometer-großen Bereich um ein HD handelt, dessen Größe von der Lipidzusammensetzung und Peptidkonzentration in den GUVs abhängt. Laterale Lipiddomänen gelten als entscheidend für Signal- und Sortierungsprozesse in der Zelle. Liquid ordered (Lo) Domänen in Modellsystemen wie GUVs ähneln den mit Sphingo-lipiden und Cholesterol angereicherten biologischen Raft-Domänen, allerdings scheinen Membraneigenschaften wie die Lipidpackung sich von biologischen Membranen zu unterscheiden. In diesem Zusammenhang wird die Sortierung des TM-verankerten Hemag-glutinin (HA) des Influenzavirus und von lipidverankerten Ras-Proteinen in GUVs wie auch in abgelösten Plasmamembran-Ausstülpungen (GPMVs) untersucht. HA Protein und TM-Pepitde von HA wurden ausschließlich (GUVs) bzw. vorwiegend (GPMVs) in der liquid disordered (Ld) Domäne gefunden. K-Ras wurde inmitten der Ld detektiert, während N-Ras zur Lo/Ld Grenzlinie diffundierte. Diese Ergebnisse werden im Zusammenhang mit den Unterschieden der Lipidpackung innerhalb der verschiedenen membranverankerten Systeme diskutiert. Es ist wahrscheinlich, dass die Bildung, Größe und Stabilität sowie die physikalischen Eigenschaften der Lipiddomänen in biologischen Membranen stark von Protein-Lipid-Wechsel-wirkungen beeinflusst werden. / Membrane fusion is ubiquitous in life and requires remodelling of two phospholipid bilayers. Fusion likely proceeds through similar sequential intermediates. A stalk between the contacting leaflets forms and radially expands into a hemifusion diaphragm (HD) wherein finally a fusion pore opens up. Direct experimental verification of this key structure is difficult due to its transient nature. Confocal microscopy was used to visualize the fusion of giant unilamellar vesicles (GUVs) comprising negatively charged phosphatidylserine and fluorescent transmembrane (TM) entities in the presence of divalent cations. A complete displacement of TM peptides preceded full fusion. This is consistent with HD formation. Detailed analysis provided proof that the micrometer sized structures are in fact HDs. HD size is dependent on lipid composition and peptide concentration. Lateral lipid domain formation is believed to be essential for sorting and signalling processes in the cell. Liquid ordered (Lo) domains in model systems like GUVs resemble biological rafts enriched in sphingolipids and cholesterol, but their physical properties seem distinct from biological membranes as judged by e.g. lipid order and packing. In this context the sorting of TM anchored influenza virus hemagglutinin (HA) and different lipid anchored Ras proteins is studied in GUVs and giant plasma membrane derived vesicles (GPMVs). Authentic HA or the TM domain peptides were sorted exclusively (GUVs) or predominantly (GPMVs) to the liquid disordered (Ld) domains. Whereas K-Ras was found in the bulk Ld domains, N-Ras diffuses to the Lo/Ld interface. These results are discussed with respect to differences in lipid packing in the different membrane systems and regarding the membrane anchors and their hydrophobic matching. The results suggest that the formation, size and stability as well as the physical properties of lipid domains in biological membranes are tightly regulated by protein-lipid interactions.

Sensorische Photorezeptorproteine vermitteln vielfältige Lichtreaktionen in allen Domänen des Lebens. Oftmals dienen verschiedene, durch helikale ‚Linker’ gekoppelte, Module der Lichtperzeption (Sensor) und der Umwandlung in ein biologisches Aktivität (Effektor). Der Zusammenbau chimärer Photorezeptoren aus unterschiedlichen Sensoren und Effektoren ermöglicht die präzise und minimalinvasive Regulation zellulärer Signalwege mit Hilfe von Licht, zu therapeutischen oder analytischen Zwecken. Eine große Herausforderung stellt dabei die korrekte Fusion der Linker beider Module dar, die Kommunikation zwischen Sensor und Effektor erlaubt. Die vorliegende Arbeit nimmt sich diesem Problem an und untersucht Strategien zum effizienten Bau chimärer Photorezeptorproteine. Ein rationaler, auf Sequenz- und Strukturhomologie der parentalen Proteine basierender Ansatz wurde maßgeblich durch unzureichendes Verständnis der funktionellen Mechanismen dieser modularen Proteinen erschwert. Die neuentwickelte und PATCHY-Methode umgeht dieses Hindernis, indem sie eine Bibliothek von Chimären aller Kombinationen der parentalen Linker generiert, welche anschließend mittels bakterieller Testsysteme nach funktionalen Varianten durchsucht wird. Angewendet auf die Fusion eines LOV-Blaulichtsensors und eines Histidinkinase-Effektors fanden sich sowohl lichtaktivierte, als auch zu lichtreprimierte Chimären, deren Linkerlängen jeweils einer Heptadenperiodizität folgten. Dass weniger als 5% aller Linkerkombinationen zu lichtregulierten Chimären führten, deutet zudem auf eine feine Abstimmung von Linkersequenz und Proteinfunktion hin. Die systematische Analyse von Fusionsvarianten mit PATCHY dient daher nicht nur der Entwicklung chimärer Rezeptorproteine zur Manipulation zellulärer Prozesse. Sondern sie zeigt darüber hinaus, komplementär zum rationalen Ansatz, molekulare Faktoren auf, die zur Modulkompatibilität und Signaltransduktion modularer Rezeptorproteine beitragen. / Sensory photoreceptor proteins mediate diverse responses to ambient light in all domains of life. Often distinct modules coupled by helical linkers enable light perception (sensor) and biological output function (effector). Rewiring different sensor and effector modules into photoreceptor chimeras allows using light to control target cellular processes with high spatiotemporal accuracy and minimal invasiveness for therapeutic or analytical purposes. Thereby, a major design challenge is fusing the linkers from both modules in a way that preserves signal transduction within the chimera. The present study tackles this issue and explores strategies for engineering photoreceptor chimeras. An initial rational-design approach guided by sequence and structure homology of the parent proteins was greatly hampered by insufficient knowledge of signaling mechanisms within these modular proteins. A novel and easy-to-use brute-force strategy, termed PATCHY (primer-aided truncation for the creation of hybrid enzymes) circumvents this problem by generating a complete library of fusion variants between target modules harboring all combinations of the parent linkers. Screening fusion libraries of a LOV (light-oxygen-voltage) blue-light sensor coupled to a histidine-kinase effector yielded light-induced and light-repressed chimeras, each group complying with a heptad periodicity of linker lengths. With less than 5% of all possible variants exhibiting light regulation, a delicate fine-tuning of linker sequence and protein function became evident. Thus, systematic testing of fusion variants with PATCHY not only facilitates the development of photoreceptor chimeras for manipulating cellular processes. Complementary to rational design, it also reveals molecular cues determining module compatibility and signal transduction in modular signal receptors.

Tumormodelle, in denen die maligne Transformation durch definierte Onkogene experimentell ausgelöst und unterhalten wird, bieten vielfältige Möglichkeiten, die komplexen Mechanismen der Tumorentstehung und Therapieresistenz zu untersuchen und neue Ansätze für Diagnostik und Therapie auszuarbeiten. KRAS-Onkogen-„getriebene“ Transformationsmodelle spiegeln neben anderen tumorspezifischen Veränderungen insbesondere die charakteristischen Änderungen des Transkriptoms wider. In der vorliegenden Arbeit wird ein Modell für Ovarialtumore auf Grundlage von Rose Zellen („Rat ovarian surface epithelium“) verwendet, um die Rolle von Transkriptionsfaktoren, welche durch die KRAS-vermittelte Signaltransduktion hoch reguliert werden, zu untersuchen. Die KRAS-transfomierten Derivate der normalen Rose Zellen zeigen die typischen Merkmale von ankerunabhängigen und invasiven Tumorzellen. Aufgrund der hohen Komplexität sind die Interaktionen zwischen der zytoplasmatischen Signaltransduktion und dem durch sie regulierten Transkriptionsfaktornetzwerk noch weitgehend unverstanden. Die Transkriptionsfaktoren Fosl1, Hmga2, Klf6, JunB, Otx1, Gfi1 und RelA wurden systematisch mittels RNA-Interferenz in KRAS-transformierten Rose Zellen transient ausgeschaltet. Danach wurden Proliferation, Morphologie (epithelial-mesenchymale Transition, EMT) und Ankerunabhängigkeit der Zellen bestimmt. Alle untersuchten Transkriptionsfaktoren beeinflussten die KRAS-induzierten morphologischen Veränderungen teilweise, belegt durch die Abnahme der EMT-Merkmale nach siRNA-vermittelter Ausschaltung. Der Knock-down der Transkriptionsfaktoren Otx1, Gfi1 und RelA hemmte die Proliferation, während Fosl1, Hmga2, Klf6 und JunB die generelle Proliferationsfähigkeit nicht beeinflussten, jedoch spezifisch die ankerunabhängige Proliferation blockierten. Diesen Faktoren kommt daher eine spezifische Funktion in der neoplastischen Transformation zu, da die Ankerunabhängigkeit sehr gut mit der Tumorigenität korreliert ist. Um die Beteiligung der Transkriptionsfaktoren an der Deregulation von Zielgenen zu erfassen, wurden Genexpressionsmuster aller Zellen, in denen jeweils ein Faktor durch siRNA ausgeschaltet war, mittels Microarray-Analyse identifiziert. Auf dieser Grundlage wurde ein Netzwerk-Modell der regulatorischen Interaktionen zwischen den Transkriptionsfaktoren berechnet. Die Existenz der beiden funktionellen Gruppen wurde im Modell bestätigt. Darüber hinaus zeigte sich eine gegenseitige Abhängigkeit des transkriptionellen Netzwerks und der zytoplasmatischen Signaltransduktion, gemessen mittels Proteinanalyse der mitogenabhängigen Signalkinasen (MAPK). Diese wird als kompensatorische Regulation interpretiert, welche trotz Pertubation, experimentell durch siRNA, das effiziente Überleben der transformierten Zellen sicherstellt. Die vorliegende Studie schafft somit die Voraussetzung und Motivation, das reduzierte Netzwerk aus sieben Komponenten auf alle differentiell exprimierten Transkriptionsfaktoren zu erweitern. Möglicherweise behindern solche Regulationskreise in der klinischen Situation die effektive Wirkung zielgerichteter Therapien. / Tumor models, in which malignant transformation was experimentally triggered and maintained through defined oncogenes, offer manifold opportunities to determine the complex mechanisms of tumor progression and resistance to therapies, and to develop new strategies for diagnosis and therapy. Particularly, KRAS oncogene driven models of transformation reflect the characteristic alterations of the transcriptome, among other tumor specific changes. In the present work a model for ovarian cancer based on Rose („Rat ovarian surface epithelium“) cells has been used to evaluate the role of transcription factors, which are up-regulated through KRAS dependent signaling. The KRAS transformed derivates of normal ROSE cells exhibit typical characteristics of anchorage-independent and invasive tumor cells. Due to the high complexity of cellular networks, the interactions between cytoplasmic signalling and their regulated transcription factors are not well understood. The transcription factors Fosl1, Hmga2, Klf6, JunB, Otx1, Gfi1 and RelA were systematically eliminated by transient RNA interference in KRAS transformed ROSE cells. The proliferation, morphology (epithelial-mesenchymal transition, EMT) and anchorage-independence of the cells were determined. All of the selected transcription factors had partial effect on the KRAS induced morphologic changes, documented by reduction of EMT-properties after siRNA treatment. The knock-down of the transcription factors Otx1, Gfi1 and RelA blocked proliferation in general, whereas Fosl1, Hmga2, Klf6 and JunB had no influence on proliferation but specifically blocked the anchorage-independence. Thus, these factors exhibited essential functions in the process of neoplastic transformation, because the anchorage-independence correlates very well with tumorigenicity. In order to elucidate the involvement of the transcription factors in the genetic deregulation of their target genes, microarray based gene expression profiles were determined from all cells in which one factor was eliminated by siRNA. Based on these data, a network model of regulatory interactions among these transcription factors was calculated. The existence of both functional groups was confirmed by the model. Furthermore, an interdependence of the transcriptional networks and cytoplasmatic signaling was observed by protein analysis of the mitogen dependent signal kinases (MAPK). This was interpreted as compensatory regulation, which in spite of experimental perturbation by siRNA, permitted efficient survival of the transformed cells. Thus, the present work provides the basis and motivation to extend the reduced network composed of seven components to all regulated transcription factors. Potentially, such regulatory networks diminish the efficacy of targeted therapies in clinical situations.

Diese Dissertation analysiert das optimale Zusammenspiel dynamischer Preissetzung, dynamischer Werbung und Bestandsmanagement. Wir betrachten verschiedene Optimierungsprobleme für einen monopolistischen Händler bei gegebener zeitabhängiger deterministischer Nachfrage. In Kapitel 2 erweitern wir das Modell von Rajan et al. (1992). Der Händler darf einen dynamischen Preis, eine dynamische Werberate und die Lagergröße bei fester Verkaufsdauer wählen, so dass der Barwert von Umsatz minus Lager-, Einkaufs- und (nichtlinearen) Werbekosten maximiert wird; zusätzlich zerfällt der Lagerbestand mit exponentieller Rate. Wir ermitteln die optimale Preis-Werbe-Steuerung und die optimale Lagergröße und betrachten auch semi-statische Situationen. Wir führen eine Sensitivitätsanalyse im Hinblick auf den Einfluss der Modellparameter auf die optimalen Ergebnisse durch und vergleichen die Ergebnisse des dynamischen Modells mit denen der semi-statischen Modelle. In Kapitel 3 interpretieren wir den Verkaufsprozess als gesteuerten Diffusionsprozess eines neuen Produktes und die Lagergröße als unerschlossenen Marktanteil. Der Anfangszustand ist exogen gegeben und die Nachfrage hängt zusätzlich vom gegenwärtigen Zustand des Systems ab. Ein Zerfall des Lagerbestandes und alle Kosten bis auf Werbekosten sind ausgenommen. Anders als in Helmes et al. (2013) leiten wir die optimale Steuerung mithilfe des Pontrjaginschen Maximumprinzips her. Als Anwendung betrachten wir das Modell von von Bertalanffy. In Kapitel 4 erweitern wir die Analyse von einperiodigen Modellen auf langfristige Modelle. Die Länge des Verkaufszyklus und die Lagergröße sind Entscheidungsvariablen, wobei die optimalen Steuerungen aus Kapitel 2 bzw. Kapitel 3 während eines Zyklus angewandt werden. Existenzbedingungen für ein optimales Paar aus Zykluslänge und Lagergröße werden hergeleitet. Wir analysieren verschiedene Anwendungs- und Illustrationsbeispiele und verifizieren Strukturaussagen der optimalen Entscheidungsgrößen. / This dissertation analyzes the optimal coordination of dynamic pricing, dynamic advertising, and inventory management. We consider different optimization problems for a monopolistic retailer who faces a time-dependent deterministic demand. In Chapter 2, we generalize the model of Rajan et al. (1992). The retailer is allowed to choose a dynamic price, a dynamic advertising rate, and the inventory capacity for a sales period of fixed length so that the present value of revenue minus inventory, purchasing and (nonlinear) advertising costs is maximized; in addition, the inventory deteriorates at an exponential rate. We derive the optimal dynamic price-advertising control and the optimal capacity and also consider partially static cases. For the optimally controlled dynamic model we carry out a sensitivity analysis with respect to the model parameters and we compare the results of the dynamic model with those of the partially static models. In Chapter 3, we interpret the sales process as the controlled adoption process of a new product and the inventory capacity as untapped market share. The initial state is assumed to be exogenously given and the demand depends on the current state of the system. We exclude, however, deterioration effects and any other costs but the cost of advertising. We derive the optimal controls using a different technique than Helmes et al. (2013) - we apply Pontryagin’s maximum principle. As an interesting application we consider the controlled von Bertalanffy model. In Chapter 4, we extend the analysis of one-period models to multi-period and longterm average models. Assuming that the optimal controls derived in Chapter 2 and Chapter 3 are applied throughout a cycle, we treat the cycle length and the capacity as decision variables. We derive conditions that ensure the existence of an optimal pair of cycle length and capacity. Various examples and illustrations are given, and structural properties of the optimal pair are verified.

ECF (Energy-Coupling Factor)-Transporter sind prokaryotische Aufnahmesysteme für Mikronährstoffe, die eine spezielle Gruppe von Transportern mit ATP-Bindekassette (ABC) darstellen. Sie beinhalten zwei asymmetrische Membranproteine, von denen eins (S) für die spezifische Bindung und Translokation des Substrates und das andere (T) für die Kopplung mit den ATPasen (A1,A2) zuständig ist. Bei ECF-Transportern der Subklasse I bilden diese Komponenten eine Einheit, während bei Vertretern der Subklasse II ein AAT-Modul mit wechselnden S-Einheiten interagiert. In der vorliegenden Arbeit wurde der Transportmechanismus, der eine Drehung der kompletten S-Einheit in der Membran beinhaltet, anhand des Biotintransporters BioMNY erstmals experimentell validiert. Durch Rekonstitution in Lipid-Nanodiscs, chemische Quervernetzung, fluoreszenz- und ESR-spektroskopische Techniken sowie einen Bindungstest mit radioaktivem Biotin wurde gezeigt, dass (i) die ATP-Bindung an die ATPasen zu einer Aufrichtung der S-Einheit (BioY) führt, (ii) diese Bewegung die Substratbeladung ermöglicht und (iii) BioY dabei ununterbrochen mit der T-Einheit (BioN) interagiert. Dies stellt einen Gegensatz zu Systemen der Subklasse II dar, für die ein ATP-abhängiger Austausch von S-Einheiten im Transportzyklus gezeigt worden war. Darüber hinaus wurde ein Escherichia coli-Stamm konstruiert, der durch Blockierung seines hochaffinen Biotintransporters und des -synthesewegs auf Spuren von Biotin nicht wachsen kann. Dieser Stamm ermöglichte einen eindeutigen Nachweis der Transportaktivität einiger solitärer BioY-Proteine. Aufgrund der einheitlichen Topologie von S-Einheiten ist ein Kippen auch für solitäre BioY-Varianten wahrscheinlich. Auch die metallspezifischen S-Einheiten CbiM und NikM besitzen ohne AAT-Modul eine basale Co2+- bzw. Ni2+-Transportaktivität. Ein ESR-spektroskopischer Kobaltnachweises zeigte, dass die aus nur zwei Membranhelices bestehende CbiN-Einheit für die Metallbeladung von CbiM essentiell ist. / ECF (Energy-Coupling Factor) transporters are a subgroup of ABC transporters that mediate uptake of micronutrients into prokaryotic cells. In contrast to canonical ABC importers, ECF transporters comprise two unrelated membrane proteins, one of which is responsible for specific and high affinity substrate binding (S) and the other one constitutes the coupling component (T) between S and the cytosolic ABC-ATPases (A1,A2). Subclass I transporters consist of four dedicated components whereas in subclass II transporters, a central AAT-module may interact with various S units. The biotin specific subclass I ECF transporter BioMNY was used to experimentally verify the hitherto hypothetic transport mechanism, which involves a rotation of the S unit within the membrane. With a series of experiments including reconstitution of BioMNY into lipid nanodiscs, site-specific cross-linking, a substrate binding assay with radioactive biotin and both fluorescence and EPR spectroscopic techniques, the ATP-dependent rotation of BioY (S) as a prerequisite for substrate binding and release was shown for the first time for an ECF transporter. Unlike subclass II transporters, for which an ATP-dependent release of the S unit was proposed, BioY interacts continuously with BioN (T) during the transport cycle. In a second focus of the work, an Escherichia coli reporter strain for biotin transporters was constructed. Due to inactivation of both biotin synthesis and the intrinsic high affinity biotin transporter, this strain was not capable of growing on trace amounts of biotin. With the use of this strain, transport activity of recombinantly produced solitary BioY proteins that naturally lack other ECF components was evidenced. Transport activity in the absence of AAT modules is also a feature of the Co2+ and Ni2+ specific S components CbiM and NikM. An EPR spectroscopic Co2+ detection assay helped underscoring the essential role of the small membrane protein CbiN for Co2+ loading of CbiM.