Mikrogliazellen stellen die professionellen Phagozyten des zentralen Nervensystems dar und sind maßgeblich bei der Entfernung apoptotischer Neurone aus dem Gewebe beteiligt. Die Erkennungsmechanismen, die zu einer Erkennung und Phagozytose apoptotischer Neurone durch Mikrogliazellen führen, sind bisher unbekannt. In dieser Arbeit wurde mit Hilfe eines Kokulturmodells die Erkennungsmechanismen zwischen primären Mikrogliazellen und apoptotischen Kleinhirnneuronen untersucht. Der apoptotische Zelltod, charakterisiert durch Schrumpfung und Fragmentation der Neuron, durch Kondensation des Chromatins, durch Fragmentation der DNA und durch Präsentation von Phosphatidylserin auf der extrazellulären Seite der Plasmamembran, wurde in den Kleinhirnneuronen durch eine Behandlung mit 100 µM S-Nitrosocystein induziert. Es konnte gezeigt werden, daß apoptotische Neurone keine löslichen Substanzen sekretierten, die chemotaktisch auf Mikrogliazellen wirken. Dies zeigt, daß die Erkennung apoptotischer Neurone über Zell-Zell-Kontakte erfolgt. Zur Untersuchung der beteiligten Erkennungsmechanismen wurden Mikrogliazellen zwei Stunden nach der Induktion des apoptotischen Zelltods zu den Neuronen gegeben und für sechs Stunden in Gegenwart oder Abwesenheit von Liganden kultiviert, die mögliche Rezeptoren zur Erkennung von apoptotischen Neuronen inhibieren. Die Bindung/Phagozytose der apoptotischen Kleinhirnneurone durch Mikrogliazellen wurde mit einer kombinierten DAPI/Propidiumjodid (für apoptotische/nekrotische Zellen) und einer Lektin Färbung (für Mikrogliazellen) durch Auszählung bestimmt. Die Aufnahme apoptotischer Neurone durch Mikrogliazellen wurde durch Galaktose und N-Acetylglukosamin reduziert, was auf eine Erkennung apoptotischer Zellen durch Lektine hindeutet. Weiterhin weist der inhibitorische Effekt von RGDS-Peptiden auf die Bindung/Phagozytose von apoptotischen Neuronen durch Mikrogliazellen auf eine Erkennung durch ein Vitronektinrezeptor hin. Da Mikrogliazellen spezifisch Lipidvesikel, die mit Phosphatidylserin angereichert waren, binden und O-Phospho-L-Serin die Aufnahme von apoptotischen Neuronen durch Mikrogliazellen deutlich inhibierte, erfolgte die Erkennung apoptotischer Neurone hauptsächlich durch einen Phosphatidylserin Rezeptor. Die Expression des PS-Rezeptors auf Mikrogliazellen ist unabhängig vom Aktivierungszustand der Mikrogliazellen in vitro. Die Bindung von PS ist mit einem Anstieg der intrazellulären Kalziumkonzentration in der Mikrogliazelle verbunden und führt nicht zu einer sekretorischen Aktivierung der Mikrogliazelle. Da Astrozyten ebenfalls einen PS-Rezeptor exprimieren, könnten sie als semiprofessionelle Phagozyten ebenfalls eine Bedeutung bei der Aufnahme apoptotischer Neurone einnehmen. Diese Ergebnisse zeigen, daß apoptotische Neurone ein komplexes Oberflächenmuster exprimieren, welches durch unterschiedliche Rezeptorsysteme der Mikrogliazelle erkannt werden kann. Die Erkennung von PS auf apoptotischen Neuronen durch Mikroglia scheint bei diesen untersuchten Rezeptorsystemen die wichtigste Rolle zu spielen. / Microglia are the professional phagocytes of the central nervous system and play a crucial role in removal of apoptotic neurons out offrom the tissue. The recognition mechanisms leading to the recognition and phagocytosis of these apoptotic neurons by microglia are not yet characterized. Here IIn the present work established a co-culture model was established to examine the receptor systems involved in the recognition of apoptotic cerebellar neurons by primary microglia. Treatment with 100 µM S-nitrosocysteine induced apoptosis of cerebellar neurons as indicated by condensation and fragmentation of the neurons, condensation of the chromatin, fragmentation of the DNA and phosphatidylserine exposure to the exoplasmic leaflet of the plasma membrane. It was shown that apoptotic neurons do not release soluble signals that serve to attract microglia. Consequently, contact-dependent interaction between the microglial cell and the apoptotic neuron is required for recognition. For the examination of the receptor systems involved in recognition, microglial cells were added to neurons 2 h after induction of apoptosis induction and co-cultured for 6 h in the presence of ligands that inhibit recognition by binding to their respective receptors. Binding/phagocytosis was determined after combined DAPI/propidium iodide (for apoptotic/necrotic neurons) and lectin staining (for microglia). Uptake of neurons was reduced by galactose or N-acetylglucosamine, suggesting that recognition involves lectins. Furthermore, the inhibition of microglial binding/uptake of apoptotic neurons by RGDS peptide suggesteds a rolethe involvement of a microglial vitronectin receptor. The selective Binding of phosphatidylserine-enriched lipid vesicles on microglial cells and the strong interference of O-phospho-L-serine with the uptake of apoptotic neurons was indicative of an important role for the phosphatidylserine receptor (PS-receptor)As microglia selectively bind lipid vesicles enriches in phosphatidylserine and O-phospho-L-serine interfered in a strong way with the uptake of apoptotic neurons, the recognition of apoptotic neurons is manly dependent on a phosphatidylserine receptor. The expression of the PS-receptor is independent of the activation state of the microglial cell in vitro. The bindigbinding of PS induces an elevation of the intracellular calcium concentration in the microglia but doesid not induce an activationsectretion of (Liste der getesteten Zytokine einsetzen) of the microglial cell in an secretory way. Because of the expression of a PS-receptor, Astrocytes could also play a role in the uptake of apoptotic neurons as semiprofessional phagocytes. In summaryCollectively, these results suggest that apoptotic neurons generate a complex surface signal recognized by different receptor systems on microglia. The recognition of PS on the surface of apoptotic neurons by microglial cells seems to play a major role in the recognition of these apoptotic neuronscells..

Der pRB/E2F-Signalweg ist ein zentraler Regulator der Proliferationskontrolle in Säugerzellen, der in fast allen auftretenden Tumoren dereguliert ist. Durch unterschiedliche Mutationen in Komponenten dieses Signalwegs kommt es letzten Endes zu einer erhöhten Aktivität der E2F-Transkriptionsfaktoren und somit zu einer verstärkten Transkription von E2F-Zielgenen in diesen Tumoren. Um die molekularen Mechanismen der Rolle von E2F3 in der Zellzykluskontrolle und der Tumorigenese besser zu verstehen, wurden in dieser Arbeit per GST-Pulldown mit anschließender Massenspektrometrie neue potenzielle Interaktions-partner von E2F3 identifiziert. Ein identifizierter Interaktionspartner war die SNF2-ähnliche Helikase HELLS. HELLS interagiert in vitro und in vivo spezifisch mit der Marked Box-Domäne von E2F3, aber nicht mit anderen untersuchten E2F-Transkriptionsfaktoren, wie durch GST-Interaktionsstudien und Ko-Immunpräzipi-tationsexperimente demonstriert werden konnte. Durch Chromatin-Immunpräzipitation konnte zusätzlich gezeigt werden, dass E2F3 für die Rekrutierung von HELLS an E2F-regulierte Promotoren wie z. B. CDC6 oder p107 verantwortlich ist. Die shRNA-vermittelte Depletion von HELLS führte zu einer stark verminderten Induktion von allen untersuchten E2F-Zielgenen nach Serumstimulation und einem verspäteten Eintritt in die S-Phase der HELLS-depletierten Zellen, was zeigt, dass HELLS essenziell für die Induktion von E2F-Zielgenen ist. Bei der immunhistochemischen Untersuchung der E2F3- und HELLS-Expression in humanen Prostatakarzinomen zeigte sich, dass sowohl E2F3 als auch HELLS in späten aggressiven Stadien dieser Tumore sehr stark exprimiert sind, jedoch nur sehr schwach in den weniger aggressiven Tumoren. Diese Versuche zeigen, dass es sich bei HELLS um einen neuen Bestandteil des pRB/E2F-Signalwegs handelt, der eventuell in der Entstehung gewisser Tumorarten eine Rolle spielt und somit ein neues potenzielles Ziel für neuartige Krebstherapien darstellt. / The pRB/E2F pathway is a key regulator of proliferation in mammalian cells and is commonly mutated in human tumors. These mutations in the components of the pRB/E2F pathway lead to deregulated activity of the E2F transcription factors resulting in increased expression of E2F target genes. To further understand the molecular mechanisms of E2F3 in cell cycle control and its role in tumorigenesis new interaction partners for E2F3 were identified in the course of this thesis with the help of a GST-Pulldown approach coupled to mass spectrometric analysis. One of the identified interaction partners was the SNF2-like helicase HELLS. With the help of GST-interaction studies and Co-Immunoprecipitation assays it could be demonstrated that HELLS interacts specifically with E2F3 via its Marked Box domain but does not bind to the other investigated E2F transcription factors. HELLS could be detected at E2F target genes like p107 and CDC6 in vivo with the help of Chromatin-Immunoprecipitation assays. Furthermore, the forced recruitment of E2F3 to E2F target genes led to an enhanced binding of HELLS to these promotors suggesting that HELLS is recruited to E2F target genes via protein-protein interaction with E2F3. The shRNA-mediated depletion of HELLS led to a strongly reduced induction of E2F target genes and a delay in S-phase entry, showing that HELLS is essential for the induction of E2F target genes. During the immunohistochemical analysis of human prostate cancer specimens it became evident that both E2F3 and HELLS are strongly expressed in the more aggressive late stages but only weakly expressed in the early stages of this tumor type. These findings demonstrate that HELLS is a new component of the E2F/pRB pathway which might play a role in the development of certain tumors and might represent a new target for novel cancer therapies.

Die Zellreplikation ein kontrollierter Prozess aus sequentieller und zeitlich koordinierter Aktivierung und Abbau von Zyklinen, die einen schnellen Übergang zwischen den Zyklusphasen ermöglichen. Dabei ist der Erfolg bei der Ermittlung der wichtigsten Komponenten und Aufgliederung der Schaltmechanismen im Wesentlichen auf die gleichzeitige Anwendung von Modellsystemen wie Hefe, Frosch und Fliege zurückzuführen. Das heutige Verständnis des Zellzyklus muss erweitert werden, um zu überprüfen ob die Erkenntnisse auch auf in-vivo Modelle von Säugetieren wie der Maus zutreffen. Es existieren solche Modelle, die sich auf spezifische Kontrollpunkte oder Übergänge konzentrieren, allerdings noch kein integriertes Modell, in dem der Zellzyklus durch eine Verletzung im Säugetier induziert wird. Das Modellsystem der Leberregeneration bei Nagern wurde gewählt, da es sich durch das am höchsten verbreitete Phänomen der Synchronisation der Zellproliferation auszeichnet. Mit dem Fokus auf die Frage, wie die Zellen durch pro-inflammatorische Signale nach Verletzungen ins Priming in der G1/S Phase eintreten, gingen wir in einen durch Zytokine und Wachstumsfaktoren induzierten Säugetier-Zellzyklus über. Weiterhin wurden mitotische Ereignisse modelliert, die zum Alles-oder-Nichts G2/M Übergang und dem mitotischen Ausgang führen. Wir konzentrieren uns auf die vielversprechende Funktion von Cdh1 in der Zellzykluskontrolle, welches bekanntlich eine Schlüsselrolle in der G1 Phase spielt. Weiterhin haben wir dessen Rolle bei der Verzögerung der G2 Phase untersucht. Wir vermuten eine zentrale Rolle von Cdh1 im Zellzyklus durch die Kontrolle der Dynamik der Zykline. Das Modell ist ein Versuch, die Kernmechanismen der Zellzykluskontrolle bei Säugetieren zu verstehen. Besseres Verständnis der Mechanismen in der Säugetierzelle würde das Studium der Zellphysiologie im Hinblick auf Störungen der humanen Zellzyklusmaschinerie, welche zu Krankheiten wie Krebs führen. / Cell replication is a controlled process with sequential and timely activation and degradation of cyclins leading to swift transitions between the phases of the cell cycle. The essential achievement in identifying the key components and in dissecting the mechanisms of the cell cycle circuitry has been attributed to the simultaneous use of model systems like yeast, frogs, and flies. Present understanding of the cell cycle needs to be extended to investigate whether those findings also apply to mammalian in-vivo models like mice. We chose liver regeneration in mammals as the model system because it is the most synchronised cell proliferation phenomenon, where 95\% of the cells simultaneously enter cell cycle. The G1-S phase transition was modelled, focusing on how injury induced pro-inflammatory signals \textit{prime} the cells in G1 phase and consequently both cytokine and growth factor induced pathways lead to further cell cycle progression. The model was further extended to mitotic events leading to the all-or-none G2-M transition and mitotic exit. I focussed on the emerging role of Cdh1 in the mammalian cell cycle. Cdh1 known for its role in G1 phase was further investigated for its role G2 delay. Cdh1 was suggested to be at the core of the cell cycle machinery controlling cyclin dynamics. This model is an attempt in understanding core machinery of the mammalian cell cycle. Better understanding of the cell cycle control system in mammalian cells would enable understanding perturbations of the human cell cycle machinery which lead to diseases like cancers.

Um die Rolle von Bx42 in der Regulation des Zellzyklus von Drosophila zu verstehen, habe ich die Auswirkungen der Expression von dominant negativen Bx42 Allel in Drosophila Augenimaginalscheiben untersucht, sowie die Auswirkungen der Bx42 Protein Abbau in Drosophila S2-Zellen mit Hilfe der RNA-Interferenz-Methode. In meiner Studie fand ich, dass die Expression von Bx42-SNW, einer abgeschnittenen dominant negative Version von Bx42, in den Augenimaginalscheiben zu kleinen und groben Augen führte. Analyse des Zellzyklus in den betroffenen Scheiben zeigte keine signifikanten Unterschiede in der Anzahl der S-Phase-Zellen, aber eine starke Reduktion der mitotischen Zellen und die Herunterregulation von Cyc A und B Cyc in dem normalen mitotischen aktiven SMW Bereich des Augenimaginalscheibes. Ziel dieser Studie war auch Faktoren zu finden, die den kleinen Augenphänotyp von Überexpression der negativen Form Bx42-SNW modifizieren können. Die definierten Modifikatoren waren E2F / Dp, Rb, Tribbles, Cdk1, Cyclin B3, EGFR, Dpp und Armadillo. Um weitere Einblicke in der Rolle des Bx42 in Proliferation, dsRNA-vermittelte Knockdown der Expression von Bx42 in S2-Zellen verwendet wurde. Zellen, die mit dsRNA behandelt wurden, zeigten eine signifikante Abnahme der Proliferationsraten im Vergleich zu kontrol dsRNA-OFP-Zellen. Zellzyklusanalyse zeigte, dass die Herunterregulation von Bx42 Zellpopulationen in der G1 und G2 Phasen verringerte, gleichzeitig S-Phasen-Zellen durch Zyklusarrest vermehrete, was führte zu einem Zustand, die Zellen unfähig die zellteilung zu vervollständigen. Semi q-RT-PCR ergab, dass die Herunterregulation von Bx42 die Transkription von E2F, Dap, Cyc A und Cyc B beeinflusst. Eine Reduktion von Cyc A und Cyc B auf Proteinebene wurde auch nachgewiesen. / In order to understand the role of Bx42 in cell cycle regulation of Drosophila, I have investigated the effects of the expression of dominant negative Bx42 allele in Drosophila eye imaginal discs, as well as the effects of depleting the Bx42 protein in Drosophila S2 cells by RNAi. In my study, I found that the expression of Bx42-SNW, a truncated dominant negative version of Bx42, in eye imaginal discs resulted in small and rough eyes. Analyzing the cell cycle in the affected discs showed no significant differences in the number of S-phase cells, but a strong reduction of mitotic cells and the downregulation of Cyc A and Cyc B in the normally mitotic active SMW region of the eye disc. This study aimed also at finding factors that modify the small eye phenotype resulting from overexpression of Bx42-SNW in the eye. The defined modifiers were E2F/Dp, Rb, Tribbles, Cdk1, Cyclin B3, EGFR, Dpp and Armadillo. To gain further insight into the role of Bx42 in proliferation, dsRNA-mediated knockdown the expression of Bx42 was employed in S2 cells. Cells treated with dsRNA exhibited a significant decrease in proliferation rates compared to control dsRNA-OFP cells. Cell cycle analysis demonstrated that down-regulation of Bx42 decreased cell populations in the G1& G2 phases simultaneously augmenting S-phase cells by cycle arrest, leading to a state unable to complete cell division. Semi q-RT PCR, revealed that downregulation of Bx42 affects the transcription of E2F, Dap, Cyc A and Cyc B. A reduction of Cyc A and Cyc B was also demonstrated at the protein level.

Die zelluläre Antwort auf einen spezifischen Stimulus wird nicht nur durch den Stimulus selbst, sondern auch von dem Zustand der Zelle bestimmt. Um ein tieferes Verständnis für die Variabilität in einer Zellpopulation zu gewinnen, ist es notwendig, die verschiedenen zellulären Antworten mit definierten zellulären Zuständen zu verbinden. In dieser Arbeit wurde ein System etabliert, welches es ermöglicht, die zelluläre Antwort auf DNA-Schäden und den Einfluss unterschiedlicher zellulärer Zustände zu studieren sowie die zu Grunde liegenden molekularen Mechanismen zu identifizieren. Im Zuge dessen wurde eine auf CRISPR/Cas9 basierende Methode entwickelt, mit der Fluoreszenzreporter für endogene Signalproteine in nicht transformierten Brustepithelzellen (MCF10A) generiert wurden. Anhand dieses Reportersystems konnte durch time-lapse Mikroskopie die Dynamik des Tumorsuppressors p53 und eines seiner Zielgene, des Zellzyklusinhibitors p21, verfolgt werden. Dabei wurde deutlich, dass die p21 Antwort der einzelnen Zellen auf DNA-Schäden sehr heterogen ausfällt. Über eine Form-basierte Gruppierungsmethode wurden vier verschiedene Subpopulationen mit charakteristischen p21 Dynamiken identifiziert. Um den Einfluss der Zellzyklusphase zu untersuchen, wurde die Zellteilung vor Bestrahlung analysiert und so Rückschlüsse auf die initiale Zellzyklusphase gezogen. 24h nach Bestrahlung wurde ein EdU labeling durchgeführt und der Zellzyklus mittels semi-supervised Klassifizierung bestimmt. Durch Einführen einer Mutation in der Bindedomäne von p21 wurde gezeigt, dass proliferating cellular nuclear antigen (PCNA) für die Heterogenität der p21 Antwort verantwortlich ist. Alles in allem bietet mein Projekt eine Pipeline, um auf Einzelzellebene zu erforschen, wie zelluläre Antworten durch den Zellzyklus beeinflusst werden. Dieser Ansatz könnte zukünftig Anwendung in der Erforschung von Medikamentenresistenz finden, zumal zelluläre Heterogenität in der Tumortherapie zu fractional killing führt. / The cellular response to a given stimulus is not only governed by the stimulus itself, but also depends on the state of the cells. However, it remains obscure how cellular states influence cell fate decisions. In this thesis, I established a framework to study how the cellular response to DNA damage is affected by varying cell states and to identify the underlying molecular mechanisms. To this end, I generated fluorescent reporters using CRISPR/Cas9 in non-transformed breast epithelial cells (MCF10A) and measured the dynamics of the tumor suppressor p53 and one of its target genes, the cell cycle inhibitor p21 using time-lapse microscopy. I found DNA damage induced highly diverse p21 dynamics in individual cells. A shape-based clustering identified four subpopulations of characteristic p21 dynamics. To examine the source of variability, I analyzed initial cell cycle states by monitoring cell division prior to damage, and determined final cellular state by EdU labelling and a semi-supervised classification 24h post damage. The results suggested that p21 dynamics depend on cell cycle phases and determine cell cycle progression. Furthermore, proliferating cellular nuclear antigen (PCNA)--a cell cycle dependent factor-- was shown to determine p21 heterogeneity using a mutant p21 deficient in interaction with PCNA. Overall, my project provides a pipeline to study at the single cell level how cellular response is affected by cellular states. Considering that cellular heterogeneity leads to fractional killing in tumor therapies, this approach also suggests future application on studying drug-resistance in cancer therapy.

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.

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.

Der transformierende Wachstumsfaktor-β (TGFβ) übt verschiedene Wirkungen auf die Regulierung zahlreicher biologischer Prozesse aus. Insbesondere die zytostatische Wirkung von TGFβ ist wichtig, um die Homöostase in Geweben aufrechtzuerhalten und proliferative Störungen, wie in Krebs, zu verhindern. Frühere Studien zur Regulation des Zellzyklus mit TGFβ wurden auf Populationsebene, oft durch physikalische oder chemische Synchronisation durchgeführt. Dabei wird die Heterogenität auf zellulärer Ebene vernachlässigt und die Anfälligkeit gegen potenzielle Artefakte erhöht. Um zu verstehen, wie einzelne Zellen TGFβ-Signale entschlüsseln und diese in die Entscheidung zur Zellproliferation integrieren, wurden sowohl die Dynamik der TGFβ-Signale als auch die Zellzyklusprogression in asynchronen Zellen durch „Live Cell Imaging“ quantifiziert. In Kombination von experimentellen und theoretischen Studien wurde gezeigt, dass TGFβ einen „Alles-oder-Nichts-G1- Stillstand“ auslöst, der sowohl dosisabhängig als auch phasenabhängig ist. Wenn die Zellen während der S / G2 / M-Phase TGFβ ausgesetzt werden, erfahren sie in der darauf folgenden G1-Phase einen ererbten, verzögerten Stillstand. Zusätzlich sind die Zellen nach einem TGFβ-Stimulationsimpuls für weitere TGFβ-Behandlungen unempfindlich. In Anbetracht der Bedeutung von Einzelzellinformationen und den Herausforderungen bei der automatischen Zellverfolgung wurde ein Rahmenkonzept von „Population to Single Cell“ (P2S-Framework) erarbeitet, um von der Populationsdynamik auf die Abstammung einzelner Zellen zu schließen. Zusammengefasst bietet diese Arbeit neue Einblicke in Strategien zur Kontrolle der Zellproliferation durch Manipulation der TGFβ-Signalgebung. / The transforming growth factor-β (TGFβ) exerts diverse effects on regulating numerous biological processes. Especially, the cytostatic effect of TGFβ is important for maintaining tissue homeostasis and preventing proliferative disorders, like cancer. Previous studies on the regulation of cell cycle by TGFβ were conducted at the population level, and often through physical or chemical synchronization, which neglected cellular heterogeneity and might introduce artifacts. To understand how individual cells decode and integrate TGFβ signals into cell proliferation decisions, we quantitatively characterized both TGFβ signaling dynamics and cell cycle progression in asynchronous cells by live cell imaging. Combining experimental and theoretical studies, we demonstrated that TGFβ triggers all-or-none G1 arrest, which is both dose-dependent and phase- dependent. When exposed to TGFβ during S/G2/M phase, cells undergo an inherited, delayed arrest at the next G1 phase. In addition, after one pulse of TGFβ stimulation, cells are refractory to further TGFβ treatments. Considering the importance of single cell information and challenges in automatic cell tracking, we proposed a Population to Single cell framework (P2S framework) to infer single- cell lineages from population dynamics. Taken together, this work provides new insight into strategies to control cell proliferation by manipulating TGFβ signaling.

Die Menge an RNA in Eukaryonten wird durch ihre kinetischen Transkriptions-, Verarbeitungs- und Abbauraten bestimmt. Diese kinetischen Raten wurden bereits ausführlich in Zellpopulationen untersucht, allerdings unter der Annahme, dass diese in verschiedenen Zelltypen identisch sind. Die Genexpression ist jedoch während biologischer Prozesse wie z.B der Zellproliferation, Zelldifferenzierung und Zellteilung hochdynamisch. Die Untersuchung der RNA- Kinetikraten in Einzelzellen, die sich in verschiedenen Phasen desselben dynamischen Prozesses befinden, kann uns ein umfangreicheres Bild davon geben, wie RNA-Kinetikraten die Genexpression zeitabhängig koordinieren. In diesem Projekt, Wir haben die Methode der RNA- Stoffwechselmarkierung und der biochemischen Nukleosidkonversion mit der Einzelzell-RNA- Sequenzierung kombiniert. Wir leiteten ein zeitabhängiges kinetisches Geschwindigkeitsmodell ab und schätzten RNA-Transkriptions- und - Abbauraten über den zeitlichen Verlauf des Zellzyklus ab. Dabeiverwendeten wir Näherungen basierend auf der Lösung des resultierenden Differentialgleichungssystems. Wir fanden heraus, dass Transkriptions- und Abbauraten der meisten zyklischen Gene hochdynamisch sind. Unterschiedliche kinetische Regulationsmuster formen spezifische Genexpressionsprofile. Etwa 89 % der 377 von uns analysierten zyklischen Gene werden durch dynamische Transkriptions- und Abbauraten reguliert. Während der dynamischen Transkriptionsrate beobachteten wir auch, dass einige zyklische Gene durch dynamische Zerfallsraten angetrieben wurden. Unsere Studie bekräftigt die Bedeutung der zeitlichen Regulation von der Genexpression durch Produktion und Zerfall. Darüber hinaus hat die von uns entwickelte Methode das Potenzial, an verschiedene biologische Prozesse angepasst zu werden. Unser Ansatz in dieser Studie kann die Untersuchung der zeitlichen Genexpressionsregulation und der RNS- Kinetikraten voranbringen. / RNA abundance in eukaryotes is determined by its kinetic rates of transcription, processing and degradation. Each of the kinetic rates has been extensively studied in bulk cell populations assuming they are equal in different cells. However, gene expression is highly dynamic during biological processes such as cell proliferation, cell differentiation, and cell division. Investigation of RNA kinetic rates in individual cells which are in different phases of the same dynamic process can give us a more comprehensive picture of how RNA kinetic rates coordinate gene expression in a time-dependent manner. In this project, we adapted the RNA metabolic labeling and biochemical nucleoside conversion method to droplet- based single-cell RNA sequencing. We derived a time- dependent kinetic rate model and estimated RNA transcription and degradation rates over the time course of the cell cycle using approximations based on the solution of the resulting system of differential equations. We found that transcription and degradation rates of most cycling genes are highly dynamic. Different kinetic regulation patterns shape specific gene expression profiles. Around 89% of the 377 cycling genes we analyzed are regulated by dynamic transcription and degradation rates. While dynamic transcription rate was prevalent, we also observed some cycling genes were driven by dynamic decay rates. Our study underscores the importance of temporal gene expression regulation by both production and decay. Moreover, the method we developed has the potential to be adapted to different biological processes. We suggest that our approach can advance the study of temporal gene expression regulation and RNA kinetic rates.

Der eukaryotische Zellzyklus ist ein streng regulierter Prozess, für dessen zeitlichen Ablauf unter anderem oszillierende Genexpression notwendig ist. Die Regulation und die zeitliche Koordination des Zellzyklus sind nach wie vor fundamentale Fragen der Zellbiologie. Spezifische Ereignisse, wie DNA Replikation und Zellkernteilung, können vier Zellzyklusphasen zugeordnet werden, welche durch Cyclin-abhängige Kinasen, Cycline und deren Inhibitoren reguliert werden. Während in Saccharomyces cerevisiae Cyclin-abhängige Kinasen (Cdc28, Pho85) über den gesamten Zellzyklus zu Verfügung stehen, werden Cycline und ihre Inhibitoren nur in spezifischen Phasen exprimiert. In S. cerevisiae sind drei wichtige G1-Cycline (Cln1-Cln3) in die oszillierende Genexpression involviert. In dieser Arbeit wurde die zeitaufgelöste, transkriptomweite Genexpression im Wildtyp und in Cyclindeletionsmutanten gemessen. Um die Rolle der G1-Cycline für die Feinabstimmung des Zellzykluses zu verstehen, wurden Gene nach charakteristischen Expressionsprofilen geclustert, Expressionsmaxima detektiert, ein Transkriptionsfaktornetzwerk integriert und Zellzyklusphasendauern bestimmt. Um Unterschiede zwischen der Rolle der Cycline zu verstehen, wurden die Zellen zusätzlich Osmostress ausgesetzt. Des Weiteren wurde mit Hilfe von RNA-Fluorescence In Situ Hybridization (FISH) die Expression zweier Cycline (PCL1 und PCL9), die an Pho85 binden, auf Einzelzellniveau gemessen. Um die Expression in spezifischen Zellzyklusphasen zu quantifizieren, wurden einzelne Zellen mithilfe von Zellzyklusmarkern spezifischen Zellzyklusphasen zugeordnet. Nachdem die Expression unter normalen Wachstumsbedingungen gemessen wurde, wurde zusätzlich Osmostress angewandt. Durch die Kombination einer Einzelzellquantifizierung und einer transkriptomweiten Methode konnten spezifische Aufgaben der Cycline, Cln1, Cln2 und Cln3, erforscht werden. Zusätzlich konnten backup Mechanismen für die Zellzyklusregulation entschlüsselt werden. / The eukaryotic cell cycle is a highly ordered process. For its timing and progression, oscillating gene expression is crucial. The stability of cell cycle regulation and the exact timing is still a fundamental question in cell biology. Specific events, like DNA replication and nuclear division can be assigned to four distinct phases. These events are regulated by cyclin-dependent kinases, cyclins and their inhibitors. In Saccharomyces cerevisiae cyclin-dependent kinases (Cdc28, Pho85) are present throughout the cell cycle, while cyclins and their inhibitors are only expressed and active during specific phases. The G1 cyclins Cln1-3 are essential players to induce oscillating gene expression and are thereby involved in the fine-tuning of the cell cycle. To understand the role of the G1 cyclins for exact cell cycle timing and oscillating gene expression, time-resolved, transcriptome-wide gene expression in wild type and cyclin deletion mutants were measured. Characteristic expression profiles were clustered, precise peak times for each gene were estimated, a transcription factor network was integrated and cell cycle phase durations were defined. To further understand the role and differences of each cyclin osmostress was applied. Furthermore the expression of two cyclins (PCL1 and PCL9) corresponding to the cyclin-dependent kinase Pho85 was measured in single cells. Using RNA-Fluorescence In Situ Hybridization (FISH) and cell cycle progression markers, high and low expression phases and absolute numbers of mRNAs were obtained. Gene expression was quantified under normal and osmostressed growth conditions to understand the necessity of the cyclins for osmostress adaptation in different cell cycle phases. By the combination of a single cell and a transcriptome-wide approach distinct roles of G1 cyclins Cln1, Cln2 and Cln3 were deciphered and an insight in the backup mechanisms during cell cycle progression for normal and osmostressed growth conditions were proposed.