Diese Arbeit basiert auf der grundlegenden Annahme, dass Signaltransduktionsnetzwerke in lebenden Organismen als das Ergebnis eines evolutionären Prozesses betrachtet werden können, der sich durch Mutations- und Selektionsprinzipien auszeichnet. Basierend auf dieser Hypothese werden zwei Ansätze vorgestellt, um Design und Kontrollmechanismen von Netzwerken zu untersuchen. In Kapitel 2 wird ein Modell entwickelt, welches die Struktur analysiert. Ein vereinfachtes Modell wird benutzt, um Systeme, bestehend aus Rezeptoren, Kinasen und Phosphatasen, zu beschreiben. Zwei dynamische Eigenschaften sollten für die Überlebensfähigkeit der Organismen eine wichtige Rolle spielen: (i) Um eine Autoaktivierung zu verhindern, z.B. gegenüber stochastischen Schwankungen von Rezeptorliganden, muss der Signal-Aus Zustand dynamisch stabil sein. (ii) Das Ausgangssignal sollte verstärkt werden. Um Netzwerke zu charakterisieren, die beide Kriterien gleichzeitig erfüllen, wird eine systematische Analyse von kleinen Netzwerken durchgeführt. Die Untersuchungen machen deutlich, dass für solche Netzwerke die folgenden zwei Design-Eigenschaften gelten: (i) Mit steigender Netzwerkgröße verringert sich die Konnektivität, was einer steigenden Spezifität der Kinasen gleichkommt. (ii) Die Anzahl der "Feedback"-Zyklen nimmt mit zunehmender Netzwerkgröße ab, was eine abnehmende Tendenz anzeigt, dass "nachgeschaltete" Kinasen "vorgelagerte" Kinasen aktivieren. Die allgemeine Gültigkeit dieser Eigenschaften wird durch die Untersuchung eines großen Kinase-Netzwerks aus der Datenbank TRANSPATH gestützt, welches hinsichtlich verschiedener Strukturmerkmale weitergehend untersucht. Das Netzwerk-Design unterscheidet sich aussagekräftig von Zufallsnetzen. In Kapitel 3 werden Kontrollmechanismen unterschiedlicher Signalnetzwerke analysiert, indem die Metabolische Kontroll Theorie auf transiente Aktivierungsprofile angewendet wird, indem Kontrollkoeffizienten für Amplitude, Signaldauer berechnet werden. / This work is based on the hypothesis that signal transduction networks in living cells are the result of an evolutionary development which is governed by mutations and natural selection principles. Based on this working hypothesis, two approaches are presented to investigate design and control mechanisms of signal transduction networks. In the first approach, covered in chapter 2, a model is developed to analyse the structural design of signaling networks. A simplified model is used to describe systems consisting of receptors, kinases and phosphatases. Two dynamic features of signaling systems are assumed to be crucial for the organism''s surviving capacity: (i) To avoid autoactivation, e.g. due to stochastic fluctuations of receptor ligand, the signal off-state must be dynamically stable. (ii) The signal output should be amplified. To characterise networks fulfilling both criteria simultaneously, a systematic analysis is performed for small networks. The investigations reveal that for such networks the following two design principles hold true: (i) With increasing network size the connectivity decreases connoting an increasing specificity of kinase activities. (ii) The number of feedback cycles decrease with increasing network size indicating a decreasing tendency of downstream kinases to activate upstream kinases. The general validity of these design principles is supported by the analysis of a large kinase network retrieved from the TRANSPATH database. This signaling network is further investigated regarding several design properties. When comparing the design and dynamic features of the TRANSPATH network to random networks, significant differences are observed. In the second approach, described in chapter 3, control mechanisms of different signaling networks are analysed by applying Metabolic Control Analysis to transient activation profiles. Control coefficients on the signal amplitude, signal duration and integrated response are calculated.

Genetisch kodierte Photorezeptoren in Modellorganismen begründen die Optogenetik. Sie ermöglicht die nicht-invasive, reversible und räumlich-zeitlich präzise Perturbation von zellulären und physiologischen Signalprozessen durch Licht. Natürliche photoaktivierte Adenylylzyklasen (PACs) steigern die intrazelluläre Konzentration des Botenstoffs zyklischen Adenosinmonophosphats (cAMP) durch Blaulicht. Damit erlauben sie die optogenetische Analyse von cAMP-abhängigen Signalwegen. Diese Arbeit komplementiert PACs durch die synthetische rotlichtaktivierte Phosphodiesterase LAPD zur Degradation von cAMP und zyklischem Guanosinmonophosphat (cGMP). LAPD ist eine Chimäre aus dem photosensorischen Modul von Deinococcus radiodurans Bakteriophytochrom (DrBPhy) und der Effektordomäne der cAMP/cGMP-spezifischen H. sapiens Phosphodiesterase 2A (HsPDE2A). Die Fusionsstelle wurde von den helikalen Linkern zwischen Sensor- und Effektormodulen durch strukturelle Überlagerung abgeleitet. LAPD inkorporierte den Chromophor Biliverdin (BV) nach Expression in E. coli und Reinigung vollständig und entsprach spektral und photochemisch dem Wildtyp-DrBPhy. Durch Bestrahlung mit Rot- und Fernrotlicht (R bzw. FR) wurde LAPD in die metastabilen photochemischen Zustände Pfr (fernrot) bzw. Pr (rot) umgewandelt. Vollständig aktivierte LAPD katalysierte die Hydrolyse von cGMP und cAMP in derselben Größenordnung wie Wildtyp-HsPDE2A. LAPD degradierte cGMP und cAMP bei 6- bzw. 4-facher Steigerung von vmax unter R im Vergleich zu dunkeladaptiertem Enzym. Die Aktivität von R-adaptierter LAPD wurde durch FR reduziert. Die enzymatische Aktivität und Lichtregulation von LAPD-Linkervarianten waren abhängig von der Linkerlänge. LAPD degradierte lichtabhängig cGMP in einer PDE-Reporterzelle. Dabei genügte die endogene BV-Konzentration der Säugerzelle zur Sättigung des Lichteffekts. / Genetically encoded photoreceptors in model organisms establish optogenetics. It enables non-invasive, reversible, and spatio-temporally precise perturbation of cellular and physiological signalling by light. Natural photoactivated adenylate cyclases (PACs) increase the intracellular concentration of the second messenger cyclic adenosine monophosphate (cAMP) under blue light. Hence, PACs allow the optogenetic analysis of cAMP-dependent signalling. This work complements PACs with the synthetic red-light-activated phosphodiesterase LAPD for degradation of cAMP and cyclic guanosine monophosphate (cGMP). LAPD is a chimera made up of the photosensory module of Deinococcus radiodurans bacteriophytochrome (DrBPhy) and the effector domain of cAMP/cGMP-specific H. sapiens Phosphodiesterase 2A (HsPDE2A). The fusion site was derived from the helical linkers between sensor and effector modules via structural superposition. LAPD incorporated the chromophor biliverdin (BV) after expression in E. coli and purification quantitatively, and spectrally and photochemically resembled the wildtype DrBPhy. Upon irradiation with red and far-red light (R and FR, resp.), LAPD was converted to the metastable photochemical states Pfr (far-red) and Pr (red), respectively. Fully activated LAPD catalized the hydrolysis of cGMP and cAMP with rates similar to wildtype HsPDE2A. LAPD degraded cGMP and cAMP with 6- and 4-fold increase of vmax under R, respectively, as compared to the dark state. The activity of R-adapted LAPD was reduced upon irradiation with FR. Enzymatic activity and light regulation of LAPD linker variants depended on the linker length. LAPD light-dependently degraded cGMP in a PDE reporter cell line. Endogenous BV concentrations were sufficient to saturate the light effect in the mammalian cell, which enables a true optogenetic approach.

Unbegrentzte Selbsterneuerungkapazität und Pluripotenz sind charakteristische Merkmale von embryonalen Stammzellen (ES-Zellen). Dennoch sind die molekularen und zellulären Mechanismen, die für das Schicksal der ES-Zellen zuständig sind, noch nicht genau definiert. Um regulierende Faktoren des undifferenzierten Zustands von ES-Zellen zu identifizieren, wurden undifferenzierte ES Zellen, "Embryoid Bodies", spontan differenzierte und mit Retinsäure differenzierte ES Zellen mittels Microarray-Analysen verglichen. Neben bereits etablierten Pluripotenz-Markern, wurde Sprouty4 als eines der am stärksten degerulierten Transkripte unter diesen Bedingungen identifiziert. Sprouty4 ist als Inhibitor des ERK (Extracellular signal-regulated protein kinase)-Signalweges bekannt, aber seine Rolle in ES-Zellen wurde noch nicht definiert. Mittels Genexpression und Western BlotAnalysen konnte gezeigt werden, dass Sprouty4 in undifferenzierten ES-Zellen stark exprimiert ist und im Verlauf der Differenzierung schnell herunterreguliert wird. In vivo war Sprouty4 auf die innere Zellmasse (ICM) der Mausblastozyste beschränkt. Außerdem wurde gezeigt, dass der Sprouty4 Promotor durch direkte Bindung der PluripotenzMarkern Nanog, Klf4 und Stat3 reguliert wird. ES-Zellen, die Sprouty4 konstitutiv exprimieren, waren resistent gegen Differenzierung durch Zugabe von Retinsäure oder Bildung von Embryoid Bodies. Hingegen führte die Expression einer dominant-negativen Mutante von Sprouty4 zu einer erhörten Sensitivierung von ES-Zellen gegenüber der Differenzierung und zur Bildung extraembryonaler Gewebe begleitet von Endoreduplikation. Zusammenfassend konnten unsere Ergebnisse zeigen, dass die enge Regulation des ERK-Signalweges und warscheinlich anderer Signalwege durch Sprouty4 notwendig ist, um die Balance zwichen Pluripotenz und Differenzierung embryonaler Stammzellen zu kontrollieren. / A hallmark feature of embryonic stem (ES) cells is the ability to self-renew indefinitely while maintaining pluripotency. However, the molecular and cellular mechanisms underlying ES cell fate are poorly understood. To identify signaling pathway molecules that maintain the uncommitted state of ES cells, a microarray analysis was performed comparing undifferentiated ES cells, mature embryoid bodies, spontaneously differentiated and retinoic acid-induced differentiated ES cells. Among several well-validated pluripotency markers, Sprouty4 was identified as one of the most highly deregulated transcripts under these conditions. Sprouty4 is known as an inhibitor of the extracellular signal-regulated protein kinase (ERK/MAPK) pathway however its role in ES cells has not yet been defined. Gene expression and western-blot analyses have shown that Sprouty4 is highly expressed in ES cells and strongly downregulated upon differentiation whilst in vivo, Sprouty4 is confined to the founder population of ES cells, the inner cell mass of mouse blastocysts. Moreover, the Sprouty4 promoter was found to be regulated via the direct binding of the intrinsic pluripotency-associated factors Nanog, Klf4 and Stat3. ES cells engineered to constitutively express a wild-type version of Sprouty4 were found to be resistant to differentiation induced by retinoic acid or embryoid bodies formation. Conversely, expression of a dominant negative Sprouty4 mutant activating the ERK/MAPK pathway in a sustained manner sensitized ES cells to differentiation and triggered endoreduplication leading to the formation of extraembryonic tissue. Taken together, these results highlight the essential role of Sprouty4 in the tight regulation of the ERK/MAPK pathway- and probably others- for the balance between pluripotency and lineage commitment in mouse embryonic stem cells.

Kalzium ist ein wichtiger intrazelluläre Botenstoff, der extrazelluläre Signale in zelluläre Antworten übersetzt. Oft werden externen Signale in wiederholte Anstiege der zytosolischen Kalziumkonzentration übersetzt, die als Oszillationen bezeichnet werden. Diese interdisziplinäre Arbeit kombiniert biologische Experimente, analytische Methoden der theoretischen Physik und Computersimulationen, um den Oszillationsmechanismus zu charakterisieren. Von wesentlicher Bedeutung ist dabei die räumlich inhomogene Verteilung der Kanäle, die Kanalcluster bilden. Dies induziert zusammen mit Pumpen große Konzentrationsgradienten in der Nähe von offenen Clustern, was zu einer hierarchischen Organisation führt. Unter diesem Gesichtspunkt erwartet man, dass Kalziumoszillationen stochastisch sind und auf räumlicher Wechselwirkung beruhen. Diese Hypothese wird im ersten Teil der Arbeit experimentell verifiziert, indem Oszillationen vier verschiedener Zellarten analysiert werden. Der Kalziumsignalweg nutzt thermisches Rauschen konstruktiv um globale Signale zu bilden. Dabei werden molekulare Fluktuationen durch die hierarchische Struktur auf die zelluläre Ebene gehoben. Dies steht im Gegensatz zu der jahrzehntelang weitläufigen Auffassung, dass Kalzium ein repräsentatives Beispiel eines zellulären Oszillators ist. Des weiteren macht dieses Ergebnis Kalzium zu einem ersten natürlichen Beispiel für "array enhanced coherent resonance". Im Modellierungsteil dieser Arbeit wird ein physiologisches Modell für die intrazelluläre Kalziumdynamik entwickelt, das die dreidimensionale Struktur von Zellen berücksichtigt. Es verwendet ein detailliertes Kanalmodell und berücksichtigt sowohl Diffusion als auch Reaktionen mit Puffern. Der entwickelte parallele Green''s cell Algorithmus generiert in Abhängigkeit von physiologischen Parametern das gesamte Spektrum der experimentell bekannten Kalziumsignale und spiegelt die experimentellen Daten des ersten Teils in nahezu perfekter Weise wider. / Calcium is an important second messenger in cells serving as a critical link between extracellular stimuli and their cellular responses. The external signals are translated often into repeated increases of the cytosolic calcium concentration what is referred as oscillations. This work uses an interdisciplinary approach combining experimental techniques from biology, analytical tools from theoretical physics and computer simulations to clarify the question of the oscillation mechanism and how cells can generate globally coordinated calcium signals originated from local stochastic channel dynamics. In this context, the spatial inhomogeneous distribution of channels forming channel clusters plays a key role. Together with calcium pumps and buffers, this induces huge functional concentration gradients close to open clusters, leading to a hierarchical organization of calcium signals. Thus, calcium oscillations are predicted to be stochastic and to have a spatial character. This hypothesis is justified experimentally in the first part of this thesis by analyzing calcium oscillations of four different cell types. Hence, calcium signaling constructively uses thermal noise to build global signals. This contradicts the current opinion of the last decades of calcium being a representative cellular oscillator. Moreover, this makes calcium a first natural example of array enhanced coherent resonance. In the modeling part of this work, a physiological model for intracellular calcium dynamics in three spatial dimensions is developed that takes the spatial arrangement of cells seriously. It uses a detailed channel model for the discrete release sites and takes into account diffusion and buffer interaction of calcium. In dependence on physiologic parameters, the developed parallel Green''s cell algorithm generates in a natural way the whole spectrum of experimentally known calcium signals and fits the experimental data of the first part in an almost perfect manner.

Aufgrund des wachsenden Interesses an der Systembiologie werden zunehmend mathematische Modelle in Kombination mit Experimenten für die Analyse von Stoffwechselnetzwerken, Genregulationsnetzwerken und zellulären Signalweiterleitungswegen verwendet. Diese Dissertationsschrift benutzt die mathematische Modellierung und kinetische Untersuchungsmethoden zum Studium von zelluären Signalwegen, insbesondere des Netzwerkes zur Festlegung der Rezeptorlokalisation und des Tumorwachstumsfaktor-beta-Signalweges. Ergänzend wurde ein Computerwerkzeug (SBML-PET) entwickelt, das die Modellentwicklung unterstützt und der Parameterschätzung dient. Mit diesem Werkzeug kann man Modelle bearbeiten, die in der Systems Biology Markup Language (SBML) formuliert sind. In dieser Arbeit wird ein quantitatives mathematisches Modell benutzt, um die Signalantwort in unterschiedlichen Rezeptorlokalisationsnetzwerken in Abhängigkeit von der Ligandenanzahl und der Zelldichte zu untersuchen. Die rechnergestützte Analyse des Modells hat ergeben, dass der Zustand eines Rezeptorlokalisationsnetzwerkes potenziell eine sigmoide Abhängigkeit von dem Verhältnis zwischen Ligandenanzahl und Oberflächenrezeptoranzahl pro Zelle zeigen. Dieses Verhältnis ist die entscheidende Kontrollgröße der Signalantwort in Rezeptorlokalisationsnetzwerken. Mit Hilfe des SBML-PET Software-Paketes haben wir eine Modellierungsmethode mit Randbedingungen vorgeschlagen, um ein umfangreiches mathematisches Modell für den Smad-abh?ngigen TGF-beta Signalweg zu erstellen und dessen Parameter aus experimentellen Daten unter Berücksichtigung qualitativer Nebenbedingungen zu fitten. Die Ergebnisse der kinetischen Untersuchung dieses Modells legen nahe, dass die Signalantwort auf einen TGF-beta-Reiz durch die Balance zwischen clathrin-abhängier Endozytose und clathrin-unabhängiger Endozytose reguliert wird. / With growing interests in systems biology, mathematical models, paired with experiments, have been widely used for the studies on metabolic networks, gene regulatory networks and cellular signaling pathways. This dissertation employs the mathematical modeling and kinetic analysis method to study cellular signaling pathways, in particular, the receptor trafficking network and TGF-beta signaling pathway. On the other hand, a systems biology markup language (SBML) based parameter estimation tool (SBML-PET), was developed for facilitating the modeling process. A quantitative mathematical model is employed to investigate signal responses in different receptor trafficking networks by simultaneous perturbations of the ligand concentration and cell density. The computational analysis of the model revealed that receptor trafficking networks have potentially sigmoid responses to the ratio between ligand number and surface receptor number per cell, which is a key factor to control the signaling responses in receptor trafficking networks. Using the SBML-PET software package, we proposed a constraint-based modeling method to build a comprehensive mathematical model for the Smad dependent TGF-beta signaling pathway by fitting the experimental data and incorporating the qualitative constraints from the experimental analysis. Kinetic analysis results indicate that the signal response to TGF-beta is regulated by the balance between clathrin dependent endocytosis and non-clathrin mediated endocytosis.

Ca(2+)-Ionen sind ein universeller sekundärer Botenstoff in eukaryotischen Zellen und übertragen Information durch wiederholte, kurzzeitige Erhöhungen der cytosolischen Ca(2+)-Konzentration (Ca(2+) Spikes). Ein bekannter Mechanismus, der solche Ca(2+)-Signale erzeugt, beinhaltet die Freisetzung von Ca(2+)-Ionen aus dem endoplasmatischen Retikulum durch IP3-sensitive Kanäle. Puffs sind elementare Ereignisse der Ca(2+)-Freisetzung durch einzelne Cluster von Ca(2+)-Kanälen. Intrazelluläre Ca(2+)-Dynamik ist ein stochastisches System, allerdings konnte bisher keine vollständige stochastische Theorie entwickelt werden. Die vorliegende Dissertation formuliert die Theorie mit Hilfe von Interpuffintervallen und Pufflängen, da diese Größen im Gegensatz zu den Eigenschaften der Einzelkanäle direkt messbar sind. Die Theorie reproduziert das typische Spektrum bekannter Ca(2+)-Signale. Die Signalform und das durchschnittliche Interspikeinterval (ISI) hängen sensitiv von den genauen Eigenschaften und der räumlichen Anordnung der Cluster ab. Im Gegensatz dazu hängt die Beziehung zwischen Mittelwert und Standardabweichung der ISI weder von den Clustereigenschaften noch von der räumlichen Anordnung ab, sondern wird lediglich von globalen Feedbackprozessen im Ca(2+)-Signalweg reguliert. Diese Beziehung ist essentiell für die Funktion des Signalwegs, da sie trotz der Zufälligkeit der ISI eine Frequenzkodierung ermöglicht und den maximalen Informationsgehalt der Spikesequenzen bestimmt. Neben der theoretischen Analyse enthält die vorliegende Arbeit auch experimentelle Puff- und Spikemessungen an lebenden HEK-Zellen, die wichtige Ergebnisse verifizieren. Insgesamt wird durch die integrierte theoretische und experimentelle Untersuchung auf verschiedenen Stufen molekularer Organisation gezeigt, dass stochastische Ca(2+)-Signale verlässliche Informationsträger sind, und dass der Mechanismus durch globalen Feedback an die spezifischen Anforderungen eines Signalpfads angepasst werden kann. / Ca(2+) is a universal second messenger in eukaryotic cells transmitting information through sequences of concentration spikes. A prominent mechanism to generate these spikes involves Ca(2+) release from the endoplasmic reticulum Ca(2+) store via IP3-sensitive channels. Puffs are elemental events of IP3-induced Ca(2+) release through single clusters of channels. Intracellular Ca(2+) dynamics are a stochastic system, but a complete stochastic theory has not been developed yet. As a new concept, this thesis formulates the theory in terms of interpuff interval and puff duration distributions, since unlike the properties of individual channels, they can be measured in vivo. This leads to a non-Markovian description of system dynamics, for which analytical solutions and efficient stochastic simulation techniques are derived. The theory reproduces the typical spectrum of Ca(2+) signals. Signal form and average interspike interval (ISI) depend sensitively on detailed properties and spatial arrangement of clusters. In difference to that, the relation between the average and the standard deviation of ISIs does not depend on cluster properties and cluster arrangement, and it is robust with respect to cell variability. It can only be regulated by global feedback processes in the Ca(2+) signalling pathway. That relation is essential for pathway function, since it ensures frequency encoding despite the randomness of ISIs and determines the maximal spike train information content. Apart from the theoretical investigation, this thesis verifies key results by live cell imaging of Ca(2+) spikes and puffs in HEK cells. Hence, this work comprises a systems level investigation of Ca(2+) signals, integrating data and theory from different levels of molecular organisation. It demonstrates that stochastic Ca(2+) signals can transmit information reliably, and that the mechanism can be adapted to the specific needs of a pathway by global feedback.

In dieser Arbeit werden zwei intrazelluläre Signalwege, betreffend den Tumorsuppressor p53 und das Signalmolekül Ca2+ , diskutiert und modelliert. Einzelzellmessungen des Tumorsuppressors p53 zeigen pulsatile Antwor- ten nach Zufügung von DNA Doppelstrangbrüchen (DSBs). Außer für sehr hohe Schadensdosen, ist das zeitliche auftreten dieser Pulse unregelmäßig. Mithilfe eines Wavelet basierten Pulsdetektors werden die einzelzell Trajek- torien untersucht und die inter-Puls Intervall (IPI) Verteilungen extrahiert. Diese weisen auf nicht-oszillatorische Regime in den Daten hin. Die Theorie der anregbaren Systeme angewendet auf regulatorische Netzwerke ermöglicht dieses komplexe Verhalten mathematisch zu beschreiben. Die Kopplung von Schadens-Sensor-Kinase Dynamik mit dem kanonischen p53 negativen feedback loop, ergibt ein anregbares p53 Modell. Detaillier- te Bifurkationsanalysen zeigen ein robustes anregbares Regime, welches durch ein starkes Schadenssignal auch in Oszillationen überführt werden kann. Treibt man das p53 Modell mit einem stochastischen DNA-Schadens-Prozess, kann sowohl das oszillatorische Verhalten nach hohem Schaden, als auch das unregelmäßige pulsatile Verhalten ohne äußere Stimulation reproduziert werden. Intrazelluläre Ca 2+ Spikes entstehen durch eine hierarchische Kaskade stochastischer prozesse. Die Anwendung einer semi-markovschen Beschreibung führt zu praktischen analytischen Lösungen des erstpassagezeiten Problems. Eine hierbei entdeckte Zeitskalenseparation ermöglicht ein neues allgemeines Ca2+ -Modell. Dieses erklärt auf äußerst prägnante Weise viele wesentliche experimentelle Ergebnisse, insbesondere die Momentenbeziehungen der inter-Spike Intervall Verteilungen. Schließlich erlaubt die hier vorgestellte Theorie Berechnungen der Stimulus-Enkodierung, also die Adaption des Ca 2+ Signals auf veränderliche extrazelluläre Stimuli. Die Vorhersage einer fold change Enkodierung kann durch Experimente gestützt werden. / In this work two signaling pathways, involving the tumor suppressor p53 and the second messenger Ca2+ , are to be discussed and modelled. The tumor suppressor p53 shows a pulsatile response in single cells after induction of DNA double strand breaks (DSBs). Except for very high amounts of damage, these pulses appear at irregular times. The concept of excitable systems is employed as a convenient way to model such observed dynamics. An application to biomolecular reaction networks shows the need for a positive feedback within the p53 regulatory network. Exploiting the reported ultrasensitive dynamics of the upstream damage sensor kinases, leads to a simplified excitable kinase-phosphatase model. Coupling that to the canonical negative feedback p53 regulatory loop, is the core idea behind the construction of the excitable p53 model. A detailed bifurcation analysis of the model establishes a robust excitable regime, which can be switched to oscillatory dynamics via a strong DNA damage signal. Driving the p53 model with a stochastic DSB process yields pulsatile dynamics which reflect different experimental scenarios. Intracellular Ca 2+ concentration spikes arise from a hierarchic cascade of stochastic events. An analytical solution strategy, employing a semi-Markovian description and involving Laplace transformations, is devised and successfully applied to a specific Ca2+ model. The new gained insights are then used, to construct a new generic Ca2+ model, which elegantly captures many known features of Ca2+ signaling. In particular the experimentally observed relations between the average and the standard deviation of the inter spike intervals (ISIs) can be explained in a concise way. Finally, the theoretical considerations allow to calculate the stimulus encoding relation, which governs the adaption of the Ca 2+ signals to varying extracellular stimuli. This is predicted to be a fold change response and new experimental results display a strong support of this idea.

Sowohl die kotranslationale Translokation von sekretorischen Proteinen durch die Membran als auch die Insertion von Membranproteinen sind essentielle Prozesse in allen lebenden Zellen. Sie erfordern die Sortierung des translatierenden Ribosoms zur Membran mittels des Signalerkenungspartikels (SRP), eines im Verlauf der Evolution konservierten Ribonukleoprotein-Partikels. SRP erkennt die Signalsequenz einer wachsenden Proteinkette, sobald diese aus dem Ribosom hervortritt. Die Bindung von SRP führt zum Anhalten der Peptidelongation (Elongationsarrest) und zum Andocken an den membrangebundenen SRP-Rezeptor (SR). In dieser Arbeit wird die 12 Å Kryo-Elektronenmikroskopie-Struktur eines Sortierungs-Komplexes dargestellt, der aus dem Säugetier-SRP gebunden an ein aktives Ribosom mit Signalsequenz besteht. Ein erstes molekulares Modell von SRP in dieser Konformation wurde erzeugt. Es zeigt wie die S-Domäne von SRP die große ribosomale Untereinheit nahe dem Peptidtunnel-Ausgang kontaktiert, um dort die Signalsequenz zu binden. Außerdem wird deutlich wie die Alu-Domäne von SRP in die Bindungsstelle für Elongationsfaktoren hineinreicht, wodurch die Elongationsarrest-Aktivität der Alu-Domäne erklärt wird. Auf dieser Basis konnte ein erstes Struktur-basiertes Modell der ersten Schritte der kotranslationalen Proteinsortierung entworfen werden. Darüberhinaus wurde auch der Schritt des Andockens an die Membran visualisiert, indem die Struktur des Ribosom-SRP-SR-Komplexes durch Kryo-EM gelöst wurde. Erste Schlüsse hinsichtlich des Mechanismus, der das Ribosom vom SRP zum Translokon transferiert, können hier gezogen werden. Als Nebenergebnis konnte durch die erreichte hohe Auflösung die Position des wichtigen ribosomalen Proteins L30e in der Kryo-EM-Struktur des Weizenkeim-Ribosoms idenifiziert werden. / Cotranslational translocation of proteins across or into membranes is a vital process in all kingdoms of life. It requires targeting of the translating ribosome to the membrane by the signal recognition particle (SRP), an evolutionary conserved ribonucleoprotein particle. SRP recognizes signal sequences of nascent protein chains emerging from the ribosome. Subsequent binding of SRP leads to pausing of peptide elongation and docking to the membrane-bound SRP receptor. Here, the 12 Å cryo-electron microscopy structure of a targeting complex is presented consisting of mammalian SRP bound to an active 80S ribosome carrying a signal sequence. A molecular model of SRP in this functional conformation was generated. The model reveals how the S-domain of SRP contacts the large ribosomal subunit at the nascent chain exit site to bind the signal sequence, and that the Alu-domain reaches into the elongation factor binding site of the ribosome explaining its elongation arrest activity. A molecular model of the first steps of protein targeting is presented. Moreover, also the docking step has been visualized by solving a cryo-EM structure of the ribosome-SRP complex bound to the SRP receptor. This structure provides first hints regarding the mechanism of ribosome transfer to the translocon. As a side result the position of the functionally significant ribosomal protein L30e has been identified in the high resolution maps of the wheat germ ribosome.

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.

Der cGMP-Signalweg ist als einer der Hauptregulatoren von diversen Funktionen in Eukaryoten bekannt; allerdings ist seine Funktionsweise in Protozoen wenig verstanden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Guanylatcyclase, gekoppelt mit N-terminalen P4-ATPase, in intrazellulären Parasiten Toxoplasma gondii gemeldet. Eine in silico-Analyse wies auf eine Aktivierung der Guanylatcyclase durch Heterodimerisierung ihrer Cyclasedomänen hin und ermöglichte wertvolle Einsichten in mögliche Funktionen ihrer ATPase-Domäne. Dieses Protein (477-kDa) bezeichnet als TgATPaseP-GC in dieser Studie, lokalisiert in der Plasmamembran am apikalen Pol des Parasiten. TgATPaseP-GC ist unempfänglich gegenüber genetischer Deletion und seine CRISPR/Cas9 unterstützte Spaltung beendet den lytischen Zyklus von T. gondii vorzeitig. Darüber hinaus reduzierte ein Cre/loxP-vermittelter Knockdown von TgATPaseP-GC die Synthese von cGMP im Tachyzoiten und inhibierte das Parasitenwachstum aufgrund von Beeinträchtigungen Motilitäts-abhängiger Prozesse des Austretens und Eindringens. Trotz seiner zeitlich beschränkten Funktion ist TgATPaseP-GC konstitutiv während des ganzen lytischen Zyklus exprimiert, welches eine post-translationale Regulierung des cGMP-Signalweges bedingt. Nicht zuletzt impliziert das Vorhandensein von TgATPaseP-GC-Orthologen in anderen Alveolata eine divergente Umfunktionierung der cGMP-Signalwege in Protozoen. Darüber hinaus wurde ein optogenetischer Ansatz verwendet, um den cGMP-Weg durch eine photo-aktivierte Rhodopsin-Guanylat-Cyclase (RhoGC) in T. gondii zu exprimiert. Dieses System erlaubte eine kontrollierte Erhöhung von cGMP durch Licht in einer schnellen und reversiblen Weise. Die Anregung von RhoGC stimulierte signifikant die Parasitenmotilität, deren Auswirkung auch mit erhöhten Eindringen und Austreten überwacht wurde; im Gegensatz zum genetischen Knockdown von TgATPaseP-GC. Das System ermöglicht die Vermittler des cGMP-Signalwegs durch Phosphoproteomics zu identifizieren. / cGMP signaling is known as one of the master regulators of diverse functions in eukaryotes; however, its architecture and functioning in protozoans remain poorly understood. In the scope of this thesis, an exclusive guanylate cyclase coupled with N-terminal P4-ATPase was reported in an obligate intracellular parasite Toxoplasma gondii. In silico analysis indicated an activation of the guanylate cyclase by heterodimerization of its two cyclase domains and offered valuable insights into possible functions of its ATPase domain. This bulky protein (477-kDa), termed in this study as TgATPaseP-GC to reflect its envisaged multifunctionality, localizes in the plasma membrane at the apical pole of the parasite. TgATPaseP-GC is refractory to genetic deletion, and its CRISPR/Cas9-assisted disruption aborts the lytic cycle of T. gondii. Besides, Cre/loxP-mediated knockdown of TgATPaseP-GC reduced the synthesis of cGMP in tachyzoites and inhibited the parasite growth due to impairments of motility-dependent egress and invasion events. Notably, despite its temporally restricted function, TgATPaseP-GC is expressed constitutively throughout the lytic cycle, entailing a post-translational regulation of cGMP signaling. Not least, the occurrence of TgATPaseP-GC orthologs in several other alveolates implies a divergent functional repurposing of cGMP signaling in protozoans. Furthermore, an optogenetic approach was utilized to induce cGMP pathway by a photo-activated rhodopsin-guanylate cyclase (RhoGC) in T. gondii. The system enabled a light-control of cGMP elevation on crucial steps of lytic cycle in a fast, spatial and reversible manner. Excitation of RhoGC significantly stimulated the parasite motility of which impact was also monitored with an increased host-cell invasion and egress; as opposed to the genetic knockdown of TgATPaseP-GC. Having an established optogenetic system in the parasite allows to identify downstream targets of cGMP signaling via phosphoproteomic analysis.