An der Interpretation extrazellulärer Signale beteiligte Regulationsnetzwerke sind von zentraler Bedeutung für alle Organismen. Extrazelluläre Signale werden gewöhnlich durch enzymatische Kaskaden innerhalb weniger Minuten in den Zellkern weitergeleitet, wo sie langsame Änderungen der Genexpression bewirken und so das Schicksal der Zelle beeinflussen. Im ersten Teil der Arbeit wird durch mathematische Modellierung untersucht, wie die MAPK Kaskade Signale von der Zellmembran in den Kern weiterleitet. Es wurden Netzwerkeigenschaften herausgearbeitet, die verhindern, dass die MAPK Kaskade fälschlicherweise durch genetische Mutationen aktiviert wird. Desweiteren wurde eine versteckte positive Rückkopplungsschleife identifiziert, welche die Aktivierung der MAPK Kaskade oberhalb eines gewissen Schwellwert-Stimulus verstärkt. Der zweite Teil der Arbeit konzentriert sich darauf, wie Änderungen der Genexpression auf langsamer Zeitskala in das Signalnetzwerk rückkoppeln. Eine systematische Genexpressionsdaten-Analyse ergab, dass transkriptionelle Rückkopplung in Eukaryoten generell über Induktion kurzlebiger Signalinhibitoren geschieht. Dynamische Modellierung und experimentelle Validierung von Modellvorhersagen ergab, dass das Inhibitorprotein SnoN als zentraler negativer Feedback Regulator im TGFbeta Signalweg fungiert. Der dritte Teil der Arbeit untersucht, wie die Genexpressionsmaschinerie intrazelluläre Signale interpretiert (“dekodiert“). Eine experimentelle und theoretische Analyse der cyanobakteriellen Eisenstress-Antwort ergab, dass IsrR, eine kleine regulatorische RNA, die Genexpression auf ausreichend starke und lange Stimulation beschränkt. Des Weiteren wurde ein “Reverse Engineering“-Algorithmus auf Hochdurchsatz-RNAi-Daten angewendet, um die Topologie eines krebsrelevanten Transkriptionsfaktornetzwerks abzuleiten. Zusammenfassend wurde in dieser Dissertation gezeigt, wie mathematische Modellierung die experimentelle Analyse biologischer Systeme unterstützen kann. / Intracellular regulatory networks involved in sensing extracellular cues are crucial to all living organisms. Extracellular signals are rapidly transmitted from the cell membrane to the nucleus by activation of enzymatic cascades which ultimately elicit slow changes in gene expression, and thereby affect the cell fate. In the first part of this thesis, the Ras-MAPK cascade transducing signals from the cell membrane to the nucleus is analyzed using mathematical modeling. Model analysis reveals network properties which prevent the MAPK cascade from being inappropriately activated by mutations. Moreover, the simulations unveil a hidden positive feedback loop which ensures strong amplification of MAPK signalling once extracellular stimulation exceeds a certain threshold. The second part of the thesis focuses on how slow gene expression responses feed back into the upstream signalling network. A systematic analysis of gene expression data gathered in mammalian cells demonstrates that such transcriptional feedback generally involves induction of highly unstable signalling inhibitors, thereby establishing negative feedback regulation. Dynamic data-based modelling identifies the SnoN oncoprotein as the central negative feedback regulator in the TGFbeta signalling pathway, and corresponding model predictions are verified experimentally in SnoN-depleted cells. The third part of the thesis focuses on how intracellular signals are decoded by the downstream gene expression machinery. A combined experimental and theoretical analysis of the cyanobacterial iron stress response reveals that small non-coding RNAs allow cells to selectively respond to sufficiently strong and sustained stimuli. Finally, a reverse engineering approach is applied to derive the topology of a complex mammalian transcription factor network from high-throughput knock-down data. In conclusion, this thesis demonstrates how mathematical modelling can support experimental analysis of biological systems.

Die Notwendigkeit von Bx42 für Drosophila Entwicklung und seine Beteiligung an unterschiedlichen zellulären Prozessen wurde mit Hilfe von RNA Interference (RNAi) demonstriert. Das ubiquitäre Ausschalten oder die Reduktion der Bx42 Expression mittels RNAi führte dabei zu embryonaler Letalität. Weiterhin führte eine gewebespezifische Induktion von Bx42 in Abhängigkeit der verwendeten Treiberlinien bei unterschiedlichen Temperaturen zu mehreren verschiedenen adulten Phänotypen. Diese Phänotypen waren die Grundlage für die Annahme, dass Bx42 eine Rolle in der Regulation mehrerer verschiedener Zellsignalwege spielt. In der Tat interagiert Bx42 mit den Proteinen des Notch-Signalweges Suppressor of hairless [Su(H)] und Notch intracellular domain (N-IC). Zusätzlich werden bei einer Verminderung von Bx42 die Notch Zielgene cut (ct) und enhancer of split m8 [e(Spl)m8] reprimiert (Negeri et al., 2002). In dieser Arbeit wurde die Beteiligung von Bx42 am TGF-ß/Dpp Signalweg untersucht. Es wurde gezeigt, dass Bx42 mit den TGF-ß/Dpp-Signalweg Proteinen Mad und Medea sowohl in vitro als auch in vivo interagiert. Die dabei verwendeten Methoden waren das Hefe-Zwei Hybrid-Sytem und Ni-NTA-Pulldown-Assays. Domänen der Smad Proteine (Mad und Medea), die für die Interaktion mit Bx42 notwendig sind, wurden mit Hilfe von Deletionskonstrukten untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die stark konservierte MH2-Domäne dieser Proteine für die Interaktion notwendig ist. Zudem belegten Versuche die genetische Interaktion zwischen Bx42 und Medea, in denen ein Bx42-RNAi-Phänotyp durch die gleichzeitige Überexpression von Medea gerettet werden konnte. Es ist bekannt, dass das humane Bx42-Homolog Skip sowohl mit den Proteinen Smad2 und 3 des TGF-ß/Activin Signalweg, als auch mit den Onkogenen Sno und Ski interagiert. Skip wirkt hier als Antagonist der Ski/Sno-Wirkung auf den TGF-ß/Activin-Signalweg und fungiert als Koaktivator (Leong et al., 2001). Die Interaktion zwischen Bx42 und der TGF-ß/Activin-Signalweg Komponente dSmad2, sowie mit dem Onkogen dSno konnte in dieser Arbeit auch für Drosophila bewiesen werden. Die Bedeutung dieser Wechselwirkung muss noch in weiteren Arbeiten analysiert werden. Der Einfluss der Bx42-RNAi-Induktion auf die TGF-ß/Dpp Zielgene distal-less (dll), optomotor blind (omb) und spalt (sal) wurde anhand von Reportergen Untersuchungen mit enhancer-trap-Linien und RNA in situ Hybridisierung untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass das Ausschalten von Bx42 die Expression dieser Gene in ähnlicher Weise reprimiert, wie eine Elimination des TGF-ß/Dpp-Signals. Diese Ergebnisse unterstützen die Annahme, dass Bx42 in der Lage ist, TGF-ß/Dpp Zielgene durch eine Wechselwirkung mit Mad und Medea zu aktivieren. / The importance of Bx42 in Drosophila development was demonstrated using Bx42-RNA interference. The ubiquitous downregulation of Bx42 generated embryonic lethality, indicating the importance of this protein in early development. The tissue specific induction of Bx42-RNAi resulted in several different phenotypes depending on the driver line and the temperature at which animals were raised. The phenotypes obtained were the key point for the assumption that Bx42 may play a role in the regulation of a number of different cellular signalling pathways. Indeed, within the Notch signalling pathway Bx42 interacts genetically with Suppressor of hairless [Su(H)] and Notch intracellular domain (N-IC). Additionally, the reduction of Bx42 negatively affected the expression of the Notch target Genes cut (ct) and enhancer of split m8 [e(Spl)m8] (Negeri et al., 2002). In this work, the involvement of Bx42 in the Dpp signalling pathway was investigated. It was shown that Bx42 interacts both in vitro and in vivo, as demonstrated by yeast two hybrid protein-protein studies and Ni-NTA pull-down assays, with the TGF-ß/ Dpp components Mad and Medea. Domains of Smads (Mad and Medea) required for Bx42 interaction were examined using deletion constructs of Smads and the importance of the well conserved MH2 domains of Mad and Medea for this interaction was revealed. Moreover, the rescue of the Bx42-RNAi phenotype by the simultaneous overexpression of Medea demonstrated the genetic interaction between Bx42 and Medea. Furthermore, evidences for the interaction of Bx42 with the TGF-ß/Activin pathway component dSmad2 and with the oncogene protein dSno were obtained from interaction assays. The human homologue of Bx42, Skip, also interacts with Smad2/3 or Sno. The meaning of this interaction in Drosophila has yet to be analysed. The influence of Bx42-RNAi induction on the expression of Dpp target genes distal less (dll), optomotor blind (omb) and spalt (sal) was also investigated using enhancer trap lines and RNA in situ hybridisation. In this way it was proven that these genes are suppressed as they are by elimination of Dpp signalling. These results suggest that Bx42 may be able to modulate positively TGF-ß/Dpp signalling through an interaction with the signalling transducer Mad and Medea.

Information spielt in der Natur eine zentrale Rolle. Als intrinsischer Teil des genetischen Codes ist sie das Grundgerüst jeder Struktur und ihrer Entwicklung. Im Speziellen dient sie auch Organismen, ihre Umgebung wahrzunehmen und sich daran anzupassen. Die Grundvoraussetzung dafür ist, dass sie Information ihrer Umgebung sowohl messen als auch interpretieren können, wozu Zellen komplexe Signaltransduktionswege entwickelt haben. In dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf Signalprozesse in S.cerevisiae die von osmotischem Stress (High Osmolarity Glycerol (HOG) Signalweg) und der Stimulation mit α-Faktor (Pheromon Signalweg) angesprochen werden. Wir wenden stochastische Modelle an, die das intrinsische Rauschen biologischer Prozesse darstellen können, um verstehen zu können wie Signalwege die ihnen zur Verfügung stehende Information umsetzen. Informationsübertragung wird dabei mit einem Ansatz aus Shannons Informationstheorie gemessen, indem wir sie als einen Kanal in diesem Sinne auffassen. Wir verwenden das Maß der Kanalkapazität, um die Genauigkeit des Phosphorelays einschränken zu können. In diesem Modell, simuliert mit dem Gillespie Algorithmus, können wir durch die Analyse des Signalverhaltens den Parameterraum zusätzlich stark einschränken. Eine weitere Herangehensweise der Signalverarbeitung beschäftigt sich mit dem “Crosstalk” zwischen HOG und Pheromon Signalweg. Wir zeigen, dass die Kontrolle der Signalspezifizität vor allem bei Scaffold-Proteinen liegt, die Komponenten der Signalkaskade binden. Diese konservierten Motive zellulärer Signaltransduktion besitzen eine geeignete Struktur, um Information getreu übertragen zu können. Im letzten Teil der Arbeit untersuchen wir potentielle Gründe für die evolutionäre Selektion von Scaffolds. Wir zeigen, dass ihnen bereits durch die Struktur des Mechanismus möglich ist, Informationsgenauigkeit zu verbessern und einer verteilten Informationsweiterleitung sowohl dadurch als auch durch ihre Robustheit überlegen sind. / Information plays a ubiquitous role in nature. It provides the basis for structure and development, as it is inherent part of the genetic code. It also enables organisms to make sense of their environments and react accordingly. For this, a cellular interpretation of information is needed. Cells have developed sophisticated signaling mechanisms to fulfill this task and integrate many different external cues with their help. Here we focus on signaling that senses osmotic stress (High Osmolarity Glycerol (HOG) pathway) as well as α-factor stimulation (pheromone pathway) in S.cerevisiae. We employ stochastic modeling to simulates the inherent noisy nature of biological processes to assess how systems process the information they receive. This information transmission is evaluated with an information theoretic approach by interpreting signal transduction as a transmission channel in the sense of Shannon. We use channel capacity to both constrain as well as quantify the fidelity in the phosphorelay system of the HOG pathway. In this model, simulated with the Gillespie Algorithm, the analysis of signaling behavior allows us to constrain the possible parameter sets for the system severely. A further approach to signal processing is concerned with the mechanisms that conduct crosstalk between the HOG and the pheromone pathway. We find that the control for signal specificity lies especially with the scaffold proteins that tether signaling components and facilitate signaling by trans-location to the membrane and shielding against miss-activation. As conserved motifs of cellular signal transmission, these scaffold proteins show a particularly well suited structure for accurate information transmission. In the last part of this thesis, we examine the potential reasons for an evolutionary selection of the scaffolding structure. We show that due to its structure, scaffolds are increasing information transmission fidelity and outperform a distributed signal in this regard.