Der erste Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf die Mechanismen hormoninduzierter Ca2+-oszillationen, und wie diese von Konzentrationsschwankungen des Ca2+-freisetzenden Botenstoffes Inositol-1,4,5-trisphosphat (IP3) beinflusst werden. Wir konnten zeigen, dass IP3-Oszillationen die Frequenzkodierung des äußeren Stimulus durch Ca2+-Ozillationen deutlich verstärken. Zwei Mechanismen für das Entstehen der IP3-Oszillationen wurden untersucht: es zeigte sich, dass die Aktivierung der Phospholipase C durch Ca2+ der wahrscheinlichste Mechanismus ist. Um die Rolle der IP3-Oszillationen genauer zu verstehen, wurde ein Modell für den Stoffwechsel des IP3-Vorläufers Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat (PIP2) entwickelt. Es zeigt sich, dass die scheinbar nutzlosen Phosphorylierungs/Dephosphorylierungszyklen eine wichtige Rolle für den PIP2-Haushalt spielen. Durch Nachliefern von PIP2 während der Stimulierung ermöglichen sie anhaltende Ca2+-signale. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit einem DNS-Reparaturweg, der Reparatur mittels Entfernung von Nukleotiden (NER). Dieser Reparaturmechanismus ist äußerst vielseitig und entfernt Pyrimidinpaare, die durch UV-Strahlung erzeugt wurden, oder Schäden, die durch chemische Agentien erzeugt wurden. Es wurde ein mathematisches Model erarbeitet, das die Grundeigenschaften der NER beschreiben soll. Erstens wurde untersucht, wie die Bindungs- und Freisetzungskinetik der Reparaturfaktoren mit den strukturellen Eigenschaften des Systems, beispielsweise der Bindungsreihenfolge, zusammenhängt. Zweitens wurden anhand von in vivo gemessenen Rekrutierungskinetiken dreier Proteinfaktoren die Modellparameter bestimmt. Das so angepasste Modell sagt unter anderem eine Sättigung der NER durch den Verbrauch des Erkennungsfaktors vorher. Die theoretischen Untersuchungen deuten darauf hin, dass ein sequentieller Anlagerungsmechanismus im Hinblick auf Effizienz und auf Spezifität gegenüber den beschädigten Substrat große Vorteile bringen kann. / The first part of this thesis focuses on the mechanisms of hormone induced Ca2+ oscillations and how these depend on fluctuations in the concentration of the Ca2+-releasing messenger, inositol 1,4,5-trisphosphate (IP3). We were able to show that IP3 oscillations greatly enhances the ability to frequency encode the hormone stimulus by Ca2+ oscillations. Two mechanisms for the generation of IP3-oscillations have been investigated, we could show that Ca2+-activation of phospholipase C is the most probable mechanism. To better understand the role of IP3-oscillations a detailed model for the phosphoinositide pathway has been developed. The model illustrates the importance of futile (de)phosphorylation cycles for regenerating phosphatidylinositol-4,5-bisphophat during stimulation, an essential property to support long-lasting Ca2+ signals. The second part of the thesis is devoted to nucleotide excision repair (NER). It is a versatile DNA repair mechanism that can remove lesions such as UV light induced pyrimidine dimers and bulky adducts caused by chemical agents. To understand the mechanisms underlying the protein assembly during NER and the performance of repair, a mathematical model, delineating hallmarks and general characteristics of NER, has been developed. First, the binding and dissociation kinetics of repair factors are related to the structural properties of the system, such as the sequential order in which the factors enter repair. Second, using in vivo kinetic data for the recruitment of three different proteins at local damaged nuclei, the model parameters are determined and the dynamic behavior of the repair process is scrutinized in detail. The observed saturation of NER is predicted to rely on the high engagement of the recognition factor in repair. The theoretical analysis of repair performance indicates that a sequential assembly process is remarkably advantageous in terms of repair efficiency and can show a marked selectivity for the damaged substrate.

Das ADAMTS16-Gen kodiert für eine Metalloproteinase, deren Funktion und Regulation bislang nicht beschrieben sind. Die ADAMTSs werden von Zellen verschiedener Organsysteme sezerniert und sind für den Abbau extrazellulärer Matrixbestandteile und die Prozessierung von Oberflächenrezeptoren, Signalmolekülen oder Wachstumsfaktoren verantwortlich. In der vorliegenden Arbeit wurden die gewebespezifische Lokalisation von Adamts16 und die möglichen Funktionen der Metalloproteinase im Urogenitalsystem untersucht. Weiterhin konnte die Regulation der Adamts16-Expression durch das Wilms-Tumor Protein beschrieben werden. In verschiedenen Zelllinien des Urogenitalsystems konnte eine Wt1-abhängige Adamts16-Expression festgestellt werden. Zudem erfolgte im Urogenitalsystem eine Koexpression von Adamts16 und Wt1 in embryonalen und adulten Podozyten, somatische Zellen der XX-Gonadenanlage und Granulosazellen und Epithelzellen des adulten Ovars. Im Testis war Adamts16 ohne signifikante Wt1-Koexpression in Spermatozyten und elongierten Spermatiden lokalisiert. Außerhalb des Urogenitalsystems waren Adamts16 und Wt1 im Epikard koexprimiert. Ein Wt1-Knockdown in Epikardzellen und embryonalen Nieren zeigte jeweils einen Rückgang des Adamts16-Expressionsniveaus. Ein Adamts16-Knockdown in embryonalen Nieren resultierte in verminderten Ureterverästelungen, was eine funktionelle Rolle von Adamts16 in der murinen Nierenentwicklung ex vivo andeutet. Der Wt1-Knockdown in Gonadenkulturen zeigte, dass Wt1 die Adamts16-Expression in XY-Gonaden hemmt, in XX-Gonaden hingegen aktiviert. Innerhalb des Adamts16-Gens konnten drei Wt1-Konsensusmotive identifiziert werden. Mit Hilfe von EMSAs und ChIPs konnte die Bindung der Wt1(-KTS)-Isoform an diese Konsensusmotive belegt werden. Ein Reportergenassay zeigte die Aktivierung des Adamts16-Promotors durch Wt1(-KTS) in Granulosazellen, wobei eine Verkürzung der Adamts16-Promotorsequenz zu einer Reduktion der Promotoraktivität führte. / The Adamts16 gene encodes for a metalloproteinase, whose function and regulation is hardly explored. ADAMTSs are secreted by different cells of various organs and are responsible for breaking down extracellular matrix compounds and processing signaling molecules, growth factors and surface receptors. In this work the tissue specific localization of Adamts16 and its possible function and regulation within the genito-urinary system were analyzed. Furthermore the regulation of Adamts16 through the wilms tumor transcription factor Wt1 is described. Different cell lines derived from the genito-urinary system showed a Wt1-dependent mRNA expression of Adamts16. In addition both proteins were co-expressed in embryonic and adult podocytes, somatic cells of the embryonic XX-gonad and granulosa and epithelial cells of the adult ovary. The testes showed a Wt1-independent Adamts16 expression in spermatocytes and elongated spermatids. Outside the genito-urinary system Adamts16 and Wt1 were co-expressed in the epicardium. Knockdown of Wt1 in both epicardial cells and embryonic kidney explants showed a decrease in the Adamts16 mRNA expression level. In turn the Knockdown of Adamts16 led to an inhibited branching morphogenesis in embryonic kidney explants. This indicates a functional role of Adamts16 in the ex vivo kidney development. Knockdown of Wt1 in cultured embryonic gonads revealed that Wt1 inhibits the expression of Adamts16 in XY-gonads but activates it in XX-gonads. Three Wt1 consensus motives were identified within the Adamts16 gene. Using EMSA and ChIP the binding of the Wt1(-KTS)-isoform to all three consensus motives was verified. The ability of Wt1 to activate the Adamts16 promoter was confirmed through reporter gene assays in granulosa cells.

Die zentromerischen Regionen eukaryotischer Chromosomen sind notwendig für die Segregation der Schwesternchromatiden während der Zellteilung. In den Nukleosomen in diesen Regionen ist das kanonische Histon H3 durch die zentromerische Histon H3 Variante CENP-A ersetzt. Diese wird in Saccharomyces cerevisiae Cse4 genannt. Indem CENP-A die geordnete Assemblierung einzelner Untereinheiten des Kinetochors vermittelt, spezifiziert es die zentromerische Chromosomenregion und ist damit essentiell für die korrekte Segregation der Chromosomen während der Zellteilung. Kürzlich wurde gezeigt, dass Cse4 posttranslational modifiziert wird. Von Bedeutung für diese Arbeit sind die in der essentiellen Domäne des N-terminus liegenden Methylierung von Arginin 37 und die Acetylierung von Lysin 49, die durch phänotypische Suppression eine genetische Interaktion und eine antagonistische Funktion bei der epigenetischen Regulation in der korrekten Assemblierung der Kinetochoruntereinheiten zeigen. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die Acetylierung an Cse4K49 von der Histonacetyltransferase Gcn5 abhängt, und dass dieses Enzym Komponenten des SAGA-Komplexes, aber nicht des ADA-Komplexes benötigt. Außerdem konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass die Acetylierung von K49 in der frühen S-Phase ansteigt und zum Ende der S-Phase abnimmt. Es konnte weiterhin eine biochemische Interaktion der N-terminalen Domäne von Cse4 mit der COMA-Untereinheit Ctf19, der zentralen Region des Kinetochors, nachgewiesen werden, möglicherweise mit einer Präferenz zu einer nicht acetylierten Form von Cse4K49. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass der Transkriptions-Co-Aktivator Komplex SAGA eine Funktion an der zentromerischen Region in S. cerevisiae aufweist. Des Weiteren ist die Acetylierung an Cse4K49 in die Rekrutierung der Kinetochoruntereinheit Ctf19 involviert, und gibt damit einen Hinweis auf einen epigenetischen Regulationsmechanismus während der Chromosomensegregation. / The centromeric regions of eukaryotic chromosomes are essential for proper chromosome segregation. The nucleosomal composition in these regions differs from that of canonical nucleosomes in that histone H3 is replaced by the H3 variant CENP-A, which is termed Cse4 in Saccharomyces cerevisiae. CENP-A is the most important epigenetic mark on centromeres and essential for accurate kinetochore establishment at centromeric sites, which in turn are necessary to connect the centromeric sites to the microtubules. Whereas the histone fold domain of Cse4 shares a sequence homology with canonical histone H3, the N-terminal domain is rather long as compared to canonical histone tails and the centromeric histone variants of higher eukaryotes. One part of this flexible, positively charged histone tail has been shown to represent an essential N-terminal domain (END). Lysine 49 was defined as an acetylation site in this region, but the modification remains to be characterized in detail. In this study, we found that the Cse4K49 acetylation is dependent on the histone acetyltransferase Gcn5, and that the enzyme in this context acts within the SAGA/SLIK complex, whereas an involvement of the smaller ADA complex was not observed. Furthermore, we addressed the cell-cycle dependence of the K49 acetylation and found an increase in early S-phase and a decrease in late S-phase, whereas the R37 methylation persisted throughout S-phase. Ctf19 was found to bind acetylated and unacetylated Cse4K49 with a preference for unacetylated Cse4. The findings presented here show that the transcriptional co-activator complex SAGA functions at centromeric regions in S. cerevisiae, and that the Cse4K49 acetylation has an influence on the recruitment of the kinetochore subunit Ctf19. This suggests an epigenetic regulatory mechanism involving a specific acetylation on the N-terminus of Cse4 in chromosome segregation.

Das Eukaryotische-Initiations faktor-4E Bindungsprotein (4E-BP) ist ein Inhibitor der Translationsinitiation. Nicht-phosphoryliertes 4E-BP bindet an den eukaryotischen Initiationsfaktor 4E (eIF4E). Diese Bindung blockiert die Rekrutierung des Initiationskomplexes eIF4F an die Cap-Struktur des 5´Endes von eukaryotischen zellulären mRNAs, was die Initiation der Translation verhindert. Phosphorylierung von 4E-BP durch die mTOR Kinase führt zur Dissoziation des 4E-BP/eIF4E Komplexes und erhöht die Verfügbarkeit von eIF4E, dies wird mit Zellproliferation assoziiert. Die Aktivität von eIF4E wird nicht nur von 4E-BP, sondern auch durch Phosporylierung reguliert, welche wiederum durch die "MAP-Kinase-Interacting-Protein-Kinase" (MNK) reguliert wird. Drei Isoformen von 4E-BP sind bekannt: 4E-BP1, 4E-BP2 and 4E-BP3. 4E-BP1 und 4E-BP2 sind an oxidativem und adipogenetischen Stress beteiligt. Beide Proteine werden im h?matopoetischen System gleich exprimiert, wohingegen 4E-BP3 nicht detektiert wird. 4E-BP1 wird während der Erythroblasten-Proliferation phosphoryliert. Aus diesem Grund habe ich die Hämatopoese und die durch Phenylhydrazine (PHZ) induzierte Stress-Erythropoese in 4E-BP1 und 4E-BP2 Knock-Out Mäusen und 4E-BP1,2 Doppel-Knock-Out Mäusen analysiert. Ich konnte zeigen, dass die Hämatopoese in 4E-BPs defizienten Mäusen nicht beeinflusst wird. Allerdings zeigten 4E-BP1,2-/- und 4E-BP2-/- Mäuse eine verspätete Antwort auf Phenylhydrazin (PHZ) induzierten erythropoetischen Stress. Gleichzeitig war die mRNA Translation von GATA-1, ein essentieller erythropoetischer Transkriptionsfaktor in Erythroblasten runterreguliert. Die Signaltransduktionswege mTOR und MNK1 waren bei erythropoetischen Stress aktiviert. Diese Daten zeigen, dass 4E-BP2, aber nicht 4E-BP1, notwendig ist um auf erythropoetischen Stress zu reagieren und deuten an, dass die 4E-BP gesteuerte translations-regulierende Maschinerie eine Rolle in der Stress-Erythropoese spielt. / Translational regulation allows an organism to generate fast responses to environmental changes quickly. Eukaryotic initiation factor 4E binding protein (4E-BP) is an inhibitor of translation initiation. Unphosphorylated 4E-BP binds to eukaryotic initiation factor 4E (eIF4E) blocking recruitment of the initiation complex eIF4F to the cap structure at the 5´ terminus of eukaryotic cellular mRNAs. Thus initiation of translation is blocked. Phosphorylation of 4E-BP by the mTOR kinase causes disassociation of the 4E-BP/eIF4E complex and increases the availability of eIF4E. EIF4E activity is not only regulated by 4E-BP, but also phosphorylation which is regulated by MAP kinase - interacting protein kinase (MNK). Three isoforms of 4E-BP are known, termed 4E-BP1, 4E-BP2 and 4E-BP3. 4E-BP1 and 4E-BP2 are involved in oxidative and adipogenetic stresses in vivo. They are equally expressed in hematopoietic system, whereas 4E-BP3 is not detected. 4E-BP1 is phosphorylated during erythroblast proliferation. Erythroid differentiation is blocked by overexpresssion of eIF4E in tissue culture. These studies implied that 4E-BPs might play role in response to erythropoietic stress. I examined hematopoiesis and phenylhydrazine (PHZ) induced stress erythropoiesis in 4E-BP1 and 4E-BP2 individual knock out mice and 4E-BP1,2 compound knock out mice. I found that the hematopoiesis of 4E-BPs deficient mice were unaffected. However, 4E-BP1,2-/- and 4E-BP2-/- mice showed delayed response to phenylhydrazine (PHZ) induced erythropoietic stress. Simultaneously, the mRNA translation of GATA-1, which is the essential erythroid transcription factor, was downregulated in their erythroblasts. The signaling pathways through the mTOR and MNK1 were activated in erythropoietic stress. These data showed that 4E-BP2 but not 4E-BP1 was required for the response to erythropoietic stress and suggested that 4E-BP related translation regulatory machinery played a role in stress erythropoiesis.

Die Transkription der Chloroplasten ist erstaunlich komplex. Ihr relativ kleines Genom kodiert für Komponenten der Photosynthese und der eigenen Genexpressionsmaschine. Es wird mindestens durch zwei RNA Polymerasen transkribiert. Neben der plastidär kodierten RNA Polymerase (PEP), existiert mindestens eine weitere kernkodierte RNA Polymerase (NEP). Die PEP spielt eine wichtige Rolle bei der Expression der Photosynthesegene und ist essentiell für die Biogenese der Chloroplasten und schließlich für das Überleben der Pflanzen. In der vorliegenden Arbeit wird erstmals die spezifische Interaktion der PEP mit ihren Transkriptionseinheiten unter verschiedenen Lichtbedingungen in vivo auf plastomweiter Ebene gezeigt. Darunter befinden sich hauptsächlich DNA Fragmente, die Photosynthesegene repräsentieren. Außerdem zeigt die PEP eine eindeutige Präferenz zu den rRNA Genen und einigen tRNA Genen. Eine Reduktion dieser Assoziation der PEP in Dunkelperioden lässt einen lichtabhängigen Prozess bei der PEP-DNA Assoziation vermuten. Außerdem wurde die PEP Aktivität an den bestimmten DNA Regionen in vivo ermittelt durch die Analyse naszierender Transkripte. Ein Großteil der plastidären RNA Spezies kopräzipitiert mit der PEP, aber sie scheint präferentiell mit tRNAs zu interagieren. Die Analyse der Verteilung der PEP bewies erstmals, dass sie hauptsächlich mit den Membranen assoziiert. Dort befindet sich auch das transkriptionsaktive Chromosom (TAC). Im TAC wurden vor kurzem neben der PEP auch Mitglieder von RNA Prozessierungsfaktoren identifiziert, was auf eine mögliche Kopplung von Transkription und posttranskriptionellen Prozessen hindeutet. Für einen Einblick in dieses Interaktionsnetzwerk wurden Transkriptanalysen des TACs ausgeführt. Mit wenigen Ausnahmen assoziieren alle plastidären RNA Spezies mit dem TAC. Einige RNAs liegen bereits prozessiert vor, was eine Verbindung zwischen Transkription und posttranskriptionellen Prozessen noch im TAC vermuten lässt. / Chloroplast transcription is astonishingly complex. The relative small genome of plastids, which codes for components of the photosynthetic machinery as well as for components of their own gene expression machinery, is transcribed by at least two different RNA polymerases. Beside the plastid-encoded plastid RNA polymerase (PEP) a nuclear-encoded plastid RNA polymerase (NEP) exists as well. PEP plays a major role in the expression of photosynthesis genes and is essential for chloroplast biogenesis and thus for plant survival. This work shows the specific in vivo interaction between PEP and its transcription units under different light conditions on a plastome-wide scale. Among them are DNA fragments that represent photosynthetic genes. In addition, PEP shows clear preferences to rRNA and tRNA genes. Furthermore, the association of PEP with photosynthesis-related genes was reduced during the dark period, indicating that PEP-DNA association is a light-dependent process. To survey PEP activity in vivo on plastid DNA regions, the association to nascent transcripts was analyzed. The majority of plastid RNA species could be found in PEP precipitates, but PEP seems to interact more strongly with tRNAs. Analysis of the suborganellar distribution of PEP shows that PEP is preferably associated with chloroplastmembranes. The transcriptionally active chromosome (TAC) was also found to be membrane-attached. Beside PEP different RNA processing factors were identified within the TAC and related purifications, indicating a possible coupling of transcription and posttranscriptional processes. To gain more insights into this interaction network, transcripts of TAC were analyzed. It is shown that nearly all plastid RNA species with only a few exceptions are associated to the TAC and that at least selected transcripts are already processed. This indicates that there is a link between transcription and posttranscriptional processes already within the TAC.

Die Verfügbarkeit des Makroelementes Phosphor ist für Lebewesen eingeschränkt. Besonders bei der Pflanzenproduktion und der Tierernährung spielt die Phosphorverfügbarkeit eine wichtige Rolle bei der ökonomischen Nutzung der Ressourcen. In den Fokus der Wissenschaft zur Lösung des Phosphorproblems gerieten die Phytasen, da monogastrische Tiere nicht in der Lage sind das in den Pflanzensamen gespeicherte Phytat zu nutzen. Die gentechnische Veränderung von Pflanzen stellt eine effiziente Möglichkeit zur Produktion von phosphatfreisetzenden Enzymen, zur Erhöhung der Biomasseproduktion und zur Veränderung der Inhaltstoffe dar. In dieser Arbeit wurden erfolgreich transgene Pflanzen der Arten Nicotiana tabacum L. cv. Samsun und Hordeum vulgare L. cv. Golden Promise erzeugt, die in der Lage waren die Phytase aus Klebsiella sp. ASR1 bzw. aus Bacillus amyloliquefaciens FZB45 zu produzieren. Es wurde für jedes Protein eine Strategie zur Reinigung des aktiven Enzyms aus den verschiedenen Wirtsorganismen entwickelt und seine biochemischen Eigenschaften charakterisiert. Es wurde gezeigt, dass die β-Propeller-Phytase aus Bacillus im Gegensatz zur sauren Phytase aus Klebsiella durch die posttranslationale Modifikation teilweise ihre Eigenschaften ändert. Die Auswirkungen der heterologen Expression der Phytasen auf die Veränderung der Anteile von Phytinsäure und anorganischem Phosphor, in Relation zum gesamten Phosphor, in den Gerstensamen wurden untersucht. Es wurde eine Reduktion des Phytinsäuregehaltes um 19 % und eine Erhöhung des Gehalts anorganischem Phosphor zwischen 27 % und 78 nachgewiesen. Mit Hilfe von spezifischen Signalsequenzen gelang es die Phytaseproteine aus der Wurzel in das umgebende Medium zu sekretieren. Die Sekretion der Bacillus Phytase führte zu einer Steigerung der Biomasseproduktion von Nicotiana tabacum L. unter unsterilen Wachstumsbedingungen mit Phytat als einziger P-Quelle um 34 %. / Due to the bad availability of phosphorus in natural habitats the improvement of phosphorus accessibility to organisms became an important topic of research, particularly for agriculture and animal nutrition. In plant seeds phosphorus is bound to D-myo-inositol to form phytic acid that is indigestible for mono gastric animals. Therefore the use of phytases to hydrolyze the phytic acid and to mobilize the anorganic phosphorus came in focus to science. Genetic engineering gave the opportunity to improve the phosphorus availability. Genetic manipulation of plants is a suitable tool to produce phosphorus releasing enzymes, thereby increasing the biomass and decreasing the content of phytic acid in plants. In this work I generated transgenic plants of Nicotiana tabacum and Hordeum vulgare vulgare which successfully express the phytase gene phyK from Klebsiella pneumonia ASR1 and phyC from Bacillus amyloliquefaciens FZB42. Chromatographically purification strategies were developed and biochemical properties were characterized for all phytase proteins. All enzymes were active and PhyC was posttranslational modified. The effect of the recombinant phytase activity to total phosphorus, phytic acid and anorganic phosphorus content of barley seeds were elucidated. The phyK-expression in barley seeds yield a reduction of phytic acid content of about 19 % and an increase of anorganic phosphorus of about 78 %. Transgenic barley seeds with phyC gene expression show an increase of anorganic phosphorus content from 27 % to 48 % but no decrease in phytic acid content. In growth experiments no special phenotypes of plant containing the recombinant protein were visible. The insertion of apoplastic signal sequences in front of the phytase genes resulted in secretion of the proteins into the rhizosphere. The secretion of PhyC led to an improved growth of Nicotiana tabacum under unsterile conditions with sodium phytate as single phosphorus source increasing the biomass up to 34 %.

Chloroplasten höherer Pflanzen haben kleine Genome. Trotzdem ist ihre Transkriptionsmaschinerie sehr komplex. Plastidäre Gene werden von plastidenkodierten (PEP) und kernkodierten RNA-Polymerasen (NEP) transkribiert. In der vorliegenden Arbeit wurden Promotoren plastidärer Gene und Operons von Arabidopsis thaliana charakterisiert. Zur Unterscheidung zwischen NEP- und PEP-Promotoren wurden erstmals spectinomycinbehandelte, chlorophylldefiziente Arabidopsis-Pflanzen mit fehlender PEP-Aktivität verwendet. Obwohl für einige Gene auch einzelne Promotoren lokalisiert wurden, wird die Transkription der meisten plastidären Gene und Operons an multiplen Promotoren initiiert. Der Vergleich plastidärer Promotoren von Tabak und Arabidopsis zeigte eine hohe Vielfältigkeit der Promotornutzung, die möglicherweise auch in anderen höheren Pflanzen vorkommt. Dabei stellt die individuelle Promotornutzung eine speziesspezifische Kontrollmöglichkeit der plastidären Genexpression dar. Das Kerngenom von Arabidopsis beinhaltet zwei Kandidatengene der NEP, RpoTp und RpoTmp, welche Phagentyp-RNA-Polymerasen kodieren. In der vorliegenden Arbeit wurde die Wirkung veränderter RpoTp-Aktivität auf die Nutzung von NEP- und PEP-Promotoren in transgenen Arabidopsis-Pflanzen mit verminderter und fehlender RpoTp-Aktivität untersucht. Im Keimlingsstadium konnten Unterschiede in der Promotornutzung zwischen Wildtyp und Mutanten beobachtet werden. Fast alle NEP-Promotoren wurden in Pflanzen mit verringerter oder fehlender RpoTp-Aktivität genutzt. Dabei zeigten nur einige von ihnen eine geringere Aktivität, andere wiederum waren sogar verstärkt aktiv. Der starke NEP-Promotor des essentiellen ycf1 Gens wurde in jungen Keimlingen ohne funktionelle RpoTp nicht genutzt. Die Ergebnisse zeigen, dass NEP gemeinsam von beiden Phagentyp-RNA-Polymerasen RpoTp und RpoTmp repräsentiert wird und dass beide sowohl eine überlappende, als auch eine spezifische Rolle in der Transkription plastidärer Gene innehaben. / Although chloroplasts of higher plants have small genomes, their transcription machinery is very complex. Plastid genes of higher plants are transcribed by the plastid-encoded plastid RNA polymerase PEP and the nuclear-encoded plastid RNA polymerases NEP. Here, promoters of plastid genes and operons have been characterized in Arabidopsis thaliana. For the first time spectinomycin-treated, chlorophyll-deficient Arabidopsis plants lacking PEP activity have been used to discriminate between NEP and PEP promoters. Although there are plastid genes that are transcribed from a single promoter, the transcription of plastid genes and operons by multiple promoters seems to be a common feature. Comparison of plastid promoters from tobacco and Arabidopsis revealed a high diversity, which my also apply to other plants. The diversity in individual promoter usage in different plants suggests that there are species-specific solutions for attaining control over gene expression in plastids. The nuclear genome of Arabidopsis contains two candidate genes for NEP transcription activity, RpoTp and RpoTmp, both coding for phage-type RNA polymerases. In this study the usage of NEP and PEP promoters has been analysed in transgenic Arabidopsis plants with reduced and lacking RpoTp activity. Differences in promoter usage between wild type and mutant plants were most obvious early in development. Nearly all NEP promoters were active in plants with low or lacking RpoTp activity, though certain promoters showed reduced or even increased usage. The strong NEP promoter of the essential ycf1 gene was not transcribed in young seedlings without functional RpoTp. These results provide evidence for NEP being represented by two phage-type RNA polymerases RpoTp and RpoTmp that have overlapping as well as specific functions in the transcription of plastid genes.

Das Hamsterpolyomavirus (HaPV) wurde aus Hauttumoren von HaPV-infizierten Hamstern isoliert und gereinigt. Die Virionen sind ca. 45 nm groß und sind durch einen Polyomavirus-typischen ikosaedrischen Aufbau gekennzeichnet. Im Gegensatz zu den Kapsiden anderer Polyomaviren zeigen sie jedoch eine T=7-laevo Symmetrie. Die Analyse der Proteinzusammensetzung zeigte, daß das HaPV-Kapsid hauptsächlich aus drei Virus-kodierten Strukturproteinen (VP1, VP2 und VP3) besteht. Das VP1 repräsentiert ca. 71% des Gesamtkapsidproteins und stellt somit das Hauptkapsidprotein dar. Die Vorher-sage des VP1-ORF ergab 2 in-frame befindliche potentielle Translationsinitiationssignale (ATG), die zur Synthese von VP1-abgeleiteten Proteinen von 384 und 388 Aminosäuren füh-ren sollten. Die Sequenzierung des N-Terminus des viralen VP1 ergab, daß die Translations-initiation am 2. ATG des VP1-ORF erfolgt, so daß das authentische VP1 384 Aminosäuren beinhaltet (MG: ca. 41,8 kDa). Das authentische und das N-terminal verlängerte VP1 wurden in Insektenzellen zur Expres-sion gebracht. Die Proteine reagierten im Western blot mit HaPV-VP1-spezifischen Kanin-chenseren und Seren von HaPV-infizierten Hamstern. Beide VP1-Derivate sind in der Lage, in Insektenzellen Virus-ähnliche Partikel zu bilden. Diese Partikel ähneln in ihrer Dichte und Struktur leeren HaPV-Virionen. Durch elektronenmikroskopische Untersuchungen und Zell-fraktionierung konnte die nukleare Lokalisation der Partikel in Insektenzellen gezeigt werden. Durch Behandlung der Partikel mit EGTA/DTT lassen sich die Partikel in Pentamere dissozi-ieren. Möglicherweise können die Partikel durch Dissoziation und anschließende Reassozia-tion mit fremder Nukleinsäure beladen werden, um für gentherapeutische Anwendungen ein-gesetzt zu werden. Zur Ermittlung potentieller Insertionsorte für Fremdsequenzen im VP1 wurde die dreidimen-sionale Struktur des HaPV-VP1 auf der Basis verwandter Polyomaviren vorhergesagt und eine Epitopkartierung mit Hilfe in E. coli exprimierter rekombinanter VP1-Derivate und syn-thetischer Peptide durchgeführt. Die Vorhersage der Struktur ergab 5 oberflächenexponierte Regionen: As 81-88, As 222/223, As 244-246, As 289-294 und die C-terminale Region von VP1. Zwei der genannten Regionen (As 79-97 und die C-terminale Region von VP1) konnten bei beiden Epitopkartierungsstudien als Epitope identifiziert werden. Wahrscheinlich sind in der C-terminalen Region (As 320-384) sowohl lineare als auch mindestens ein diskontinuier-liches Epitop lokalisiert. Diese Region ist auch die Ursache für die Kreuzreaktivität von HaPV-VP1 mit anti-SV40- und anti-JCV-positiven Seren. Aufgrund der wichtigen Funktion der C-terminalen Region beim Virus-Assembly kann diese Region wahrscheinlich nicht als Insertionsort für Fremdsequenzen verwendet werden, während die Region As 84-87 für die Insertion von Fremdproteinsequenzen geeignet sein sollte. / Hamster polyomavirus (HaPV) particles were isolated and purified from the skin tumors of hamster polyomavirus infected hamsters. Virions were found to be approximately 45 nm in diameter. They demonstrate the typical icosahedral structure of polyomaviruses. However, in contrast to other polyomavirus capsids, they demonstrate a T=7-laevo symmetry. The analysis of the protein composition of the virus capsid showed that it is made up of mainly three virus-coded structural proteins VP1, VP2 and VP3. The VP1 represents up about 71% of the protein mass found in the virion and is therefore the major capsid protein. The prediction of the VP1-ORF showed the existence of 2 in-frame ATG codons which should result in the synthesis of VP1 proteins of 384 or 388 amino acids. The determination of the N-terminal amino acid sequence of the virion-derived VP1 by the method of Edman degradation revealed that the second ATG codon is the initiation site for translation. Therefore the authen-tic VP1 contains 384 amino acid residues (m.w. 41.8 kDa). The authentic VP1 and its N-terminal prolonged derivative were expressed in insect cells. The VP1 proteins reacted in the Western blot with HaPV-VP1-specific rabbit sera and sera of HaPV-infected hamsters. Both VP1 derivatives were able to form virus-like particles. In their density and morphology they are similar to empty HaPV virions. Electronmicroscopic inves-tigations and cell fractionation experiments demonstrated the nuclear localization of the parti-cles in insect cells. The treatment of particles with EGTA/DTT resulted in their dissociation in pentameric subunits. For use in gene therapy particles can be probably loaded with foreign nucleic acids by dissociation and subsequent reassociation. In order to find out potential insertion sites for foreign sequences in VP1, the three-dimen-sional structure of HaPV-VP1 was predicted on the basis of the known X-ray structure of re-lated polyomaviruses. In addition, epitopes within VP1 were mapped by means of truncated recombinant VP1 derivatives and synthetic peptides. According to structure modelling 5 sur-face-exposed regions exist in the HaPV-VP1: As 81-88, 222/223, 244-246, 289-294 and the C- terminal region. By epitope mapping we could show that at 2 out of these 5 regions in VP1, namely at As 79-97 and at the C-terminal part of HaPV-VP1, antigenic determinants are located. Most likely, in the C-terminal region (As 320-384) linear as well as at least one dis-continuous epitope exist. This region is also responsible for the cross-reactivity of HaPV-VP1 with anti-SV40 and anti-JCV-VP1-specific sera. Because of its important function in virus Assembly, the C-terminal part of HaPV-VP1 is not allowed to be used as insertion site for foreign sequences. According to the structural predictions and epitope mapping data the re-gion As 84-87 should allow the insertion of foreign protein segments.

Die Proteinkinase C (PKC) ist eine wichtige Signaltransduktionskomponente, deren Aktivierung die Expression zahlreicher Gene induziert und zur Zelldifferenzierung und Zellproliferation führt. Ein besonders hohes Expressionsniveau der PKC findet man in vielen Tumoren. So korreliert in malignen Gliazellen das Expressionsniveau der PKC mit deren Wachstumsgeschwindigkeit. Es wird angenommen, daß die aktivierte PKC eine wichtige Rolle in der Tumorpromotion hat. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, ob in Astrozytomzellinien Gene zu finden sind, die nach PKC-Aktivierung durch den Phorbol-Ester TPA differentiell exprimiert werden. Zunächst wurden kultivierte Zellen der Astrozytomzellinie LN-405 mit TPA respektive dem PKC-Inhibitor Chelerythrin behandelt. Nach Gewinnung der mRNA aus der zuvor isolierten RNA wurden in einem mehrstufigem PCR-Verfahren (SSH) cDNA-Abschnitte gewonnen, die zu vermeintlich differentiell exprimierten Genen gehören. Diese cDNA-Abschnitte wurden in Plasmid-Vektoren eingefügt, kloniert und zur Bestimmung sequenziert. Um falsch positive Sequenzen zu erkennen, wurden die zuvor radioaktiv markierten cDNA-Abschnitte mit Northernblots hybridisiert. Gleichzeitig ließ sich so ein zeitabhängiger Anstieg der Expression nach PKC-Stimulation untersuchen. Durch den PCR-Select-Assay (SSH) konnten insgesamt 11 Gene gefunden werden, die sich in der radioaktiven Northernblot-Hybridisierung, als nach PKC-Aktivierung differentiell exprimiert, darstellen ließen. Dabei bestätigt der gefundene Zusammenhang zwischen PKC-Aktivierung und differentieller Exprimierung bei fünf der 11 Gene (IL-8, Calpain, Interferon-gamma Rezeptor 2, Methionin Adenosyltransferase, beta-2 adrenerger Rezeptor) Ergebnisse anderer Autoren, wobei dieser Zusammenhang nur bei zwei Genen (IL-8 und Calpain) auch in Astrozytom- bzw. Gliom-Zellen schon früher gezeigt werden konnte. Sechs Gene (M-Phase Phosphoprotein-1, ect2-Onkogen, ERM-Gen, Ornithin-Decarboxylase-Antizym 2, MHC-bindendes Protein 2, Sequenz aus Cosmid F0811) wurden in der vorliegenden Arbeit erstmalig als PKC-abhängig exprimiert beschrieben. Die gefundenen Gene haben auf verschiedene Funktionen der Zellen Einfluß. So beeinflussen sie die Regulation des Zellzyklus (MPP1, ect2-Oncogen), die Immunregulation (MBP-2, IL-8, Interferon-gamma Rezeptor 2), die Signaltransduktion (beta-2 AR), die Transkription (ERM-Gen), die Proteinsynthese (ODC-Antizym, MAT), die Wachstumskontrolle (ODC-Antizym) und die Regulation der PKC selbst (Calpain). Für fünf Gene läßt sich ein eindeutiger Zusammenhang mit der Tumorpromotion herstellen: IL-8 (Angioneogenese), MBP-2 (Immunsuppression), ERM-Gen (Transkriptionspromotion), MAT (allgemein fördernder Einfluß auf den Metabolismus) und ect2-Oncogen (Oncogen). / The protein kinase C (PKC) is one of the major signal transduction systems and its activation leads to the induction of the expression of several genes, to cell differentiation and cell proliferation. Very high expressed PKC are found in many tumors. In malignant glia cells the expression of PKC correlates with their proliferation rate. The PKC activity has an important role for the tumor promotion. The object of this paper, was to investigated, if there are genes differentialy expressed after activation of PKC through the phorbol-ester TPA in astrocytoma cell lines. The astrocytoma cell line LN-405 was incubated with TPA and the PKC-inhibitor chelerythrine respectively. After isolation of RNA and mRNA the suppression subtractive hybridization (SSH) was used to isolate differentially expressed cDNA fragments. These cDNA fragments were inserted into the T/A cloning vector, cloned and sequenced. To detect false positives the cDNA fragments were analysed with northern blot technique. Examined was also a time-dependent acceleration of expression after TPA treatment. 11 genes were detected by suppression subtractive hybridization, showing differentially expressed in the northern blot hybridization. Five of the genes were found differentially expressed after PKC activation before (IL-8, calpain, interferon gamma receptor 2, beta-2-adrenergic receptor, methionine adenosyltransferase alpha), two of these genes (IL-8, calpain) also in astrocytoma- and glioma-cells respectively. Six genes (M-phase phosphoprotein 1, ect2-onkogene, erm gene, ornithine decarboxylase antizyme 2, MHC binding protein 2, sequence from Cosmid F0811) were described as PKC dependent expressed for the first time. The genes detected influence several cell functions. They are involved in cell-cycle regulation (MPP1, ect2-oncogene), immuneregulation (MBP-2, IL-8, interferon gamma receptor 2), signal transduction (beta 2 adrenergic receptor), transcription (erm-gene), synthesis of proteins (ODC-antizyme 2, MAT), growth control (ODC-antizyme) and regulation of PKC (Calpain). Five genes show a clear connection to tumor promotion: IL-8 (angioneogenesis), MPB-2 (immunesuppression), erm gene (promotion of transcription), MAT (promotion of metabolism) and ect2-oncogene (oncogene).

Die Gesamtheit mitochondrialer Gene sowie ein Teil der plastidären Gene photosynthetischer Eukaryoten wird durch kernkodierte Phagentyp-RNA-Polymerasen transkribiert. In der vorliegenden Arbeit wurden unter Verwendung eines homologen in vitro-Transkriptionssystems, die spezifischen Funktionen der Phagentyp-RNA-Polymerasen RpoTm, RpoTp und RpoTmp aus Arabidopsis untersucht. Während RpoTmp keine Präferenz für die angebotenen Promotoren zeigte, transkribierten RpoTm und RpoTp eine überlappende Gruppe mitochondrialer und plastidärer Promotoren vielfältiger Architektur. RpoTm und RpoTp präsentierten eine Kofaktor-unabhängige Fähigkeit zur Promotorerkennung bei Angebot superhelikaler DNA-Matrizen. Eine selektive Promotornutzung sowie die Unfähigkeit zur spezifischen Transkription linearer Promotormatrizen in vitro implizieren die Assoziation zusätzlicher, in die Promotorerkennung und/oder DNA-Aufschmelzung involvierter Kofaktoren in vivo. Die in vitro-Erkennung mitochondrialer Promotoren durch eine plastidäre Phagentyp-RNA-Polymerase (und umgekehrt) sowie weitere Ähnlichkeiten der Transkriptionsapparate der Mitochondrien und Plastiden, wie die strukturelle Organisation ihrer Promotoren und die phylogenetische Herkunft ihrer kernkodierten Transkriptasen inspirierte in planta Studien zur spezifischen Transkription eines mitochondrialen Promotors in den Plastiden. Hierzu wurde die Expression des nptII-Reportergens unter Kontrolle des mitochondrialen PatpA-Promotors aus Oenothera in transplastomischen Tabakpflanzen analysiert. Die durchgeführten Studien belegen eine korrekte Transkription des mitochondrialen PatpA-Promotors durch eine plastidäre Phagentyp-RNA-Polymerase in in vitro-Transkriptionsassays sowie in transplastomischen Tabakpflanzen. Diese Resultate enthüllen weitere unerwartete Ähnlichkeiten der organellären Genexpression, die aufschlussreiche evolutionäre Einblicke erlauben und verbesserte Anwendungen zur Manipulation plastidärer Genome ermöglichen könnten. / All mitochondrial and a subset of plastidial genes of photosynthetically active eukaryotes are transcribed by nuclear-encoded, phage-type RNA polymerases. In this study, a homologous in vitro transcription system was used to define the specific functions of Arabidopsis phage-type RNA polymerases RpoTm, RpoTp and RpoTmp in organellar transcription. RpoTmp displayed no significant promoter specificity, whereas RpoTm and RpoTp were able to accurately initiate transcription from overlapping subsets of mitochondrial and plastidial promoters of diverse architecture. RpoTm and RpoTp thereby demonstrated an intrinsic capability to recognize promoters on supercoiled DNA templates without the aid of protein cofactors. A selective promoter recognition by the phage-type RNAPs in vitro and the inability to recognize promoters on linear templates imply that auxiliary factors are required for efficient initiation of transcription and/or DNA melting in vivo. Crosswise recognition of organellar promoters by the phage-type RNA polymerases in vitro as well as other similarities of the mitochondrial and plastidial transcription machineries such as promoter structures and the phylogenetic origin inspired in planta studies to investigate specific transcription of a mitochondrial promoter in plastids. Therefore, the expression of an nptII reporter gene under control of the mitochondrial PatpA promoter from Oenothera was analyzed in transplastomic tobacco plants. The data presented here demonstrate the faithful recognition of the mitochondrial PatpA promoter by a plastid RNA polymerase both in in vitro transcription assays and in transplastomic tobacco plants. These findings disclose further unexpected similarities of the organellar gene expression systems which deliver interesting evolutionary insights and might facilitate improved applications for chloroplast genome engineering.