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.

Als Schlüsselfaktor des hämatopoietischen Systems spielt PU.1 eine ent-scheidende Rolle in der Entwicklung der meisten hämatopoietischen Li-nien. Das PU.1 Expressionslevel bestimmt das Differenzierungspotential hämatopoietischer Stammzellen und Vorläufer. In den unterschiedlichen Zelltypen werden verschiedene Expressionsstärken etabliert. Wie diese zelltypischen Expressionslevel vonPU.1 generiert werden, ist bisher weit-gehend unbekannt. In der vorliegenden Doktorarbeit wurde mit Hilfe eines transgenen Maus-modells die cis-regulatorische Einheit von PU.1 definiert, um mit nachfol-genden molekularbiologischen und genomweiten Ansätzen Mechanismen der zellspezifischen Regulation von PU.1 zu aufzuzeigen. Die Definition der cis-regulatorischen Einheit von PU.1 erfolgte mit Hilfe eines transgenen Mausmodells, welches ein humanes PU.1 BAC Kons-trukt trägt. Es konnte gezeigt werden, dass humanes und murines PU.1 substituierbar sind und den gleichen Regulationsmechanismen unterlie-gen. Mit Hilfe genomweite DNaseI hypersensitivity Analysen, Methylie-rungs- und Bindungsstudien konnte ein neuer Regulationsmechanismus beschrieben werden, der eine spezifische kombinatorische Interaktion verschiedener cis-regulatorischer Elemente erfordert. Durch Reportergenassays in verschiedenen Zelltypen war es möglich, einen myeloischen Enhancer zu identifizieren. Es konnte gezeigt werden, dass PU.1 mit zelltyp-spezifischen Transkriptionsfaktoren interagiert, um unterschiedliche Bindungsmuster an seinen regulatorischen Elementen zu etablieren. Dadurch kommt es zu den spezifischen Expressionstärken von PU.1 / The transcription factor PU.1 occupies a central role in controlling myeloid and early B cell development and its correct lineage-specific expression is critical for the differentiation choice of hematopoietic progenitors. However, little is known of how this tissue-specific pattern is established. We previously identified an upstream regulatory cis-element (URE) whose targeted deletion in mice decreases PU.1 expression and causes leukemia. We show here that the URE alone is insufficient to confer physiological PU.1 expression, but requires the cooperation with other, previously unidentified elements. Using a combination of transgenic studies, global chromatin assays and detailed molecular analyses we present evidence that PU.1 is regulated by a novel mechanism involving cross-talk between different cis-elements together with lineage-restricted autoregulation. In this model, PU.1 regulates its expression in B cells and macrophages by differentially associating with cell-type specific transcription factors at one of its cis-regulatory elements to establish differential activity patterns at other elements.

Gegenstand der Untersuchung: Vorliegende Arbeit stellt eine molekularbiologische Studie dar, die der Frage nachging, ob der Genotyp für die NAT2 eine Rolle bei der Pathogenese des Mammakarzinoms spielt. Das Mammakarzinom hat eine erbliche Komponente. Neben hoch-penetranten genetischen Mutationen des BRCA1- und BRCA2-Gens stehen polymorphe Enzyme des Fremdstoffwechsels im Verdacht, Präkanzerogene zu aktivieren und somit das Karzinomrisiko zu erhöhen. Die NAT2 detoxifiziert aromatische Amine, wie sie z. B. im Zigarettenrauch enthalten sind und weist eine ausgesprochene bimodale Aktivitätsverteilung auf. Nach systematischer Aufklärung des genetischen Polymorphismus der NAT2 ist eine Vorhersage des Phänotyps mit hoher Sicherheit möglich. Design: Es wurde eine prospektive Fall-Kontroll-Studie an 248 Patientinnen mit Mammakarzinom und 248 Kontrollen (Patientinnen mit anderen, nicht malignen Erkrankungen und Gesunde) durchgeführt. Zusätzlich wurde eine Blutprobe entnommen, aus der DNA isoliert wurde. Damit wurden folgende Mutationen des NAT2-Gens bestimmt: G191A, C282T, T341C, C481T, G590A, A803G, G857A. Anhand dieser Mutationen erfolgte die Zuordnung zu Haplotypen. Da bekannt ist, welche mittlere Aktivität der NAT2 bei den einzelnen Genotypen zu erwarten ist, konnte mit dieser Information eine Vorhersage der Aktivität als "schnelle" und "langsame" Acetylierer vorgenommen werden. Methode: Die Genotypisierung erfolgte durch Amplifikation des NAT2 -Gens mit verschiedenen Primern in der PCR, anschließendem Verdau mit Restriktionsenzymen und Charakterisierung der Fragmente mittels Gelelektrophorese. Statistik: Mit der Berechnung von "Odds ratios" und multivariaten logistischen Regressionsanalysen zur Berücksichtigung möglicher Einflussfaktoren wurde der Zusammenhang zwischen NAT2-Genotyp bzw. daraus vorhergesagtem Phänotyp und Mammakarzinom überprüft. Ergebnisse: Es wurden acht verschiedene NAT2-Haplotypen nachgewiesen. 2 Haplotypen (*4 und *12A) kodieren für einen schnellen Acetylierer-Typ, 6 Haplotypen (5A, 5B, 5C, 6A, 7B und 14*B) für den langsamen Acetylierer-Typ. 55,6% der MC-Patientinnen und 58% der Kontrollpersonen Genotypen wiesen den langsamen Acetyliererstatus auf. Dies entspricht in etwa der von anderen Untersuchern beschriebenen Häufigkeit bei Kaukasiern. Es fand sich keine Überrepräsentierung bestimmter Genotypen oder Haplotypen in der Gesamtgruppe der Patientinnen mit Mammakarzinom im Vergleich zur Kontrollgruppe. Die Odds ratio betrug 1,12 (CI: 0,03 - 1,60). In einer Subgruppenanalyse fanden sich keine signifikante Unterschiede in bezug auf das mittlere Alter, das Ausmaß des Zigarettenkonsums und auch von Blutgruppenmerkmalen. Innerhalb des Patientenkollektivs wurde die Verteilung von schnellen und langsamen Acetylierern stratifiziert nach Menopausenstatus, Menstruationsdauer, TNM-Klassifikation und Grading. Bei den Patientinnen mit invasiv-lobulärer Tumorhistologie waren die schnellen Acetylierer in der Auswertung signifikant häufiger als bei invasiv-duktalem Mammakarzinom. Ein weiterer signifikanter Unterschied wird bezüglich des Hormonrezeptorstatus berichtet: Schnelle Acetylierer waren bei Patientinnen mit positivem Hormonrezeptorstatus deutlich häufiger als bei solchen mit negativem Rezeptorstatus. Bezüglich der Tumorhistologie fiel auf, dass die 33 Patientinnen mit einem invasiv-lobulären Mammakarzinom signifikant häufiger schnelle Acetylierer waren. Langsame Acetylierer wiesen dagegen häufiger einen negativen Östrogenrezeptorstatus auf. Schlussfolgerung: Dem Polymorphismus des NAT2-Genotyps als unabhängigem Risikofaktor bei der Entstehung des Mammakarzinoms kommt keine mit den bekannten Risikofaktoren vergleichbare Bedeutung zu. Die Befunde in bezug auf die Tumorhistologie und auf den Hormonrezeptorstatus weisen möglicherweise auf Besonderheiten im Pathomechanismus bei der Entstehung des Mammakarzinoms hin, der derzeit unklar ist. Sie bedürfen weiterer Abklärung. / Genetically polymorphic xenobiotic metabolizing enzymes such as the polymorphic arylamine N-acetyltransferase (NAT2) are supposed to be a host factor for cancer susceptibility. A case-control study of a total of 248 patients with breast cancer and a matched reference group of 248 unrelated subjects without cancer was performed to explore the association between NAT2 genetic polymorphism and individual susceptibility to breast cancer. A structured questionnaire was used to collect relevant information regarding all known or suspected risk factors of breast cancer. Methods: The NAT2 genotype was determined using the polymerase chain reaction-restriction fragment length polymorphism (PCR-RFLP). The NAT2-genotype was characterized at nucleotide positions 191, 282, 341, 481, 590, 803, and 857. For evaluation of nucleotide 341, a 3’-mismatch primer was used. Homozygous wild type genotypes NAT2*4/*4 were confirmed by DNA sequencing. Results: Genotypes for rapid acetylation amounted to 44.4% among breast cancer and 41.5% among reference patients. There was no over-representation of specific NAT2-genotypes in the total of breast cancer patients compared with the reference group (odds ratio 1.12, 95%; confidence limits 0.03-1.60). Neither NAT2-status nor smoking status was independently associated with breast cancer risk. Logistic regression analysis, considering confounders such as age, body mass index (BMI), and smoking status (PJ) showed that the NAT2 rapid acetylator genotype was not associated with an increased cancer risk (odds ratio 1.05; 95%-CI: 0.67-1.67; P=0.82). Discrimination into homozygous and heterozygous carriers of allele NAT2*4 did not show any over-representation of NAT2*4/*4 genotypes among breast cancer patients (odds ratio 1.31; 95% confidence limits 0.59-2.91; p=0.50). Hence carriers of the NAT2*4/*4 genotypes, with its especially high acetylation capacity are not at significantly increased risk to breast cancer. Further stratification to different risk factors revealed a non-significant elevation in risk of breast cancer among patients with increasing cigarette smoking who represented the NAT2 rapid acetylator genotype, but lack of association to age, blood groups, menopause, period of menstruation, TNM-classification, tumor grading, and histology. However, evaluation of the role of estrogen receptor status and NAT2 showed that there was a significant association between positive receptor status and NAT2 rapid acetylator genotype (odds ratio 2.07; 95%-CI: 1.32-5.27; P=0.005). Interestingly, in patients with infiltrating lobular breast cancer (n = 33), NAT2 rapid acetylator genotypes were more frequent compared with other tumor subtypes (odds ratio 2.59; 95%-CI: 1.20-5.60; P=0.014). Logistic regression analysis, considering estrogen receptor status, and age showed that the rapid acetylator genotypes were associated with an increased cancer risk (odds ratio 2.4; 95%-CI: 1.04-5.61; P=0.04). Our findings suggest that NAT2-polymorphism is not an independent susceptibility factor for breast cancer. In particular the NAT2 slow acetylator genotype was not associated with an increased breast cancer risk. Striking results point out to a likely association between NAT2 rapid acetylator genotype and tumor histology especially infiltrating lobular breast cancer and positive hormone receptor status These findings refer to special features of pathogenesis in breast cancer requiring more and detailed clarification.

In der vorliegenden Arbeit sollten Ziel-Proteine der Mikrotubulus-assoziierten PP2A gefunden werden. Anhand phänotypischer Ähnlichkeiten zwischen OS- und Greig-, Acrocallosal- bzw. Pallister-Hall-Syndrom-Patienten wurde eine mögliche Interaktion zwischen dem MID1-alpha4-PP2A-Komplex und GLI3, einem zentralen Transkriptionsfaktor der SHH-Signaltransduktionskaskade, postuliert. In einer Reihe von zellbiologischen und proteinbiochemischen Experimenten konnte gezeigt werden, dass sowohl die intrazelluläre Lokalisation des GLI3 als auch der Phosphorylierungsstatus von Fu, einem Interaktionspartner von GLI3, über den MID1-alpha4-PP2A-Komplex und Mikrotubulus-assoziierter PP2A-Aktivität reguliert werden. Erhöhte Aktivität der Mikrotubulus-assoziierten PP2A führt hierbei zur Dephosphorylierung von Fu und zu einer Akkumulation des GLI3 im Cytosol, während verringerte PP2A-Aktivität zu einer Anreicherung der hyperphosphorylierten Form des Fu und zur Akkumulation des GLI3 im Nukleus führt. Darüber hinaus konnte GSK3beta als die der Mikrotubulus-assoziierten PP2A entgegenwirkende Kinase identifiziert werden. Eine verringerte Aktivität der GSK3beta führt zur Dephosphorylierung von Fu und zu einer Akkumulation des GLI3 im Cytosol. Außerdem wurde in der vorliegenden Arbeit eine Interaktion zwischen GLI3 und der hyperphosphorylierten Form des Fu beschrieben. Die Hyperphosphorylierung von Fu wird über die gegenläufigen Aktivitäten der Mikrotubulus-assoziierten PP2A und GSK3beta reguliert. Durch die Interaktion des hyperphosphorylierten Fu mit cytosolischem, nicht phosphorylierten GLI3 wird dessen Phosphorylierung gesteuert. Phosphoryliertes GLI3 reichert sich im Zellkern an und die Transkription von SHH-Zielgenen wird induziert. Die in dieser Arbeit identifizierten Mechanismen sind ein möglicher zellbiologischer Hintergrund der Übereinstimmung in den klinischen Erscheinungsbildern von OS und Syndromen, die mit Genen der SHH-Signaltransduktionskaskade assoziiert sind. / Misregulation of microtubule-associated phosphatase 2A (PP2A) activity as a result of mutations in the ubiquitin ligase MID1 plays a central role in the pathogenesis of Opitz BBB/G syndrome (OS). Features typical for OS are shared by patients with mutations in GLI3 and PATCHED1 (PTC1), two members of the Sonic Hedgehog (SHH) pathway. These observations suggest that MID1 / PP2A may also be involved in the transduction of the SHH signal. Here we demonstrate that nuclear translocation of the transcription factor GLI3, a major effector of the SHH pathway, is regulated by the activity of the microtubule-associated pool of PP2A. This effect is reproduced pharmacologically by lithium chloride (LiCl), a potent inhibitor of glycogen synthase kinase 3beta (GSK3beta), and correlates with the phosphorylation status of human Fused (hFu), a GLI3 interaction partner. Our data suggest an antagonistic relationship between PP2A and GSK3beta as regulators of SHH signaling and provide a molecular basis for the phenotypic overlap between patients with OS and SHH pathway mutations.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Heterosis in der Frosttoleranz von Arabidopsis-Kreuzungen. Die genetische Basis von Heterosis, der Verbesserung heterozygoter F1-Hybriden gegenüber den homozygoten Eltern, ist unbekannt. Vermutet werden Dominanz, Überdominanz oder Epistasie. Die zur Kreuzung verwendeten Parentalakzessionen entstammen unterschiedlichen Klimaten und differieren stark in ihrer Frosttoleranz (Lethaltemperatur, LT50). Von 24 reziproken Kreuzungen mit C24 und Col-0 wurden LT50, Prolin- und Zuckergehalt bestimmt. Die Untersuchungen an nicht akklimatisierten und kälteakklimatisierten Pflanzen zeigen häufiger Heterosis in C24- als in Col-Hybriden mit klarem Anstieg nach dem Akklimatisieren. Es besteht eine klare Abhängigkeit der Frosttoleranz zum Zucker-, Prolin- und Flavonoidgehalt, sowie zwischen der Stärke der Heterosis in Frosttoleranz und Metabolitgehalten. GCMS-Messungen bestätigen diese Ergebnisse. Es wurden 40 Metabolite detektiert, von denen viele signifikant mit der Frosttoleranz korrelieren und/oder deren Heterosis mit der Heterosis der LT50 korreliert. Sechs dieser Stoffe sind wichtige Komponenten des Citratzyklus, was auf eine Rolle von Teilen des Zyklus in der Heterosis der Frosttoleranz und eine Veränderung seiner Flussraten hindeutet. / We investigated heterosis in freezing tolerance of 24 reciprocal Arabidopsis-crosses with C24 and Col-0. The underlying genetic mechanisms of Heterosis, the enhancement of F1-hybrids in comparison to their homozygous parents, are unknown. Different mechanisms such as dominance, overdominance or epistasis are suggested. Parental freezing tolerance (LT50) was shown to correlate with the original habitat temperature. Besides the LT50, proline and sugar contents (glc, fru, suc, raf) have been measured on non-acclimated and cold-acclimated plants. Metabolite profiling and flavonoid measurements revealed significant stronger heterosis in C24- than in Col-crosses. Heterosis increases after cold acclimation. Freezing tolerance clearly correlate with the contents of sugars, proline and several flavonols, as well as the strength of heterosis in freezing tolerance with the metabolite content. GCMS-measurement confirmed these results. Fourty metabolites, of which many significantly correlate with LT50 and/or with heterosis in metabolite content and in LT50, were found. Six of these are important compounds in the TCA-cycle. Changes in flux rates of the TCA-cycle could be connected to Heterosis for the first time. Negative correlation between Heterosis in freezing tolerance and metabolite accumulation, points to a role of parts of the cycle in crosses and to a change of flux rates.

Die vorliegende Arbeit zeigt die Möglichkeiten einer Kultur australischer Akazien als Topfpflanzen. Im ersten Teil werden in einer umfangreichen Literaturübersicht ökologische Standortbedingungen und bisherige nationale und internationale Veröffentlichungen über australische Akazien und zur Kultur weiterer australischer Pflanzen dargestellt. Untersuchungen zur generativen Vermehrung an 12 Akazienarten beinhalten verschiedene Saatgutvorbehandlungsmethoden: mechanische Beschädigung, Vorquellen, Behandlung mit konzentrierter Schwefelsäure, dem Seed Starter "Smoky Water" sowie die Behandlung mit hohen Temperaturen. Die mechanische Beschädigung des Saatgutes erzielt bei der Mehrzahl der untersuchten Akazienarten eine hohe Keimrate bei kurzer Keimdauer. Die Behandlung mit Seed Starter zeigt dagegen keine keimungsfördernde Wirkung. Praktische Versuche zur vegetativen Vermehrung durch Stecklinge beziehen sich auf unterschiedliche Stecklingsarten, Vermehrungstermine, Alter der Mutterpflanzen sowie verschiedene Stecklingsbehandlungen mit Bewurzelungshormonen und die Lagerung der Stecklinge. Es wird gezeigt, dass diese bisher problematische Vermehrungsmethode durch die Verwendung juvenilen Mutterpflanzenmaterials deutlich verbessert werden kann. Ferner konnte ein positiver Einfluss der Lagerung von Stecklingen auf die Bewurzelungsraten dargestellt werden. Vorteile bei der Bewurzelung und teilweise im weiteren Wachstum erzielte die Anwendung von IBS als Bewurzelungshormon. Versuche zur In-vitro-Kultur zeigen die Möglichkeit der In-vitro-Vermehrung und In-vitro-Bewurzelung der Akazienarten sowie die unproblematische Überführung in vivo für Acacia retinodes. Der Einfluss der Vermehrungsmethoden und -arten auf die weitere Entwicklung der Akazien wird im Teil der Wachstumssteuerungsmöglichkeiten untersucht. Es erfolgt die Darstellung der klimatischen Ansprüche und die Wirkung einiger kulturtechnischer Maßnahmen, beispielsweise die Anwendung von Hemmstoffen, Stutzen und Wurzelkürzen. Entscheidend für eine zeitige Blütenknospenbildung ist die Vermehrung über adultes Stecklingsmaterial. Die Kultur unter Zusatzlicht führt zu einem kompakten Habitus und einer verbesserten Blühinduktion. Die Blütenentwicklung kann durch das Absenken der Temperatur gefördert werden. Das Kürzen der Wurzeln beeinträchtigt die weitere Entwicklung der Pflanzen nicht. Durch Stutzen kann der Austrieb nicht gefördert werden; die Wirkung auf die Pflanzenhöhe erfolgt in Abhängigkeit vom Stutztermin. Abschließend werden Kulturschemata ausgewählter australischer Akazien als Blattpflanzen und blühende Topfpflanzen dargestellt. / This study was conducted to examine the suitability of the Australian acacias species for pot plant production. A comprehensive overall review of national and international literature was first carried out on ecological conditions of the habitat and cultivation of some Australian plants. The seed germination of 12 Acacia species was studied following a manual chipping treatment, exposure to hot water, concentrated sulphuric acid, the seed starter "Smoky water" and high temperature scarification. The manual chipping treatment resulted in a faster and improved germination rate. The seed treated with "Smoky water" showed no increase in germination rate. In-vitro-culture of acacia species was examined. In-vitro-propagation and in-vitro-rooting of acacia species was carried out. Acacia retinodes is adaptable to resettlement from in vitro to in vivo. Practical examinations of propagation included different types of cuttings, times of propagation, age of mother plants, treatment with root hormones and the storage of cuttings. The use of juvenile plant material for cuttings resulted in increased rooting percentages. Storage of cuttings had a positive influence on rooting rates. Treatment with indole butyric acid (IBA) promoted rooting and future plant growth. The portion of the study on growth manipulation examined the effects of using differing kinds and methods of propagation, different environmental conditions and technical manipulations such as growth regulator applications and the pruning of stems and roots. The propagation of cuttings from adult plant material is decisive for inflorescence bud formation. Increasing light intensity and day length produced a compact plant and improved floral initiation. Lowing temperatures can increase flower development. The development of the plants is not affected by root pruning. Pruning stems can not stimulate branching, however, depending on the time of application, pruning stems does promote plant growth. The crop management of special Australian acacia species as pot plants or flowering pot plants is described on charts in conclusion of the study.

Die essentielle Histon H3 Variante Cse4 ersetzt am Centromer das Standard Histon H3 und bildet zusammen mit Histon H4 funktionelle Cse4-H4 Tetramere aus. In dieser Studie konnte gezeigt werden, das Cse4 über seinen einzigartigen N-Terminus mit zwei Komponenten des Histon-Acetyltransferase-Komplexes SAS-I interagiert: der enzymatischen Untereinheit Sas2 und Sas4. Mutationen innerhalb des atypischen C2HC Zink-Fingers oder der HAT-Aktivierungsdomäne von Sas2 verhindern eine Bindung an Cse4, obwohl mit Hilfe von Co-Immunopräzipitationsexperimenten eine indirekte Interaktion nachgewiesen werden konnte. Weiterhin wurde gezeigt, dass Cse4 mit Cac1, der größten Untereinheit des Chromatin-Assemblierungsfaktors CAF-I und Asf1 interagiert - zwei Histon Chaperonen, die Histon H3 und H4 in Chromatin assemblieren. Unsere Ergebnisse lassen weiterhin auf eine separate Rolle von Cac1, unabhängig von den beiden anderen Untereinheiten schließen. Die Interaktion von Cse4 und Ctf19 wird durch eine Deletion von Sas2 verhindert. Ebenfalls kann die Temperatur-Sensitivität eines cse4-103 mutierten Hefestamms durch eine Sas2-Deletion partiell supprimiert. Somit kann man darauf schließen, dass Sas2 eine Funktion bei der Stabilisierung des Centromers aufweist. Die bisherigen Ergebnisse lassen die Frage aufkommen, ob Cse4 in der Zelle acetyliert ist und ob es möglicherweise als Histon H3 Variante ebenfalls ein Substrat von SAS-I darstellt. Wir konnten zeigen, dass Cse4 tatsächlich in einem acetylierten Status vorliegt, ob SAS-I jedoch für die Acetylierung verantwortlich ist bleibt nachzuweisen. / The essential histone H3 variant Cse4 plays a crucial role at the centromere in S. cerevisiae, where it replaces histone H3 in that it assembles centromere specific (Cse4-H4)2 tetrameres. We found in our study that the histone H3 variant was able to interact over its unique N-Terminus with two subunits of the histone acetyltransferase complex SAS-I: Sas2 and Sas4. Mutations within the acetyl-CoA binding site (HAT domain) or the zink-finger of Sas2 disrupted the binding to Cse4, although an indirect interaction was found with co-immunoprecipitation experiments. Additionally, the N-terminus of Cse4 interacted with Cac1, the largest subunit of the chromatin assembly factor CAF-I and Asf1 - two histone chaperones that assemble histones H3 and H4 into nucleosomes. Our findings further suggest a role of Cac1 independent of Cac2 and Cac3 as no binding to Cse4 could be detected. A role for Sas2 at the centromere was further confirmed in that a sas2 deletion (sas2 delta) disrupted the binding of Cse4 to Ctf19. Additionally, sas2 delta partially rescued the temperature sensitivity of a cse4-103 mutated strain at elevated temperatures, suggesting a role for Sas2 in improving centromere stability. An important question resulted from our studies: is Sas2 able to acetylate the histone H3 variant Cse4 ? We have circumstantial evidence that Cse4 was indeed acetylated in the cell, but whether Sas2 accounts for the acetylation remains to be determined.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Transkription mitochondrialer Gene durch die kernkodierten Phagentyp-RNA-Polymerasen RpoTm und RpoTmp der Pflanze Arabidopsis untersucht. Im Mitochondriengenom von Arabidopsis wurden f r 12 Gene Promotoren bestimmt. Diese zeigten verschiedene Sequenzelemente und wichen meist von der f r Dikotyle publizierten Konsensussequenz ab. F r die Mehrheit der Gene wurden multiple Promotoren identifiziert. Es wurden weiterhin Promotoren nachgewiesen, welche die Transkription vermutlich nicht funktioneller Sequenzen aktivieren. Architektur, Lokalisation und Nutzung mitochondrialer Promotoren implizieren eine wenig stringente Kontrolle der Transkriptionsinitiation in Arabidopsis-Mitochondrien. Zur Analyse der Funktionen von RpoTm und RpoTmp wurde ein in vitro-Transkriptionssystem entwickelt. Da RpoT-Enzyme m”glicherweise Kofaktoren ben”tigen, wurde in Arabidopsis nach Genen potentieller mitochondrialer Transkriptionsfaktoren gesucht. Als mitochondriales Protein mit Žhnlichkeit zu mtTFB, einem essentiellen Transkriptionsfaktor in Hefemitochondrien, wurde MetA identifiziert. In in vitro-Assays initiierte RpoTm an verschiedenen Promotoren die Transkription, w„hrend RpoTmp keine signifikante Promotorspezifit„t zeigte. Die spezifische Promotornutzung durch RpoTm erforderte superhelikale DNA. Weder RpoTm noch RpoTmp wurde durch MetA stimuliert. Eine mtTFB-„hnliche Funktion von MetA ist daher unwahrscheinlich. F r MetA wurde ausserdem eine engere phylogenetische Beziehung zu nukle„ren rRNA-Dimethylasen als zu mtTFB ermittelt. Die hier vorgestellten Studien belegen die Transkription mitochondrialer Gene in Arabidopsis durch RpoTm; f r RpoTmp ist eine nicht-redundante Transkriptionsfunktion denkbar. Die Kofaktor-unabh„ngige Spezifit„t von RpoTm f r verschiedene Promotoren und die wenig stringente Initiationskontrolle in vivo legen nahe, dass eine individuelle Regulation mitochondrialer Gene in Arabidopsis auf Transkriptionsebene nicht erfolgt. / Mitochondria depend on a nucleus-encoded transcription machinery to express their genome. The present study examined the transcription of mitochondrial genes by two nucleus-encoded phage-type RNA polymerases, RpoTm and RpoTmp, in the plant Arabidopsis. For selected mitochondrial genes in Arabidopsis, transcription initiation sites were determined. Most genes were found to possess multiple promoters. The identified promoters displayed diverse sequence elements and mostly deviated from a nonanucleotide consensus derived previously for dicot mitochondrial promoters. Several promoters were detected that activate transcription of presumably non-functional sequences. Promoter architecture, distribution and utilization suggest a non-stringent control of transcription initiation in Arabidopsis mitochondria. An in vitro transcription system was set up to elucidate the roles of RpoTm and RpoTmp. Since RpoT enzymes possibly require auxiliary factors, the Arabidopsis genome was screened for potential cofactors of phage-type RNA polymerases. A mitochondrial protein (MetA) with similarity to mtTFB, an essential transcription factor in yeast mitochondria, was identified. In in vitro transcription studies, RpoTm recognized various promoters whereas RpoTmp displayed no significant promoter specificity. Promoter recognition by RpoTm depended on supercoiled DNA templates. Transcription initiation by RpoTm or RpoTmp was not affected by MetA, indicating that MetA is not functionally equivalent to mtTFB. Besides, MetA was found to be more closely related to non-mitochondrial rRNA dimethylases than to mtTFB. The present study establishes RpoTm to transcribe mitochondrial genes; RpoTmp may have a non-overlapping transcriptional role in mitochondria. The cofactor-independent promoter specificity of RpoTm and the apparently non-stringent control of transcription initiation in vivo imply that mitochondrial genes in Arabidopsis may not be regulated individually at the transcriptional level.

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

Der Transkriptionsfaktor CCAAT/enhancer-binding protein α (C/EBPα) kontrolliert Zellzyklusarrest und terminale Differenzierung von neutrophilen Granulozyten und Adipozyten. Mutationen von C/EBPα treten häufig im Zusammenhang mit akuter myeloischer Leukämie auf. Massenspektrometrische Untersuchungen zeigten, dass C/EBPα an mehreren konservierten Argininen citrunilliert ist, einschließlich R297 in der C-terminalen basischen Region von C/EBPα. Mutationen von C/EBPα R297 wurden bereits beschrieben, weshalb der Schwerpunkt dieser Arbeit auf die Analyse der Modifikation dieses Aminosäurerestes gelegt wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass die Peptidyl-Arginin-Deaminase (PADI4) mit C/EBPα interagiert und an mehreren Aminosäureresten citrunilliert. Citrunillierung oder Mutation von R297 beeinflusst die Aktivität von C/EBPα, einschließlich DNA-Bindung und Interaktion mit Partnerproteinen. Mutationsanalysen legen nahe, dass die positive Ladung des Aminosäurerestes R297 für die Bindung an cis-regulatorische DNA-Elemente, Protein Interaktionen, Genaktivierung, Fettzelldifferenzierung und Zellzyklusarrest ausschlaggebend ist. Knock-down von PADI4 in der myeloischen Vorläufer-Zelllinie 32D oder in der leukämischen U937 Zelllinie induziert Granulozyten-Differenzierung, möglicherweise durch Blockierung der PADI4-vermittelten Citrunillierung und Inaktivierung von C/EBPα. Zusammengefasst ergibt sich aus den Daten, dass PADI4 die positiv-geladene Seitenkette von C/EBPα R297 in eine ungeladene, citrunillierte Form umwandelt, die die Assoziation mit DNA destabilisiert und die C/EBPα-E2F-Interaktion beeinflusst, was wiederum das Gleichgewicht zwischen Proliferation und Differenzierung bestimmt. / The transcription factor CCAAT/enhancer-binding protein α (C/EBPα) coordinates cell cycle arrest and terminal differentiation of neutrophil granulocytes and adipocytes. Mutations in C/EBPα are frequently associated with acute myeloid leukemia. Mass spectrometric analysis revealed that citrullination occurred on multiple conserved C/EBPα arginine residues including R297 in the C/EBPα basic region. C/EBPα R297 was previously reported to be mutated in acute myeloid leukemia and we therefore focused on the modification this residue. Data presented here show that peptidylarginine deiminase 4 (PADI4) interacts with and citrullinates C/EBPα at several sites. Citrullination or mutation of R297 dramatically changed C/EBPα activities, including DNA binding and interaction with protein partners. Mutational analysis demonstrated that the positive charge of residue R297 was critical for binding to cis-regulatory sites on DNA, gene activation, adipocytic differentiation, and cell cycle arrest. Knock down of PADI4 in the myeloid precursor cell line 32D or U937 leukemia cells induced granulocyte differentiation, potentially through relieving PADI4 mediated citrullination and inactivation of C/EBPα. Taken together, the data suggest that PADI4 converts the positive C/EBPα R297 side chain to the non-charged citrulline side chain which destabilizes the association with DNA and affects C/EBPα - E2F interaction that determines the balance between proliferation and differentiation.