Naturstoffe sind eine der wichtigsten Quellen für die Entwicklung neuer Pharmazeutika. Eine Vielzahl von bioaktiven Substanzen mit potentieller Anti-Krebs, Anti-HIV oder antimikrobieller Wirkung wurde aus der Gruppe der Cyanobakterien isoliert. Die meisten dieser Metabolite sind Peptide oder besitzen peptid-ähnliche Strukturen und werden nicht-ribosomal von großen, modular aufgebauten Enzymkomplexen gebildet. Vor kurzem konnte anhand der Patellamide gezeigt werden, dass zyklische Peptide auch ribosomal hergestellt werden können. Microcystis aeruginosa NIES298 produziert eine Reihe von Sekundärmetaboliten, unter anderem die nicht-ribosomalen Peptide Microcystin und Aeruginosin. Zwei weiteren von diesem Stamm produzierten Peptiden, Microcyclamid und Microviridin B, konnten bislang noch keine Gene zugeordnet werden. In dieser Studie wurden ribosomale Biosynthesewege für beide Peptidfamilien identifiziert. Die zur Biosynthese des cytotoxischen Hexapeptids Microcyclamid notwendigen Enzyme zeigen eine hohe Ähnlichkeit zu den Patellamid-Enzymen und weisen auf ähnliche Biosynthesemechanismen hin. Ein völlig neuer Syntheseweg, in dem bis dahin unbekannte ATP-grasp-Ligasen eine Rolle spielen, konnte für den trizyklischen Proteaseinhibitor Microviridin gefunden werden. Die erfolgreiche heterologe Expression dieses Peptids in E. coli bietet die Möglichkeit Bibliotheken von Microviridin-Varianten mit neuen oder verbesserten Bioaktivitäten zu konstruieren. Die systematische Suche nach ähnlichen Biosynthesegenen in Microcystis Laborstämmen und Gewässerproben zeigte eine weite Verbreitung und eine große Diversität der untersuchten Peptidklassen in Cyanobakterien, und stellt die Frage nach der natürlichen Funktion dieser Metabolite. Um erste Hinweise zu erhalten, wurden Trankriptions- und Expressionsstudien der Biosynthesegene durchgeführt. Schließlich konnten, mit Hilfe des so genannten „genome-mining“, neue Varianten der untersuchten Peptidklassen gefunden und aufgeklärt werden. / Microbial natural products represent a major source for the development of new therapeutic agents. A diverse array of compounds is produced by cyanobacteria, a heterogenous group of aerobic photoautotrophs. A variety of bioactive metabolites with potential anti-cancer, anti-microbial and anti-HIV activities have been isolated. Most of the compounds are peptides or possess peptidic structures and are usually made by large nonribosomal assembly lines. However, a ribosomal origin has recently been demonstrated for the biosynthesis of patellamides, cytotoxic cyclic peptides produced by cyanobacterial symbionts of ascidians. Microcystis aeruginosa NIES298 produces various peptides including microcystin, aeruginosin, microviridin and microcyclamide. For the latter two classes of peptides ribosomal biosynthesis pathways could be identified in the course of this study. The cytotoxic hexapeptide microcyclamide is formed through the activity of a set of enzymes closely related to those involved in patellamide biosynthesis. The multicyclic microviridin family of protease inhibitors are synthesised from a precursor peptide by a unique pathway involving uncharted ATP-grasp type ligases as well as an N-acetyltransferase and a specialised transporter peptidase. The successful expression of microviridin B in E. coli provides a promising base for engineering novel variants. Screening of Microcystis laboratory strains and field samples revealed a wide-spread occurrence and a great natural variety for both peptide classes, raising the question of the ecological role of such small cyclic peptides. Attempting to obtain some first hints to answer that question, transcription and expression studies of biosynthetic genes were performed. Finally, this work showed that such scanning approaches could lead to the discovery of novel peptide variants and demonstrated new examples of succesful genome mining.

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.

In dieser Dissertation wurde eine isolierte Brachydaktylie vom Typ E (BDE) untersucht. Grundlage war eine Familie mit autosomal-dominanten Erbgang BDE. Der genetische Hintergrund ist eine balancierte Translokation t(8;12)(q13;p11.2). Der Bruchpunkt auf derivativem Chromosom der(8) liegt 86 kb strangaufwärts des chondrogenetisch essentiellen Kandidatengens PTHLH (Parathyroid hormone like hormone). PTHLH ist für die Differenzierungsrate von proliferativen Chondrozyten verantwortlich. Positiv oder negativ reguliertes Pthlh führen zu einer Dysbalance mit Brachydaktylie-ähnlichen Phänotypen in murinen Tiermodellen. Der Leserahmen des Kaliumkanals KCNB2 auf Chromosom 8 wurde durch die Translokation in Intron 2 getrennt. Chrondrogenetische KCNB2 Funktionen konnten durch in situ Hybridisierungen ausgeschlossen werden. Der Translokationsbruchpunkt auf der(8) liegt in einer in Mammalia hochkonservierten Region und beeinhaltet ein Bindungsmotiv für AP1 Transkriptionsfaktoren. Durch die Translokation befindet sich in unmittelbarer Nähe eine Kernkonsensussequenz für ETS Transkriptionsfaktoren. AP1 und ETS Transkriptionsfaktoren interagieren und wurden auf eine potentielle PTHLH Regulation untersucht. Epigenetische Histonmodifizierungen, charakteristisch für cis-regulatorische Elemente, sowie Reportergenassays mit AP1 und ETS1 Bindungsmotiven zeigten einen Bezug zur PTHLH Regulation. Bindungsassays mit AP1 und ETS1 Transkriptionsfaktoren an den Bruchpunktsequenzen, sowie funktionelle in vitro Experimente mit Chondrozyten verifizierten die Hypothese, dass der Translokationsbruchpunkt strangaufwärts von PTHLH regulatorische Eigenschaften besitzt. Die AP1 und ETS1 Transkriptionsfaktoren regulierten PTHLH positiv in ATDC5 und C28/I2 Chondrozyten. In chondrogeninduzierten Patientenfibroblasten war die PTHLH Expression inhibiert. Die molekulare Pathogenese der BDE wurde durch die bisher unbekannte chondrogene PTHLH Fehlregulation dargestellt. / We studied a 3-generation family with Brachydactyly Type E (BDE) and identified a t(8;12)(q13;p11.2) translocation. We identified PTHLH (Parathyroid hormone like hormone) on chromosome 12p11.2 and the ionchannel KCNB2 on chromosome 8q13 as candidate genes. KCNB2 was disrupted in intron 2, while the chromosome 12 breakpoint is localized 86 kb upstream of PTHLH; only the latter gene is involved in chondrogenesis. The 12p11.2 breakpoint is conserved and features an AP1 binding site 86 kb upstream of PTHLH. Due to the translocation, an ETS binding site from 8q13 resided near the AP1 site. Since both transcription factors interact, we tested if AP1 and ETS1 can activate PTHLH in ATDC5 and C28/I2 chondrocytes. We used the breakpoint sequences of the derivative chromosomes 8 and 12 and the nonaffected chromosome 8 and 12 allele sequences in reporter-gene assays. Reporter-gene constructs containing the der(8) breakpoint revealed activation in murine and human chondrocytes. The enrichment of histone modifications, implicating cis-regulatory effects were investigated in the breakpoint area. We found the enriched histone H3K4me1 modification at the chromosome 12 breakpoint position in murine and human chondrocytes, while affected fibroblasts showed higher H3K4me1 enrichment at the der(8) breakpoint compared to wt(12) allele. Furthermore, the breakpoint sequence bound to AP1 and C-ets-1 in EMSA. Western blotting after PMA-stimulated AP1 and ETS1 activation and overexpression of different AP1 and ETS1 combinations showed activated PTHrP expression in chondrocytes. In chondrogenic induced BDE fibroblasts PTHLH was inhibited, while IHH was upregulated. We suggest that PTHLH was dysregulated by the translocation in BDE chondrocytes. This could lead to BDE. We highlight the impact to characterize genomic breakpoints in detail and demonstrate a novel AP1- and ETS1-directed chondrogenic PTHLH regulation in wild-type chondrocytes and dysregulation in the pathogenesis of BDE.