Die exzitatorische Neurotransmission im gesamten Zentralnervensystem (ZNS) der Wirbeltiere wird weitgehend durch die α-Amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolpropionsäure-Rezeptoren (AMPARs) vermittelt. AMPARs sind Glutamat-gesteuerte Ionenkanäle, die sich an der postsynaptischen Membran befinden, wo sie den Kern makromolekularer Komplexe mit einer Reihe von Hilfsproteinen bilden, die die Rezeptorfunktion konzertiert regulieren. Die bekanntesten dieser Proteine sind die transmembranen AMPA-Rezeptor-Regulierungsproteine (TARPs). TARPs zeigen eine verwirrende Reihe von Effekten auf den Handel, die synaptische Verankerung, die Gate-Kinetik und die Pharmakologie von AMPARs. Über die strukturellen Merkmale des AMPAR-TARP-Komplexes wurde zunehmendes Wissen gesammelt. Die molekularen Mechanismen, die der TARP-Modulation der AMPARs zugrunde liegen, sind jedoch noch nicht vollständig aufgeklärt. In der vorliegenden Studie wurden die AMPAR-TARP-Interaktionen mit Hilfe der Elektrophysiologie in 293 Zellen der menschlichen embryonalen Niere (HEK) untersucht. Die Rolle der extrazellulären TARP-Schleifen, Loop1 (L1) und Loop2 (L2), bei der Modulation der AMPAR-Ansteuerung wurde analysiert. Es wurde ein Modell für die TARP-Modulation vorgeschlagen, das auf vorhergesagten zustandsabhängigen Wechselwirkungen von TARP L1 und L2 mit dem AMPAR basiert. Da die nativen AMPARs im Gehirn hauptsächlich aus heterotetrameren Zusammensetzungen von vier verschiedenen Untereinheiten (GluA1-4) bestehen, wurden außerdem verschiedene Zusammensetzungen von AMPAR-Untereinheiten getestet. Es wurden sowohl gemeinsame als auch von den Untereinheiten abhängige Mechanismen der AMPAR-Modulation durch TARPs beobachtet. Zusammenfassend liefern diese Experimente den Nachweis, dass TARP L1 und L2 nicht an der Assoziation von AMPAR-TARP-Komplexen beteiligt sind und die Modulation der AMPAR-Ansteuerung durch TARPs vollständig erklären können. / Excitatory neurotransmission throughout the vertebrate central nervous system (CNS) is largely mediated by the α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptors (AMPARs). AMPARs are glutamate-gated ion channels located at the postsynaptic membrane, where they compose the hub of macromolecular complexes with a number of auxiliary proteins that concertedly regulate the receptor function. Among these proteins the most known ones are the transmembrane AMPA receptor regulatory proteins (TARPs). TARPs show a bewildering array of effects on the trafficking, synaptic anchoring, gating kinetics and pharmacology of AMPARs. Growing knowledge has been gathered about the structural features of the AMPAR-TARP complex. However, the molecular mechanisms underlying TARP modulation of AMPARs have not been fully revealed yet. Given that higher brain functions rely upon AMPAR activity and dysregulation of AMPARs has been associated to life-threatening CNS disorders, big efforts are being made to unravel the molecular machinery behind AMPAR regulation and to identify AMPAR auxiliary proteins as potential pharmacological targets. In the present study, AMPAR-TARP interactions were investigated using electrophysiology in human embryonic kidney (HEK) 293 cells. The role of TARP extracellular loops, Loop1 (L1) and Loop2 (L2), in the modulation of AMPAR gating was analysed. A model for TARP modulation has been proposed, based on predicted state-dependent interactions of TARP L1 and L2 with the AMPAR. Moreover, considering that native AMPARs in the brain mainly consist of heterotetrameric assemblies of four distinct subunits (GluA1-4), different AMPAR subunit compositions were tested. Common as well as subunit-dependent mechanisms of AMPAR modulation by TARPs have been observed. In summary, these experiments provided evidence that TARP L1 and L2 are not involved in association of AMPAR-TARP complexes and can entirely account for the modulation of AMPAR gating by TARPs.

Der Bewegungsapparat der Sciuromorpha, einer monophyletische Gruppe von ca. 300 Arten, wurde verwendet um den Effekt der Lebensweise und der Körpermasse auf die Scapula- und Femurmorphologie zu untersuchen. Diese Nagetierklade weist eine breite Vielfalt an Lebensweisen (arboreal, fossoriell, aerial) als auch Körpermassen (drei Größenordnungen umfassend) auf. Die fossorielle Lebensweise hat sich höchstwahrscheinlich dreimal unabhängig von einem arborealen Vorfahren entwickelt. Mehr als die Hälfte der rezenten Arten wurden untersucht. Die Scapulae wurden fotografiert, während Computertomographie (CT) und Oberflächenlaserscans für die Femora verwendet wurden. Es wurden funktionsrelevante Merkmale analysiert, wie die effektive Länge der Skelettelemente, die Muskeleigenschaften soweit aus der Geometrie der Knochen ableitbar, sowie die Robustheit. Die CT-Scans wurden verwendet, um die Querschnitts- und Trabekeleigenschaften des Femurs zu analysieren. Die Gestalt wurde mittels geometrischer Morphometrie untersucht. Phylogenetic comparative methods wurden unter anderem verwendet, um den Einfluss der Phylogenie zu beurteilen als auch, ob sich die unabhängige Aneignung einer fossoriellen Lebensweise in der Evolution homoplastischer Morphologien widerspiegelt. Die Phylogenie spielte bei der Merkmalsevolution eine vernachlässigbare Rolle. Das Auftreten signifikanter Merkmalsunterschiede zwischen den Lebensweisen sowie allometrischer Anpassungen aufgrund Veränderungen in der Körpermasse hingen von dem jeweiligen Merkmal ab. Bei einigen Merkmalen unterschied sich der Einfluss der Körpermasse signifikant zwischen den einzelnen Lebensweisen, was aber nicht die Regel zu sein scheint. Die Evolution homoplastischer Morphologien war sehr unwahrscheinlich bei den fossoriellen Gruppen. Diese Ergebnisse deuten auf eine komplexe, aber adaptive Evolutionsgeschichte dieser Skelettelemente bei den Sciuromorpha hin. / The vertebrate locomotor apparatus of Sciuromorpha, a monophyletic group of ca. 300 species, was used to investigate the effect of lifestyle and body mass on the scapular and femoral morphology. This rodent clade displays a broad diversity of lifestyles (arboreal, fossorial, aerial) and body masses spanning three orders of magnitude. The fossorial lifestyle evolved most probably three times independently from an arboreal ancestor. More than half of the extant species were included. Scapulae were photographed and computed tomography (CT) and surface laser scans were acquired for the femora. Functionally relevant traits were analysed, e.g., the effective length of the skeletal element, the properties of attaching muscles as inferred from the geometry of the bones, and robustness properties. The CT scans were used to analyse the cross-sectional and trabecular properties of the femur. Bone shape was investigated using geometric morphometrics. Phylogenetic comparative methods were utilized, e.g., to assess phylogenetic inertia and whether the independent acquisition of a fossorial lifestyle is reflected in the evolution of homoplastic morphologies. Phylogenetic inertia played a neglectable role in the trait evolution. Significant differences among lifestyles as well as allometric scaling adjustments depended on the trait under consideration. For some traits, scaling differed significantly among lifestyles, although this did not appear to be the rule. Morphological homoplasy was unlikely among the fossorial groups. The results suggest a complex, but adaptive evolutionary history of these skeletal elements in Sciuromorpha.

Ionenkanäle leiten Ionenströme über neuronale Membranen, wodurch Aktionspotentiale erzeugt und weitergeleitet werden. Sie spielen eine zentrale Rolle bei der Regulierung der Erregbarkeit und des Aktivierungsverhaltens von Neuronen. KCNQs sind eine wichtige Familie von spannungsgesteuerten Kaliumkanälen; ihre Dysfunktion kann zu verschiedenen neurologischen Krankheiten führen, einschließlich Erkrankung an Epilepsie und Taubheit. Es wurde gezeigt, dass KCNQ2 und KCNQ3 den M-Strom verantwortlich sind. Letzterer ist für die Regulierung des repetitiven Feuerns von Pyramidenzellen entscheidend. Im Gegensatz zu KCNQ2, ist die funktionelle Bedeutung von KCNQ3 noch nicht aufgeklärt. In dieser Arbeit zeigen wir mittels extrazellulärer Elektrophysiologie in vivo, dass bei konstitutiven Kcnq3 Knockoutmäusen die hippokampalen Pyramidenzellen vermehrt burstartig feuern. Außerdem weisen diese Tiere eine verminderte Spike-Frequenz-Anpassung auf und die Wahrscheinlichkeit des Burst-Feuerns während zwei verschiedener Oszillationen – Theta gegen Nicht-Theta – kann nicht mehr unterscheiden werden. Des Weiteren zeigen Kcnq3-Knockout- Pyramidenzellen während der Theta-Oszillation weder eine dominante Phasenpräferenz, noch eine Koordination ihrer Burst-Feuerung. Die Thetawellen Phasenpräzision tritt weiterhin bei dem vorübergehend verstärkten Feuern auf. Das räumliche selektive Feuern von mutmaßlichen Ortszellen blieb auch bei den Knockout-Mäusen erhalten, aber es ist hauptsächlich vom Burst- Feuern abhängig. Diese Studie zeigt, dass der KCNQ3-Ionenkanal eine wichtige Rolle bei der Regulierung der neuronalen Erregbarkeit und der Informationsverarbeitung spielt, und gibt damit Einblicke in die Bedeutsamkeit der KCNQ3-Ionenkanäle bezüglich der neurologischen Störungen. / Ion channels conduct ion flows across neuronal membrane whereby action potential is generated and propagated. They play a central role in regulating the excitability and firing behavior of a neuron. Among them, the KCNQs present a prominent family of voltage-gated potassium channels. Dysfunction of KCNQ2–5 channels can lead to varied neurological diseases including early onset epilepsy and deafness. In cortex and hippocampus, KCNQ2 and KCNQ3 have been demonstrated to underlie the non-inactivating M-current critical for controlling the repetitive firing of pyramidal cells. However, the functional significance of KCNQ3, unlike that of KCNQ2, remains elusive. Here, by applying in vivo extracellular electrophysiology in Kcnq3 constitutive knockout mice and the wild-type littermates, we find that hippocampal pyramidal cells lacking KCNQ3 exhibit increased burst firing. Moreover, the spike frequency adaptation of their bursts is diminished, and the burst propensity during two different field oscillations – theta versus non-theta – becomes indistinguishable. During theta oscillations, Kcnq3 knockout pyramidal cells no longer display unimodal phase preference and do not coordinate their burst firing. But phase advancement along successive theta cycles continues to occur at times of transiently intensified firing. The selective firing of place cells is largely preserved in the knockout while mainly relying on bursts. These results suggest that KCNQ3 channels indeed play a significant and specific role in regulating the neurons’ excitability and information processing, thus providing crucial mechanistic insights into the relevance of the KCNQ3 channels in neurological disorders.

Ionotrope Glutamatrezeptoren steuern exzitatorische Prozesse im Gehirn. Der AMPA-Rezeptor ist der schnellste Glutamatrezeptor und reguliert die Signaltransduktion in hochfrequenten Bereichen. Um die Konformationen des Rezeptors für die Aktivierung aufzuschlüsseln, wurden die Ligandenbindedomänen (LBD), mit künstlichen Metallbrücken verlinkt. Die tetramerische LBD-Schicht hat mehrere Freiheitsgrade. Sie reichen vom Schließen der LBD durch Ligandenbindung, bis hin zu den verschiedenen Konformationsmöglichkeiten innerhalb des Tetramers. Die bereits publizierte T1-Mutante wurde verlinkt und auf Einzelkanalebene elektrophysiologisch untersucht. Anschließend wurde T1 mit einer Mutante (DKD-3H) verglichen die durch molekulardynamische Simulationen identifiziert wurde. Die Eigenschaften von T1 und DKD-3H wurden mit einem natürlich vorkommenden AMPAR-Linker, namens Con ikot ikot, verglichen. Meeresschnecken der Gattung Conus setzen das Polypeptid zur Fischjagd ein. Zur Analyse wurde eine Software entwickelt, speziell für Ströme von ligandengesteuerten Ionenkanälen mit multiplen Leitfähigkeiten (www.github.com/AGPlested/ASCAM). Durch Verlinkung in T1 konnten drei präaktive Konformationen aufgeschlüsselt werden und die schnelle Aktivierung im sub-Millisekundenbereich verschwindet ganz. Obwohl die Metall-koordinierenden Residuen von T1 und DKD-3H nah beieinander liegen, konnte für DKD-3H nur eine einzelne präaktive Konformation gefunden werden. Es deutet darauf hin, dass die LBD-Schicht von AMPA-Rezeptoren hochdynamisch ist da die geringe Abweichung große Auswirkungen auf den Phänotypen des Rezeptors hat. LBD-Verlinkung mit Con-ikot-ikot ergab einen EC50 von ~5 nM. Alle drei Verlinkungsarten resultierten in einer reduzierten Offenwahrscheinlichkeit. Einzelkanalanalysen von T1 und Con-ikot-ikot-gebundenen AMPA-Rezeptoren unterstützen die Hypothese, dass die veränderten Phänotypen aus dem Wechselspiel der LBDs innerhalb der LBD-Schicht resultieren. / Ionotropic glutamate receptors (iGluRs) mediate excitatory neurotransmission in the mammalian brain. The AMPA-type receptor is the fastest iGluR member, activating at the sub-millisecond time scale. In this study, ligand-binding domains (LBDs), where AMPAR activation is initialised, were cross-linked with artificially introduced metal bridges to trap and investigate conformational states of the receptor before- and during activation. The tetrameric LBD layer has multiple degrees of freedom, from closure of individual clamshells and their conformational arrangement within the dimers and the tetramer. The previously studied T1 mutant was cross-linked at the single-channel level and compared to a second cross-linking mutant (DKD 3H) that was predicted on a molecular dynamics approach. T1 and DKD 3H were to the effects of a naturally occurring AMPAR-specific LBD cross-linker (Con ikot ikot) from a fish-hunting snail of the genus Conus. Single-channel recordings were analysed with a newly developed software dedicated to ligand-gated ion channels with conductances in the low pA range and multiple subconductance levels (www.github.com/AGPlested/ASCAM). Trapping of the T1 mutant revealed three pre-active conformational states that were not described for AMPARs before. Fast activation in the sub-millisecond range disappears fully indicating that these conformations proceed too fast in non-restricted wild-type receptors to be resolved. Although the metal-coordinating residues of T1 and DKD 3H are in close proximity, DKD 3H yielded one single pre-active state. A slightly distinct register of the bridge results in largely different phenotypes. Cross-linking with con ikot ikot identified an EC50 of ~5 nM. All three cross-linking approaches reduced open probability. The results support the hypothesis that the altered phenotypes are not a result of singly restricted LBDs but the dynamics of the tetrameric LBD-layer as one unit.

Tunicata umfasst 3000 marine Arten, mit sehr unterschiedlichen Lebensstrategien. Als eines der drei großen Taxa innerhalb der Chordata, stellt die Evolution der Tunikaten eine Schlüsselkomponente bei der Aufklärung der Evolution der Chordaten und Cranioten dar. Dafür ist ein Verständnis der Merkmalstransformationen innerhalb der Tunikaten notwendig. Leider sind die internen Verwandtschaftsverhältnisse der fünf großen Tunikatentaxa in verschiedenen molekularphylogenetischen Studien widersprüchlich. Bisher gibt es nur wenige morphologische phylogenetische Analysen. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung neuroanatomischer Merkmale, da das Nervensystem wahrscheinlich phylogenetische Informationen enthält. Durch das Anwenden moderner morphologischer Methoden, wie hochauflösende konfokale Laserscan- und Elektronenmikroskopie (REM und TEM), und 3d Rekonstruktionen basierend auf lichtmikroskopischen Schnitten, wurde die Verfügbarkeit neuroanatomischer Daten wesentlich verbessert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Variation neuroanatomischer Merkmale größer ist als bisher angenommen und dass sich die Gehirnanatomie und die Verteilung von Neurotransmittern in den zwei Stadien der Thaliaceen unterscheidet. Neue unabhängige Merkmale des Nervensystems wurden in einer Matrix kodiert. Ergänzt mit traditionellen in der Tunikatentaxonomie verwendeten Merkmalen, entstand die bisher umfangreichste morphologische Datenmatrix, die 116 Merkmale für insgesamt 54 Arten umfasst. Die kladistische Analyse ergab monophyletische Tunicata, in denen die Appendicularia die Schwestergruppe der übrigen Tunikaten bildet. Ascidiacea ist monophyletisch, während „Thaliacea“ paraphyletisch ist. Zusätzlich wurde eine kombinierte phylogenetische Analyse basierend auf den morphologischen Daten und 18S rDNA-Sequenzen durchgeführt. Eine stufenweise stärkere Gewichtung phänotypischer Merkmale zeigt, dass die morphologischen Daten das Ergebnis der kladistischen Analyse stark beeinflussen. / Tunicata comprises 3000 marine species with diverse life-history strategies. As one of the three major chordate taxa, the evolution of tunicates plays a key role to elucidate chordate and craniate evolution. Therefore, a broader understanding of character transformations within tunicates is essential, but the interrelationships of the five main tunicate subtaxa in previous molecular phylogenetic analyses were contradictory. Morphological phylogenetic analyses are rare. In this comparative study emphasis was given to neuroanatomical characters, as the nervous system probably contains phylogenetic information. Applying modern morphological techniques like high-resolution confocal laser scanning microscopy and electron microscopy (SEM and TEM), serial sectioning for light microscopy, and digital 3d reconstruction, the number of available tunicate neuroanatomical data was considerably increased. It was revealed that the variation of neuroanatomical characters is higher than previously assumed, a specific pattern of serotonin-like immunoreactive cells in ascidians is present, and that brain anatomy and distribution of neurotransmitters in the two thaliacean life-cycle stages differs. Novel independent characters of the central nervous system were coded in a matrix for a cladistic analysis. Including traditional morphological from tunicate literature this effort resulted in the largest morphological data matrix to date, containing 116 phenotypic characters and 54 species. The cladistic analysis resulted in monophyletic Tunicata, with Appendicularia the sister taxon to the remaining tunicates. Furthermore, the monophyly of Ascidiacea is supported, whereas “Thaliacea” are paraphyletic. An additional phylogenetic analysis combining morphological and 18S rDNA-sequence data was performed. A reevaluation of this dataset with a successively increased weighting of the phenotypic data showed that morphological data strongly influence the outcome of the cladistic analysis.

Zirkuläre RNAs sind eine Klasse endogener, tierischer RNAs. Obwohl sie hoch abundant sind, ist weder ihre Funktion noch ihre Expression im Nervensystem bekannt. Es wurde ein Katalog zirkulärer RNAs in neuralen Proben erstellt. Es konnten tausende zirkuläre RNAs von Mensch und Maus entdeckt und analysiert werden. Zirkuläre RNAs sind außerordentlich angereichert im Säugetiergehirn, ihre Sequenz ist gut konserviert und sie sind häufig gemeinsam in Mensch und Maus exprimiert. Zirkuläre RNAs waren generell höher exprimiert im Verlauf der neuronalen Differenzierung, sind stark angereichert an Synapsen und oft differentiell exprimiert. circSLC45A4 ist die Hauptisoform, die in humanem präfrontalem, embryonalen Cortex von diesem genomischen Lokus exprimiert wird und eine der am höchsten exprimierten zirkulären RNAs in diesem System. Induzierte Verminderung der Expression von circSLC45A4 ist ausreichend, um die spontane neuronale Differenzierung einer humanen Neuroblastomzelllinie zu induzieren. Dies kann durch die verstärkte Expression neuronaler Markergene belegt werden. Verminderung der Expression von circSLC45A4 im embryonalen Mauscortex verursacht eine signifikante Reduktion von basalen Progenitoren. Außerdem wurde eine signifikante Reduktion von Zellen in der kortikalen Platte nach Depletion von circSLC45A4 gemessen. Weiterhin konnten die Ergebnisse im Mauscortex dekonvoliert werden. Dies zeigte die Zunahme von Cajal-Retzius Zellen. Es wird eine Methode vorgestellt, die RNA-Sequenzierung von Einzelzellen mit räumlicher Auflösung zulässt, ohne vorherige Kenntnisse des Systems zu benötigen. 3D-seq vereint die Applikation eines physischen Gitters mit kombinatorischem Indizieren, so dass Einzelzellen individuell und räumlich markiert werden können. 3D-seq wurde an koronalen Schnitten von adultem Mausgehirn etabliert. Die Daten wurden zur Reproduktion des Gewebes in silico genutzt. 3D-seq ein leicht zu adaptierendes Protokoll, das an jedem Gewebe angewendet werden kann. / Circular RNAs (circRNAs) are an endogenous class of animal RNAs. Despite their abundance, their function and expression in the nervous system are unknown. Therefore, a circRNA catalogue comprising RNA-seq samples from different brain regions, primary neurons, synaptoneurosomes, as well as during neuronal differentiation was created. Using these and other available data, thousands of neuronal human and mouse circRNAs were discovered and analyzed. CircRNAs were extraordinarily enriched in the mammalian brain, well conserved in sequence, often expressed as circRNAs in both human and mouse, and sometimes even detected in Drosophila brains. CircRNAs were overall upregulated during neuronal differentiation, highly enriched in synapses, and often differentially expressed compared to their corresponding mRNA isoforms. CircRNA expression correlated negatively with expression of the RNA-editing enzyme ADAR1. Knockdown of ADAR1 induced elevated circRNA expression. Together, a circRNA brain expression atlas and evidence for important circRNA functions is provided. Starting from this catalogue a circRNA, circSLC45A4 was identified. It is the main RNA isoform produced from its genetic locus in the developing human frontal cortex and one of the highest expressed circRNAs in that system. Knockdown of this conserved circular RNA in a human neuroblastoma cell line was sufficient to induce spontaneous neuronal differentiation, measurable by increased expression of neuronal marker genes and neurite outgrowth. Depletion of circSlc45a4 in the developing mouse cortex caused a significant reduction of the basal progenitor pool and increased the expression of neurogenic regulators like Notch2, Foxp2, and Unc5b. Furthermore, a significant depletion of cells in the cortical plate after knockdown of circSlc45a4 was observed. In addition, deconvolution of the bulk RNA-seq data with the help of single cell RNA-seq data validates the depletion of basal progenitors after knockdown of circSlc45a4 in the mouse cortex and reveals an increase in Cajal-Retzius cells. Taken together, a detailed study of a conserved circular RNA that is necessary to maintain the pool of neural progenitors in vitro and in vivo is presented. The developing mouse cortex is a good illustration for a highly spatially organized tissue and why knowledge of spatial information for each cell can be of great importance. However, obtaining transcriptome-wide and spatially resolved information from single-cells has been proven to be a challenging task. Current state-of-the-art experimental methods are either limited by the number of genes that can be detected simultaneously within a single-cell or require preexisting spatial information. Here, 3D-seq, a new experimental technique that allows unbiased, high-throughput single-cell spatial transcriptomics is introduced. 3D-seq combines a physical grid with combinatorial indexing to label single cells of any tissue in a unique way and thereby preserving the approximate spatial localization of any given cell. 3D-seq was applied to coronal slices of adult mouse brain, more than 70 cell types were identified and the 3D-seq data was used to reproduce the tissue in silico with single-cell resolution. Furthermore, 3D-seq is easy to adapt, can be applied to any tissue and can be combined with other technologies.

Das Herz eines Zebrafishs ist bemerkenswert, da es sich nach einer Verletzung vollständig regenerieren kann. Der Regenerationsprozess wird von Fibrose begleitet - der Bildung von überschüssigem Gewebe der extrazellulären Matrix (ECM). Anders als bei Säugetieren ist die Fibrose im Zebrafish nur transient. Viele Signalwege wurden identifiziert, die an der Herzregeneration beteiligt sind. Allerdings sind die Zelltypen, insbesondere Nicht-Kardiomyozyten, die für die Regulation des Regenerationsprozesses verantwortlich sind, weitgehend unbekannt. In dieser Arbeit haben wir systematisch alle Zelltypen des gesunden und des verletzten Zebrafischherzens mithilfe einer auf Mikrofluidik basierenden Hoch-Durchsatz- Einzelzell-RNA-Sequenzierung bestimmt. Wir fanden eine große Heterogenität von ECM-produzierenden Zellen, einschließlich einer Reihe neuer Fibroblasten, die nach einer Verletzung mit unterschiedlicher Dynamik auftreten. Wir konnten aktivierte Fibroblasten beschreiben und Fibroblasten-Subtypen mit einer pro-regenerativen Funktion identifizieren. Darüber hinaus haben wir eine Methode entwickelt, um die Transkriptomanalyse und die Rekonstruktion von Zell-Verwandtschaften auf Einzelzellebene zu kombinieren. Unter Verwendung der CRISPR-Cas9-Technologie führten wir zufällige Mutationen in bekannte und ubiquitär transkribierte DNA-Loci während der Embryonalentwicklung von Zebrafischen ein. Diese Mutationen dienten als zellspezifische, permanente und vererbbare “Barcodes”, die zu einem späteren Zeitpunkt erfasst werden konnten. Mit maßgeschneiderten Analysealgorithmen konnten wir dann Stammbäume der sequenzierten Einzelzellen erstellen. Mit dieser neuen Methode haben wir gezeigt, dass im sich regenerierenden Zebrafischherz ECM-produzierende Zellpopulationen entweder mit dem Epi- oder mit dem Endokardium verwandt sind. Zusätzlich entdeckten wir, dass vom Endokardium abgeleitete Zelltypen vom Wnt-Signalweg abhängig sind. / The zebrafish heart has the remarkable capacity to fully regenerate after injury. The regeneration process is accompanied by fibrosis - the formation of excess extracellular matrix (ECM) tissue, at the injury site. Unlike in mammals, the fibrosis of the zebrafish heart is only transient. While many pathways involved in heart regeneration have been identified, the cell types, especially non-myocytes, responsible for the regulation of the regenerative process have largely remained elusive. Here, we systematically determined all different cell types of both the healthy and cryo-injured zebrafish heart in its regeneration process using microfluidics based high-throughput single-cell RNA sequencing. We found a considerable heterogeneity of ECM producing cells, including a number of novel fibroblast cell types which appear with different dynamics after injury. We could describe activated fibroblasts that extensively switch on gene modules for ECM production and identify fibroblast sub- types with a pro-regenerative function. Furthermore, we developed a method that is capable of combining transcriptome analysis with lineage tracing on the single-cell level. Using CRISPR-Cas9 technology, we introduced random mutations into known and ubiquitously transcribed DNA loci during the zebrafish embryonic development. These mutations served as cell-unique, permanent, and heritable barcodes that could be captured at a later stage simultaneously with the transcriptome by high-throughput single-cell RNA sequencing. With custom tailored analysis algorithms, we were then able to build a developmental lineage tree of the sequenced single cells. Using this new method, we revealed that in the regenerating zebrafish heart, ECM contributing cell populations derive either from the epi- or the endocardium. Additionally, we discovered in a functional experiment that endocardial derived cell types are Wnt signaling dependent.

Der Transkriptionsfaktor CEBPA reguliert Differenzierung und Proliferation in verschiedenen Zelltypen und spielt eine herausragende Rolle in der Hämatopoese. Die CEBPA RNA kann in die lange P42-Isoform oder die N-terminal verkürzte P30-Isoform translatiert werden. Während P42-CEBPA differenzierungsinduzierend wirkt, ist P30 als Inhibitor von P42 und als Onkogen in akuter myeloider Leukämie beschrieben. Die Modularität und Multifunktionalität von CEBPA, die ihn zahlreichen Studien beobachtet wurde, lässt sich möglicherweise durch differentielle Protein–Protein-Interaktionen erklären. Zahlreiche post-translationale Modifikationen (PTMs) und die intrinsisch ungeordnete, flexible Struktur von CEBPA stellen jedoch eine Herausforderung für traditionelle Ansätze in Proteininteraktionsstudien dar. In der vorliegenden Arbeit wird ein neuer, alternativer Ansatz präsentiert, der auf einem in vitro Proteininteraktions-screen auf einer Peptidmatrix (PRISMA) und Biotinligase proximity labelling (BioID) in lebenden Zellen basiert. In einem PRISMA-screen wurden 120 CEBPA Peptide auf Proteininteraktionen mit Proteinextrakt aus myeloiden Zellen untersucht. Im Screen wurden 40 verschiedene CEBPA PTMs inkludiert, unter anderem auch die hier erstmals neu beschriebenen Methylierungen der CEBPA Argininreste R12 und R142. Daten aus dem PRISMA-screen wurden mit BioID Experimenten in myeloiden Zellen validiert, um eine Proteininteraktionslandkarte von CEBPA zu generieren, die 52 bekannte und 68 neue CEBPA Proteininteraktoren umfasst. Hotspots für Proteininteraktionen fallen in evolutionär konservierte CEBPA Regionen und der Vergleich des Bindungsprofils mit publizierten Daten zeigt Ähnlichkeiten zu verwandten Transkriptionsfaktoren der CEBP Familie. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Multifunktionalität von CEBPA von multivalenten Proteininteraktionen in Abhängigkeit von PTMs koordiniert wird, um CEBPA mit dem epigenetischen und transkriptionellen Apparat der Zelle verknüpfen. / The pioneering transcription factor CEBPA plays a lineage-instructing role during haematopoiesis and also regulates proliferation and differentiation in many other cell types. The CEBPA RNA can be translated into a full length (P42-CEBPA) or N-terminally truncated isoform (P30-CEBPA). While P42 induces differentiation in various cell types, the P30 isoform is mostly regarded as a dominant inhibitor of P42-CEBPA and acts as an oncogene in acute myeloid leukaemia. Protein interactions may be the key to explaining the functional plasticity and modularity of CEBPA that has been demonstrated in diverse experimental settings. However, the disordered structure and the numerous post-translational modification sites (PTMs) of CEBPA pose a challenge to traditional protein interaction studies. In the present work, a novel alternative approach is presented that combines an in vitro protein interaction screen on a peptide matrix (PRISMA) with biotin ligase proximity labelling (BioID) in living cells. To this end, 120 CEBPA peptides were probed for protein interactions with PRISMA. The screen comprised 40 different PTMs, including newly identified CEBPA arginine methylation sites. PRISMA data was validated with BioID experiments and generated a detailed CEBPA protein interaction map in myeloid cells. The interactome presented here contains 52 known and 68 novel CEBPA interactors that can now be mapped across the CEBPA sequence in a PTM dependent fashion. Hotspots of protein interaction correlated with conserved regions and comparison with previously published data revealed related binding profiles of homologous CEBP regions. Taken together, the data indicates that the functional plasticity of CEBPs is orchestrated by multivalent protein interactions and PTMs to configure a dynamic CEBP hub that interacts with many partners of the transcriptional and epigenetic machinery.

Angeborene lymphoide Zellen (ILCs) bilden eine Familie von Effektorzellen des angeborenen Immunsystems, denen somatisch rekombinierte Antigenrezeptoren fehlen und die in drei Hauptgruppen eingeteilt werden. In der Embryonalentwicklung spielen Typ 3 ILCs, sogenannte LTi (Lymphoid Tissue inducer) Zellen, eine zentrale Rolle in der Entwicklung von Lymphknoten. ILC3, einschließlich LTi Zellen sind abhängig von dem Master-Transkriptionsfaktor RORgt, was sich in RORgt-defizienten Mäuse durch die Abwesenheit aller ILC3, und auch durch fehlende Lymphknoten äußert. Während postnatale Ko-expression der Transkriptionsfaktoren T-bet und RORgt in ILC3-Subpopulationen fest etabliert ist, ist der Einfluss von T-bet in fötalen ILC3 und auf die Generation von Lymphknoten noch unbekannt. Um diese Mechanismen genau zu untersuchen, wurden fötale ILCs mittels Einzelzell-RNA-Sequenzierung charakterisiert, wodurch eine unerwartete Heterogenität innerhalb der ILC3 mit T-bet-exprimierenden Zellen aufgedeckt wurde. Außerdem wurden PLZF+ ILC-Vorläufer (ILCP) im sich entwickelnden Darm nachgewiesen. Weiterhin, bestätigen diverse Mausmodelle eine Schlüsselrolle für T bet in der Regulation der ILC-Differenzierung und der Entstehung von Lymphknoten. Die zusätzliche genetische Ablation von T-bet in RORgt-defizienten Mäusen beeinflusste Differenzierungsentscheidungen in fötalen ILCP und ermöglichte die Akkumulation von ILCP mit LTi-Aktivität, wodurch die Organogenese von Lymphknoten, unabhängig von RORgt wiederhergestellt wurde. PLZF+ ILCP von RORgt/T-bet-Doppeldefizienten Mäusen bestanden bis ins Erwachsenenalter, wo diese Zellen die Darmbarrierefunktionen durch Produktion von IL-22 wiederherstellten. Darüber hinaus erwies sich RORa als entscheidend für die Entwicklung von PLZF+ ILCP und die damit verbundene Bildung von Lymphknoten. / Innate lymphoid cells (ILCs) represent a family of innate effector cells lacking rearranged antigen receptors, which are classified into three main groups based on their lineage-specifying transcription factors (TF) and effector functions. During embryonic development, the formation of lymphoid organs critically relies on a specific member of group 3 innate lymphoid cells (ILC3), expressing the master transcription factor RORgt and exhibiting lymphoid tissue inducer (LTi) functions. Accordingly, RORgt-deficient mice lack ILC3 and do not generate lymph nodes (LN). While it is established that T-bet is co-expressed with RORgt in a subset of ILC3 emerging postnatally and influencing their differentiation, phenotype and functions, the effect of T-bet on fetal ILC3 biology and its impact on LN generation remains completely unknown. In order to study the role of T-bet in fetal ILC3 differentiation and functions as well as in LN formation, single-cell RNA sequencing and flow cytometry were applied to characterize fetal ILC subsets revealing an unanticipated heterogeneity within embryonic ILC3 and identifying T-bet+ ILC3 subsets within the fetal intestine and mesenteric LN anlage for the first time. Furthermore, PLZF+ ILC progenitors (ILCP) were exposed in the developing mouse intestine. Importantly, using multiple mouse models, a key role for T-bet in regulating ILC differentiation and LN formation was discovered. Specifically, additional deficiency of T-bet in RORgt-deficient mice skewed lineage fate decisions in differentiating fetal ILCP and allowed accumulation of ILCP with LTi activity, thereby rescuing LN organogenesis in a RORgt-independent fashion. PLZF+ ILCP of RORgt/T-bet double deficient mice persisted into adulthood where these cells restored intestinal barrier functions through reinstalled IL-22 production. Moreover, RORa was found to be critical for the development of PLZF+ ILCP and associated LN formation.

Komplette pharmakologische Unterbrechung des Baroreflexes mittels eines Ganglienblockers führt zu einer starken Zunahme der Wirkung vasoaktiver Substanzen auf den Blutdruck. Eine ähnliche Überempfindlichkeit gegenüber vasoaktiven Substanzen ist auch bei Erkrankungen zu beobachten, die mit Schädigungen des afferenten oder des efferenten Schenkels des Baroreflexes einhergehen. Variabilität der Baroreflexfunktion innerhalb der Population trägt somit in erheblichem Umfang zur Variabilität des Ansprechens auf vasoaktive Substanzen bei. Durch Vergleich der Wirkung kreislaufwirksamer Substanzen oder physiologischer Interventionen vor und während Ganglienblockade können zentrale und periphere Effekte voneinander unterschieden werden. Mit dieser Methode können Änderungen der vaskulären Sensitivität und der Pufferfunktion des Baroreflexes bei Krankheitszuständen charakterisiert werden. / Complete pharmacological interruption of the baroreflex using ganglionic blockade is associated with a profound increase in the blood pressure response to vasoactive substances. Similar hypersensitivity to vasoactive substances can be observed in disorders that involve the afferent arc or the efferent arc of the baroreflex. Therefore, interindividual variability in baroreflex function contributes substantially to the variability in the responsiveness to vasoactive substances. Comparison of the response to cardiovascular medications before and during ganglionic blockade can be used to dissect central and peripheral effects. This approach is also useful to characterize changes in vascular sensitivity and in baroreflex buffering function in diseases.