Im 1997 wurden der Orphan GPR30 aus HUVECs kloniert, die FSS ausgesetzt waren. In dieser Studie konnte gezeigt werden dass die Expression von GPR30 durch die FSS-Behandlung im Vergleich zu unbehandelten HUVEC-Zellen deutlich induziert wurde. Daraufhin wurde in einer Studie von Isensse et al. die zelluläre und gewebsspezifische Expression von GPR30 in GPR30-LacZ Reportergen-Mäusen untersucht. Es konnte eine Expression von GPR30 vorwiegend in den Endothelzellen der kleinen Arterien verschiedenster Gewebetypen nachgewiesen werden. GPR30 war postuliert dass E2 direkt binden kann und dadurch rasche nicht-genomische Signale vermittelt. Im Gegensatz dazu haben verschiedene andere Veröffentlichungen gezeigt dass E2 nicht spezifisch an GPR30 bindet. Trotz der Kontroverse ob es sich bei GPR30 um einen Östrogenrezeptor oder nicht ist bislang nichts über seine Interaktion zu anderen Proteinen und deren Wechselwirkung bekannt. Deswegen war ein Ziel dieser Arbeit, Interaktionspartner von menschlichen GPR30 zu identifizieren und folglich ein humanes vaskuläres in vitro Modell zu etabliren, um die potentiellen Interaktionen von GPR30 sowie die downstream-Effekte der Wechselwirkung zwischen GPR30 und den neuen Interaktionspartner des vaskulären Modells auf Transkriptebene zu evaluieren. Ein Screening einer humanen kardiovaskulären cDNA-Bibliothek mit Hilfe des Y2H-Systems führte zur Identifizierung mehrerer Interaktionspartner für GPR30 darunter PATJ und FUNDC2. Durch anschließende CoIP konnte die Interaktion von GPR30 mit PATJ validiert werden. Des Weiteren konnte in dieser Arbeit die Wirkung von FSS auf die Expression von GPR30 in HUVECs bestätigt und ebenfalls in weiteren anderen Endothelzellen gezeigt werden. Abschließend wurde die Rolle von GPR30 und PATJ bei der Reaktion auf FSS auf transkriptioneller Ebene in HMEC-1-Zellen genomweit untersucht. Interessanterweise war eine Gruppe von Genen aufgrund von FSS in Zellen die GPR30 überexprimierten dereguliert als alleine durch FSS. / In 1997, the orphan G protein-coupled receptor 30, GPR30, was cloned using HUVECs exposed to FSS. It was shown that the level of GPR30 expression was up-regulated in response to FSS. Subsequently, in a study performed in the laboratory where the work for this thesis was carried out, the cellular and tissue distribution of GPR30 were investigated in GPR30-LacZ reporter mice and the expression was found predominantly in the endothelial cells of small arteries in several tissue types. GPR30, was also claimed to bind 17-β-estradiol (E2) directly and to mediate rapid non-genomic signalling. In contrast, various reports have indicated that E2 fails to bind GPR30 in a specific manner. Despite the controversy on whether GPR30 is an estrogen receptor or not, nothing is known at present about its relation and interaction with other proteins. Therefore, the aim of the work described in this thesis was to identify human GPR30 protein interaction partners and to establish a human vascular in vitro model in order to evaluate the potential role of GPR30 and the downstream effects of the interaction between GPR30 and new interaction partners in a vascular model at transcript level. The screening of a human heart cDNA library using the yeast two-hybrid assay led to the identification of several interaction partners for GPR30, among them PATJ and FUNDC2. These interactions were verified by CoIP experiments and the interaction of GPR30 with PATJ could be confirmed. The effect of FSS on the expression of GPR30 was confirmed in HUVECs and was detected in other endothelial cell types. In HUAECs, HAoECs and HMEC-1 cells GPR30 was also found up-regulated upon FSS, suggesting that GPR30 may indeed play a key role in vascular physiology. Finally, the role of GPR30 and PATJ in the FSS response was investigated at the genome-wide transcript level in HMEC-1 cells. Interestingly, a different panel of genes was deregulated owing to FSS in cells over-expressing GPR30 compared to FSS alone.

Die Zellreplikation ein kontrollierter Prozess aus sequentieller und zeitlich koordinierter Aktivierung und Abbau von Zyklinen, die einen schnellen Übergang zwischen den Zyklusphasen ermöglichen. Dabei ist der Erfolg bei der Ermittlung der wichtigsten Komponenten und Aufgliederung der Schaltmechanismen im Wesentlichen auf die gleichzeitige Anwendung von Modellsystemen wie Hefe, Frosch und Fliege zurückzuführen. Das heutige Verständnis des Zellzyklus muss erweitert werden, um zu überprüfen ob die Erkenntnisse auch auf in-vivo Modelle von Säugetieren wie der Maus zutreffen. Es existieren solche Modelle, die sich auf spezifische Kontrollpunkte oder Übergänge konzentrieren, allerdings noch kein integriertes Modell, in dem der Zellzyklus durch eine Verletzung im Säugetier induziert wird. Das Modellsystem der Leberregeneration bei Nagern wurde gewählt, da es sich durch das am höchsten verbreitete Phänomen der Synchronisation der Zellproliferation auszeichnet. Mit dem Fokus auf die Frage, wie die Zellen durch pro-inflammatorische Signale nach Verletzungen ins Priming in der G1/S Phase eintreten, gingen wir in einen durch Zytokine und Wachstumsfaktoren induzierten Säugetier-Zellzyklus über. Weiterhin wurden mitotische Ereignisse modelliert, die zum Alles-oder-Nichts G2/M Übergang und dem mitotischen Ausgang führen. Wir konzentrieren uns auf die vielversprechende Funktion von Cdh1 in der Zellzykluskontrolle, welches bekanntlich eine Schlüsselrolle in der G1 Phase spielt. Weiterhin haben wir dessen Rolle bei der Verzögerung der G2 Phase untersucht. Wir vermuten eine zentrale Rolle von Cdh1 im Zellzyklus durch die Kontrolle der Dynamik der Zykline. Das Modell ist ein Versuch, die Kernmechanismen der Zellzykluskontrolle bei Säugetieren zu verstehen. Besseres Verständnis der Mechanismen in der Säugetierzelle würde das Studium der Zellphysiologie im Hinblick auf Störungen der humanen Zellzyklusmaschinerie, welche zu Krankheiten wie Krebs führen. / Cell replication is a controlled process with sequential and timely activation and degradation of cyclins leading to swift transitions between the phases of the cell cycle. The essential achievement in identifying the key components and in dissecting the mechanisms of the cell cycle circuitry has been attributed to the simultaneous use of model systems like yeast, frogs, and flies. Present understanding of the cell cycle needs to be extended to investigate whether those findings also apply to mammalian in-vivo models like mice. We chose liver regeneration in mammals as the model system because it is the most synchronised cell proliferation phenomenon, where 95\% of the cells simultaneously enter cell cycle. The G1-S phase transition was modelled, focusing on how injury induced pro-inflammatory signals \textit{prime} the cells in G1 phase and consequently both cytokine and growth factor induced pathways lead to further cell cycle progression. The model was further extended to mitotic events leading to the all-or-none G2-M transition and mitotic exit. I focussed on the emerging role of Cdh1 in the mammalian cell cycle. Cdh1 known for its role in G1 phase was further investigated for its role G2 delay. Cdh1 was suggested to be at the core of the cell cycle machinery controlling cyclin dynamics. This model is an attempt in understanding core machinery of the mammalian cell cycle. Better understanding of the cell cycle control system in mammalian cells would enable understanding perturbations of the human cell cycle machinery which lead to diseases like cancers.

Desmosomen sind hochorganisierte Zell-Zell-Verbindungen. Aufgrund ihrer hohen Adhäsivität sind sie für die mechanische Kopplung und strukturelle Stabilität stark beanspruchter Gewebe von essentieller Bedeutung. Die adhäsive interzelluläre Kernstruktur der Desmosomen wird durch die transmembranen Cadherine des Desmocollin und Desmoglein-Typs gebildet. Deren extrazelluläre Domänen stellen den Kontakt zwischen zwei benachbarten Zellen her. Dsc2 ist neben Dsg2 die prädominante Isoform und wird in allen Desmosomen-bildenden Geweben wie auch dem Herzen exprimiert. Ziel der Arbeit war es, die Rolle von Dsc2 bei der Etablierung und Aufrechterhaltung der desmosomalen Adhäsivität und Gewebeintegrität zu untersuchen. Hierfür wurde ein klassisches Knockout-Mausmodell für Dsc2 etabliert und sowohl basal als auch unter Belastungsbedingungen charakterisiert. Unsere Daten demonstrieren, dass der ubiquitäre Knockout keinen Einfluss auf die Morphogenese des Embryos und die postnatale Entwicklung hat. Dsc2-/- -Mäuse waren lebensfähig und wiesen keinen pathologischen Phänotyp auf. Zudem ließen sich in den Herzen adulter Tiere strukturell unveränderte Desmosomen nachweisen. Dahingegen konnte eine verminderte mechanische Beanspruchbarkeit der Dsc2-/- -Herzen aufgezeigt werden. Unter erhöhter Belastung zeigte sich bereits nach wenigen Tagen eine signifikante Reduktion der kardialen Funktion.Die vorliegende Arbeit zeigt somit erstmalig in vivo, dass Dsc2 entgegen der Lehrmeinung nicht essentiell für die Embryonalentwicklung und die Bildung strukturell intakter Desmosomen ist. Anhand des Funktionsverlustes der adulten Knockout-Herzen unter Belastungsbedingungen lässt sich jedoch eine mögliche Rolle von Dsc2 für die Adhäsivität der Desmosomen postulieren. / Desmosomes are highly organized adhesive intercellular junctions providing mechanical strength and structural stability to several tissues such as skin and heart. The adhesive core of desmosomes is formed by the transmembrane glycoproteins desmocollins (Dsc) and desmogleins (Dsg) which link neighbouring cells via interaction with their extracellular cadherin domains. Dsc2 and Dsg2 are the predominant isoforms ubiquitously expressed in all desmosome bearing tissues including the heart. To elucidate the role of Dsc2 for establishment and maintenance of desmosome adhesion and tissue integrity, we generated a constitutive knockout model of the mouse. The effect of gene inactivation was characterized under basal as well as under stress conditions, using two different stress models. Our data demonstrate that Dsc2 is not required for pre- and postnatal development. Dsc2-/- mice were viable and showed no pathological alterations at embryonic or adult stages. Consistently, Dsc2 deficient cardiomyocytes exhibited distinct and ultrastructural well organized desmosomes. However, mutant hearts displayed a decreased stress resistance. Increased mechanical pressure led to a significant reduction of cardiac function in Dsc2-/- animals. In summary, our results demonstrate for the first time in vivo that Dsc2 is not essential for embryonic development and for the establishment and maintenance of distinct and well organized desmosomes. However, the reduced cardiac function in stressed knockout-mice suggests a crucial importance of Dsc2 for desmosomal adhesive strength.

Genetisch kodierte Photorezeptoren in Modellorganismen begründen die Optogenetik. Sie ermöglicht die nicht-invasive, reversible und räumlich-zeitlich präzise Perturbation von zellulären und physiologischen Signalprozessen durch Licht. Natürliche photoaktivierte Adenylylzyklasen (PACs) steigern die intrazelluläre Konzentration des Botenstoffs zyklischen Adenosinmonophosphats (cAMP) durch Blaulicht. Damit erlauben sie die optogenetische Analyse von cAMP-abhängigen Signalwegen. Diese Arbeit komplementiert PACs durch die synthetische rotlichtaktivierte Phosphodiesterase LAPD zur Degradation von cAMP und zyklischem Guanosinmonophosphat (cGMP). LAPD ist eine Chimäre aus dem photosensorischen Modul von Deinococcus radiodurans Bakteriophytochrom (DrBPhy) und der Effektordomäne der cAMP/cGMP-spezifischen H. sapiens Phosphodiesterase 2A (HsPDE2A). Die Fusionsstelle wurde von den helikalen Linkern zwischen Sensor- und Effektormodulen durch strukturelle Überlagerung abgeleitet. LAPD inkorporierte den Chromophor Biliverdin (BV) nach Expression in E. coli und Reinigung vollständig und entsprach spektral und photochemisch dem Wildtyp-DrBPhy. Durch Bestrahlung mit Rot- und Fernrotlicht (R bzw. FR) wurde LAPD in die metastabilen photochemischen Zustände Pfr (fernrot) bzw. Pr (rot) umgewandelt. Vollständig aktivierte LAPD katalysierte die Hydrolyse von cGMP und cAMP in derselben Größenordnung wie Wildtyp-HsPDE2A. LAPD degradierte cGMP und cAMP bei 6- bzw. 4-facher Steigerung von vmax unter R im Vergleich zu dunkeladaptiertem Enzym. Die Aktivität von R-adaptierter LAPD wurde durch FR reduziert. Die enzymatische Aktivität und Lichtregulation von LAPD-Linkervarianten waren abhängig von der Linkerlänge. LAPD degradierte lichtabhängig cGMP in einer PDE-Reporterzelle. Dabei genügte die endogene BV-Konzentration der Säugerzelle zur Sättigung des Lichteffekts. / Genetically encoded photoreceptors in model organisms establish optogenetics. It enables non-invasive, reversible, and spatio-temporally precise perturbation of cellular and physiological signalling by light. Natural photoactivated adenylate cyclases (PACs) increase the intracellular concentration of the second messenger cyclic adenosine monophosphate (cAMP) under blue light. Hence, PACs allow the optogenetic analysis of cAMP-dependent signalling. This work complements PACs with the synthetic red-light-activated phosphodiesterase LAPD for degradation of cAMP and cyclic guanosine monophosphate (cGMP). LAPD is a chimera made up of the photosensory module of Deinococcus radiodurans bacteriophytochrome (DrBPhy) and the effector domain of cAMP/cGMP-specific H. sapiens Phosphodiesterase 2A (HsPDE2A). The fusion site was derived from the helical linkers between sensor and effector modules via structural superposition. LAPD incorporated the chromophor biliverdin (BV) after expression in E. coli and purification quantitatively, and spectrally and photochemically resembled the wildtype DrBPhy. Upon irradiation with red and far-red light (R and FR, resp.), LAPD was converted to the metastable photochemical states Pfr (far-red) and Pr (red), respectively. Fully activated LAPD catalized the hydrolysis of cGMP and cAMP with rates similar to wildtype HsPDE2A. LAPD degraded cGMP and cAMP with 6- and 4-fold increase of vmax under R, respectively, as compared to the dark state. The activity of R-adapted LAPD was reduced upon irradiation with FR. Enzymatic activity and light regulation of LAPD linker variants depended on the linker length. LAPD light-dependently degraded cGMP in a PDE reporter cell line. Endogenous BV concentrations were sufficient to saturate the light effect in the mammalian cell, which enables a true optogenetic approach.

In den vergangenen Jahren sind Lipide, Membranen und deren Organisationsformen mehr und mehr in den Fokus der biologischen Forschung gerückt. Es wurde vorgeschlagen, dass in zellulären Membranen selbstassemblierende, submikroskopische Aggregate aus Sphingolipiden, Cholesterol und bestimmten Proteinen existieren und man vermutet, dass insbesondere Viren diese “Lipid Rafts” für ihren Zusammenbau nutzen und auf diese Art ihre Proliferationseffizienz erhöhen. Gleichwohl sind die genaue biologische Funktion und auch die molekulare Basis der Assoziation bestimmter Protein mit Lipid Rafts auch weiterhin unbekannt. In der vorliegenden Arbeit wurde Fluoreszenz-Lebenszeit-Mikroskopie genutzt, um die Lipid-Raft-Anreicherung des HIV-1 Glycoproteins gp41 zu untersuchen. Förster-Resonanz-Energietransfer zwischen fluoreszenzmarkierten viralen und Raft-Marker-Proteinen wurde gemessen, um deren gemeinsame, lokale Aufkonzentrierung in Lipid Rafts nachzuweisen. Durch Verwendung verschiedener Deletions- und Mutationsvarianten des Proteins konnte nicht nur seine Lipid-Raft-Präferenz demonstriert, sondern auch das Cholesterol-Bindemotiv (CRAC) als entscheidender Faktor der lateralen Sortierung identifiziert werden. Wir haben in diesem Kontext auch eine systematische Zell-zu-Zell-Variabilität in unseren Daten bemerkt, die einen zugrundeliegenden zellbiologischen Mechanismus der Membranorganisation nahelegt. Mithilfe von Fluoreszenz-Polarisations-Mikroskopie konnte zudem eine klare CRAC-Abhängigkeit der gp41-Oligomerisierung aufgezeigt werden. Die von uns gewonnenen Daten erlauben einen tieferen Einblick in die molekulare Basis und die biologischen Folgen der cholesterol-abhängigen lateralen Proteinorganisation für Virusassemblierungsprozesse an biologischen Membranen. / In recent years, there has been a considerable interest in the molecular organization of biological membranes. It has been hypothesized that self-assembling, freely diffusing, submicroscopic domains consisting of sphingolipids, cholesterol and certain proteins exist and the prevailing view is that those lipid rafts serve as platforms for specific molecular interactions by the preferential exclusion and inclusion of proteins. It was presumed, that in particular viruses make use of plasma membrane lipid rafts to augment the infection process and spread efficiently. However, the exact biological function and physical basis of protein partitioning into microdomains remains an outstanding question in virus biology. In the present study, fluorescence lifetime imaging microscopy was used to study lipid raft partitioning of the HIV-1 glycoprotein gp41 by detecting Foerster Resonance Energy Transfer between fluorescently labeled viral and raft marker proteins in living cells. Plasma membrane microdomain association of gp41 was demonstrated and by introducing systematic mutations and truncations in different gp41 motifs, the cholesterol recognition amino acid consensus (CRAC) was identified as the crucial determinant of the lateral sorting. Interestingly, we observed a systematic cell-to-cell variability in our raft related data that suggests underlying cell-biological mechanisms of membrane organization. Moreover, fluorescence polarization microscopy revealed a distinct CRAC requirement for gp41 oligomerization whereas other properties, such as intracellular distribution and expression efficiency were clearly demonstrated to be CRAC independent. Our data provide further insight into the molecular basis and biological implications of the cholesterol dependent lateral protein sorting for virus assembly processes at cellular plasma membranes.

Unbegrentzte Selbsterneuerungkapazität und Pluripotenz sind charakteristische Merkmale von embryonalen Stammzellen (ES-Zellen). Dennoch sind die molekularen und zellulären Mechanismen, die für das Schicksal der ES-Zellen zuständig sind, noch nicht genau definiert. Um regulierende Faktoren des undifferenzierten Zustands von ES-Zellen zu identifizieren, wurden undifferenzierte ES Zellen, "Embryoid Bodies", spontan differenzierte und mit Retinsäure differenzierte ES Zellen mittels Microarray-Analysen verglichen. Neben bereits etablierten Pluripotenz-Markern, wurde Sprouty4 als eines der am stärksten degerulierten Transkripte unter diesen Bedingungen identifiziert. Sprouty4 ist als Inhibitor des ERK (Extracellular signal-regulated protein kinase)-Signalweges bekannt, aber seine Rolle in ES-Zellen wurde noch nicht definiert. Mittels Genexpression und Western BlotAnalysen konnte gezeigt werden, dass Sprouty4 in undifferenzierten ES-Zellen stark exprimiert ist und im Verlauf der Differenzierung schnell herunterreguliert wird. In vivo war Sprouty4 auf die innere Zellmasse (ICM) der Mausblastozyste beschränkt. Außerdem wurde gezeigt, dass der Sprouty4 Promotor durch direkte Bindung der PluripotenzMarkern Nanog, Klf4 und Stat3 reguliert wird. ES-Zellen, die Sprouty4 konstitutiv exprimieren, waren resistent gegen Differenzierung durch Zugabe von Retinsäure oder Bildung von Embryoid Bodies. Hingegen führte die Expression einer dominant-negativen Mutante von Sprouty4 zu einer erhörten Sensitivierung von ES-Zellen gegenüber der Differenzierung und zur Bildung extraembryonaler Gewebe begleitet von Endoreduplikation. Zusammenfassend konnten unsere Ergebnisse zeigen, dass die enge Regulation des ERK-Signalweges und warscheinlich anderer Signalwege durch Sprouty4 notwendig ist, um die Balance zwichen Pluripotenz und Differenzierung embryonaler Stammzellen zu kontrollieren. / A hallmark feature of embryonic stem (ES) cells is the ability to self-renew indefinitely while maintaining pluripotency. However, the molecular and cellular mechanisms underlying ES cell fate are poorly understood. To identify signaling pathway molecules that maintain the uncommitted state of ES cells, a microarray analysis was performed comparing undifferentiated ES cells, mature embryoid bodies, spontaneously differentiated and retinoic acid-induced differentiated ES cells. Among several well-validated pluripotency markers, Sprouty4 was identified as one of the most highly deregulated transcripts under these conditions. Sprouty4 is known as an inhibitor of the extracellular signal-regulated protein kinase (ERK/MAPK) pathway however its role in ES cells has not yet been defined. Gene expression and western-blot analyses have shown that Sprouty4 is highly expressed in ES cells and strongly downregulated upon differentiation whilst in vivo, Sprouty4 is confined to the founder population of ES cells, the inner cell mass of mouse blastocysts. Moreover, the Sprouty4 promoter was found to be regulated via the direct binding of the intrinsic pluripotency-associated factors Nanog, Klf4 and Stat3. ES cells engineered to constitutively express a wild-type version of Sprouty4 were found to be resistant to differentiation induced by retinoic acid or embryoid bodies formation. Conversely, expression of a dominant negative Sprouty4 mutant activating the ERK/MAPK pathway in a sustained manner sensitized ES cells to differentiation and triggered endoreduplication leading to the formation of extraembryonic tissue. Taken together, these results highlight the essential role of Sprouty4 in the tight regulation of the ERK/MAPK pathway- and probably others- for the balance between pluripotency and lineage commitment in mouse embryonic stem cells.

DNS-Methylierung ist ein zentraler epigenetischer Prozess, der essentiell für die Differenzierung embryonaler Stammzellen ist, über dessen Funktion in somatischen Zellen allerdings wenig bekannt ist. In der vorliegenden Doktorarbeit wurden zwei Mausmodelle analysiert, um die Rolle der durch DNS Methyltransferase 1 (DNMT1) hergestellten DNS-Methylierung im adulten hämatopoetischen System zu untersuchen. Als erstes wurde ein „Knockout“-Modell gewählt, um DNMT1 im hämatopoetischen System zu eliminieren. Des Weiteren wurde eine Mausmutante mit reduzierter DNMT1 Expression analysiert. Die vollständige Entfernung von DNMT1 aus dem hämatopoetischen System adulter Mäuse resultierte in Zytopenie und Anämie, gefolgt vom raschen Tod aller Tiere. Die Analyse des Knochenmarks dieser Mäuse zeigte einen fast vollständigen Verlust von hämatopoetischen Stamm- sowie Vorläuferzellen. Dies zeigt, dass die durch DNMT1 erzeugte DNS-Methylierung essentiell für Homöostase und Differenzierung von hämatopoetischen Stammzellen ist. Mäuse mit reduzierter DNMT1 Expression hingegen sind lebensfähig und zeigen einen niedrigen Grad an DNS-Methylierung in verschiedensten Geweben, einschließlich des hämatopoetischen Systems. Durch eine detaillierte phänotypische und funktionelle Analyse der hämatopoetischen Stammzellen zeigte sich, dass der veränderte DNS-Methylierungsgrad ein vermindertes Selbsterneuerungspotenzial zur Folge hat. Interessanterweise fehlen DNMT1 hypomorphen Mäusen lymphoide Vorläuferzellen sowie reife lymphoide Zellen, wohingegen myeloide und erythroide Zellpopulationen keine Veränderungen zeigten. Genomweite Expressionsanalysen von Stammzellen sowie myeloiden Vorläuferzellen zeigten, dass hypomethylierte Stammzellen eine verfrühte myeloerythroide Entwicklung vollziehen und liefern damit eine Erklärung für den Verlust des Selbsterneurungspotenzials und der lymphoiden Entwicklung. Diese Resultate identifizieren eine bis hierhin unbekannte Funktion von spezifischen DNS-Methylierungsgraden für die Steuerung von funktionellen Programmen wie Selbsterneuerung und Differenzierung in hämatopoetischen Stammzellen. / DNA methylation is one of the major epigenetic mechanisms which is known to play a role in embryonic stem cell fate, but its function in somatic stem cells is not well understood. In this thesis two different genetic mouse models were chosen to address the role of DNA methyltransferase 1 (DNMT1) controlled DNA methylation in adult hematopoiesis. First, a conditional knockout approach was used to delete DNMT1 in the adult hematopoietic system. Second, DNMT1 hypomorphic mice with reduced DNMT1 expression were analyzed. Complete DNMT1 deletion in hematopoietic cells led to severe cytopenia and anemia causing rapid lethality of all animals. Bone marrow analysis revealed an almost complete absence of hematopoietic stem and progenitor cells in DNMT1 ablated primary mice as well as in secondary chimeric mice. These results indicated that DNMT1 controlled maintenance of DNA methylation is indispensable for HSCs preservation and differentiation. In contrast to complete DNMT1 deletion, mice with hypomorphic DNMT1 expression were viable, but showed low methylation levels in multiple tissues including the hematopoietic system. Detailed phenotypical and functional analysis of the hypomethylated hematopoietic stem cell (HSCs) compartment revealed an impaired homeostasis and self-renewal capacity. Intriguingly, mutant animals had profoundly reduced lymphoid cell compartments, whereas myeloid and erythroid compartments were unchanged. Expression profiling of stem and myeloid progenitor cells unexpectedly demonstrated that reduced DNA methylation forces the HSC to adopt a myeloid lineage identity. These results, showing the inability of hypomethylated HSCs to maintain an undifferentiated state, provided an explanation for their disturbed capability to self-renew and produce lymphocytes. Taken together, these findings suggest that distinct levels of DNA methylation are required to control different functional programs such as self-renewal and alternative lineage choices in HSCs, thus uncovering a previously unrecognized function for DNMT1 activity.

KCNE-Hilfsuntereinheiten assoziieren mit Spannungs-abhängigen K+-Kanälen und verändern dadurch deren subzelluläre Lokalisation, Regulation sowie deren biophysikalische Eigenschaften. Bei heterologer Expression interagiert KCNE3 mit mehreren Poren-bildenden K+-Kanal-Hauptuntereinheiten, deren Ströme dadurch stark modifiziert werden. Aufgrund dieser in vitro-Experimente wurden verschiedenste Funktionen von KCNE3 in den verschiedenen Geweben, wie Gehirn, Herz, Muskel, Kolon und Niere, vermutet. Außerdem wurden Variationen im kcne3-Gen mit menschlichen Skelettmuskelpathologien in Verbindung gesetzt (Abbott et al. 2001). In der gegenwärtigen Literatur wird die physiologische Funktion von KCNE3 eher als komplex und heterogen dargestellt. Auch die direkte Beteiligung von KCNE3 an Krankheiten ist immer noch spekulativ. Zur Untersuchung der physiologischen Funktion von KCNE3 in vivo sowie der potentiellen Rolle bei Krankheiten generierten wir ein kcne3-/- Mausmodell. Die vorliegende Arbeit unterstützt die kritische Rolle der KCNQ1/KCNE3-Kanäle beim Salz- und Flüssigkeitstransport über intestinale und respiratorische Epithelien. Insbesondere fanden wir für die KCNQ1/KCNE3-Heteromere eine basolaterale Lokalisation in Darm- und Trachea-Epithelzellen, wo sie die transepitheliale Cl--Sekretion über basolaterales Recycling von K+-Ionen sowie über Erhöhung der elektrochemischen Triebkraft für apikalen Cl--Austritt fördern. Da weder Veränderungen in der KCNQ1-Expressionsmenge noch in dessen subzellulärer Lokalisation festgestellt wurden, ist die durch KCNE3 verursachte Modifikation der KCNQ1-Kanaleigenschaften essenziell für die hier beschriebene physiologische Rolle im Intestinal- und Trachealtransport. Ferner wird von unserer Arbeit die postulierte Funktion von KCNE3-Heteromeren im Skelettmuskel, Herz und zentralen Nervensystem nicht unterstützt und erweckt somit erhebliche Zweifel über den Beitrag von KCNE3 zu menschlichen Krankheiten, die mit diesen Organen in Verbindung stehen. / When overexpressed in heterologous systems, KCNE3 is able to interact with several pore-forming K+ channel alpha subunits greatly modifying their currents. Based on these in vitro evidences, KCNE3 has been proposed to serve different roles in multiple tissues, including brain, heart, muscle, colon and kidney. Additional reports have also linked sequence variations in the KCNE3 gene to cardiac and skeletal muscle pathologies in human. Based on the literature, the overall picture of KCNE3 physiological function is rather complex and heterogeneous, and its direct involvement in pathologies is still speculative and far from being conclusively proven. In order to study the physiological role of KCNE3 in vivo and to address its potential pathological implications, we generated kcne3-/- mice. The present analysis of kcne3-/- mice strongly supports a crucial role of KCNQ1/KCNE3 channels in salt- and fluid secretion across intestinal and airway epithelia. In particular, we found that KCNQ1/KCNE3 heteromers are present in basolateral membranes of intestinal and tracheal epithelial cells where they facilitate transepithelial Cl- secretion through basolateral recycling of K+ ions and by increasing the electrochemical driving force for apical Cl- exit. Because the abundance and subcellular localization of KCNQ1 was unchanged in kcne3-/- mice, the modification of biophysical properties of KCNQ1 by KCNE3 is essential for its role in intestinal and tracheal transport. In addition, our work does not support the postulated role of KCNE3 heteromers in skeletal muscle, heart and CNS physiology, and raises considerable doubts concerning its implication in human pathologies which affect these tissues.

Um die Rolle von Bx42 in der Regulation des Zellzyklus von Drosophila zu verstehen, habe ich die Auswirkungen der Expression von dominant negativen Bx42 Allel in Drosophila Augenimaginalscheiben untersucht, sowie die Auswirkungen der Bx42 Protein Abbau in Drosophila S2-Zellen mit Hilfe der RNA-Interferenz-Methode. In meiner Studie fand ich, dass die Expression von Bx42-SNW, einer abgeschnittenen dominant negative Version von Bx42, in den Augenimaginalscheiben zu kleinen und groben Augen führte. Analyse des Zellzyklus in den betroffenen Scheiben zeigte keine signifikanten Unterschiede in der Anzahl der S-Phase-Zellen, aber eine starke Reduktion der mitotischen Zellen und die Herunterregulation von Cyc A und B Cyc in dem normalen mitotischen aktiven SMW Bereich des Augenimaginalscheibes. Ziel dieser Studie war auch Faktoren zu finden, die den kleinen Augenphänotyp von Überexpression der negativen Form Bx42-SNW modifizieren können. Die definierten Modifikatoren waren E2F / Dp, Rb, Tribbles, Cdk1, Cyclin B3, EGFR, Dpp und Armadillo. Um weitere Einblicke in der Rolle des Bx42 in Proliferation, dsRNA-vermittelte Knockdown der Expression von Bx42 in S2-Zellen verwendet wurde. Zellen, die mit dsRNA behandelt wurden, zeigten eine signifikante Abnahme der Proliferationsraten im Vergleich zu kontrol dsRNA-OFP-Zellen. Zellzyklusanalyse zeigte, dass die Herunterregulation von Bx42 Zellpopulationen in der G1 und G2 Phasen verringerte, gleichzeitig S-Phasen-Zellen durch Zyklusarrest vermehrete, was führte zu einem Zustand, die Zellen unfähig die zellteilung zu vervollständigen. Semi q-RT-PCR ergab, dass die Herunterregulation von Bx42 die Transkription von E2F, Dap, Cyc A und Cyc B beeinflusst. Eine Reduktion von Cyc A und Cyc B auf Proteinebene wurde auch nachgewiesen. / In order to understand the role of Bx42 in cell cycle regulation of Drosophila, I have investigated the effects of the expression of dominant negative Bx42 allele in Drosophila eye imaginal discs, as well as the effects of depleting the Bx42 protein in Drosophila S2 cells by RNAi. In my study, I found that the expression of Bx42-SNW, a truncated dominant negative version of Bx42, in eye imaginal discs resulted in small and rough eyes. Analyzing the cell cycle in the affected discs showed no significant differences in the number of S-phase cells, but a strong reduction of mitotic cells and the downregulation of Cyc A and Cyc B in the normally mitotic active SMW region of the eye disc. This study aimed also at finding factors that modify the small eye phenotype resulting from overexpression of Bx42-SNW in the eye. The defined modifiers were E2F/Dp, Rb, Tribbles, Cdk1, Cyclin B3, EGFR, Dpp and Armadillo. To gain further insight into the role of Bx42 in proliferation, dsRNA-mediated knockdown the expression of Bx42 was employed in S2 cells. Cells treated with dsRNA exhibited a significant decrease in proliferation rates compared to control dsRNA-OFP cells. Cell cycle analysis demonstrated that down-regulation of Bx42 decreased cell populations in the G1& G2 phases simultaneously augmenting S-phase cells by cycle arrest, leading to a state unable to complete cell division. Semi q-RT PCR, revealed that downregulation of Bx42 affects the transcription of E2F, Dap, Cyc A and Cyc B. A reduction of Cyc A and Cyc B was also demonstrated at the protein level.

Kalzium ist ein wichtiger intrazelluläre Botenstoff, der extrazelluläre Signale in zelluläre Antworten übersetzt. Oft werden externen Signale in wiederholte Anstiege der zytosolischen Kalziumkonzentration übersetzt, die als Oszillationen bezeichnet werden. Diese interdisziplinäre Arbeit kombiniert biologische Experimente, analytische Methoden der theoretischen Physik und Computersimulationen, um den Oszillationsmechanismus zu charakterisieren. Von wesentlicher Bedeutung ist dabei die räumlich inhomogene Verteilung der Kanäle, die Kanalcluster bilden. Dies induziert zusammen mit Pumpen große Konzentrationsgradienten in der Nähe von offenen Clustern, was zu einer hierarchischen Organisation führt. Unter diesem Gesichtspunkt erwartet man, dass Kalziumoszillationen stochastisch sind und auf räumlicher Wechselwirkung beruhen. Diese Hypothese wird im ersten Teil der Arbeit experimentell verifiziert, indem Oszillationen vier verschiedener Zellarten analysiert werden. Der Kalziumsignalweg nutzt thermisches Rauschen konstruktiv um globale Signale zu bilden. Dabei werden molekulare Fluktuationen durch die hierarchische Struktur auf die zelluläre Ebene gehoben. Dies steht im Gegensatz zu der jahrzehntelang weitläufigen Auffassung, dass Kalzium ein repräsentatives Beispiel eines zellulären Oszillators ist. Des weiteren macht dieses Ergebnis Kalzium zu einem ersten natürlichen Beispiel für "array enhanced coherent resonance". Im Modellierungsteil dieser Arbeit wird ein physiologisches Modell für die intrazelluläre Kalziumdynamik entwickelt, das die dreidimensionale Struktur von Zellen berücksichtigt. Es verwendet ein detailliertes Kanalmodell und berücksichtigt sowohl Diffusion als auch Reaktionen mit Puffern. Der entwickelte parallele Green''s cell Algorithmus generiert in Abhängigkeit von physiologischen Parametern das gesamte Spektrum der experimentell bekannten Kalziumsignale und spiegelt die experimentellen Daten des ersten Teils in nahezu perfekter Weise wider. / Calcium is an important second messenger in cells serving as a critical link between extracellular stimuli and their cellular responses. The external signals are translated often into repeated increases of the cytosolic calcium concentration what is referred as oscillations. This work uses an interdisciplinary approach combining experimental techniques from biology, analytical tools from theoretical physics and computer simulations to clarify the question of the oscillation mechanism and how cells can generate globally coordinated calcium signals originated from local stochastic channel dynamics. In this context, the spatial inhomogeneous distribution of channels forming channel clusters plays a key role. Together with calcium pumps and buffers, this induces huge functional concentration gradients close to open clusters, leading to a hierarchical organization of calcium signals. Thus, calcium oscillations are predicted to be stochastic and to have a spatial character. This hypothesis is justified experimentally in the first part of this thesis by analyzing calcium oscillations of four different cell types. Hence, calcium signaling constructively uses thermal noise to build global signals. This contradicts the current opinion of the last decades of calcium being a representative cellular oscillator. Moreover, this makes calcium a first natural example of array enhanced coherent resonance. In the modeling part of this work, a physiological model for intracellular calcium dynamics in three spatial dimensions is developed that takes the spatial arrangement of cells seriously. It uses a detailed channel model for the discrete release sites and takes into account diffusion and buffer interaction of calcium. In dependence on physiologic parameters, the developed parallel Green''s cell algorithm generates in a natural way the whole spectrum of experimentally known calcium signals and fits the experimental data of the first part in an almost perfect manner.