Die einzellige Grünalge Chlamydomonas reinhardtii ist ein vielseitiger Modellorganismus sowohl in der Grundlagenforschung als auch für biotechnologische Anwendung. Für die genetische Veränderung wurden verschiedene Methoden entwickelt, jedoch ist die gezielte Modifikation kerncodierter Gene immernoch sehr schwierig. In dieser Arbeit wird eine Strategie vorgestellt, die es ermöglicht, kerncodierte Gene in Chlamydomonas gezielt mit sequenzspezifischen Zinkfinger-Nukleasen zu verändern. Das COP3-Gen, welches den lichtaktivierbaren Ionenkanal Kanalrhodopsin-1 codiert, diente hierbei als Zielsequenz der für die Deletion hergestellten Zinkfinger-Nukleasen. Um eine Charakterisierung der ZFNs zu ermöglichen, wurde ein Modelstamm generiert, der ein inaktiviertes Markergen enthält. Die Inaktiverung erfolgte hierbei durch Insertion der COP3-ZFN Zielsequenz. Die Transformation dieses Modellstamms mit ZFN codierender Plasmid-DNA und einem Reparatur-Template ermöglichte die Wiederherstellung der Markeraktivität und eine Selektion Antibiotika-resistenter Kolonien. Wenn in diesen Experimenten zusätzlich ein COP3 veränderndes Template benutzt wurde, enthielt 1% der analysierten Klone ein mutiertes COP3-Gen. Der Chlamydomonas Augenfleck ist ein lichtsensitives Organell mit entscheidender Funktion für die phototaktische Orientierung der Alge. Eine Deletionsmutante des Blaulicht-Photorezeptors Phototropin zeigte in Experimenten eine veränderte Regulation der lichtabhängigen Augenfleckgröße. Durch Komplementierung der Phototropin-Dysfunktion konnte der lichtabhängige Regulationsprozess wiederhergestellt werden. Die Expression der Phototropin-Kinasedomäne führte zu einer lichtunabhängigen Reduktion der Augenfleckfläche. Interessanterweise führte auch die Expression der N-terminalen LOV-Domänen zu einer geänderten Regulation des Augenflecks und der Phototaxis. Dies deutet, zusätzlich zur Lichtregulation der Kinasedomäne, auf eine zelluläre Signalfunktion der LOV-Domänen hin. / The unicellular green alga Chlamydomonas reinhardtii is a versatile model for fundamental and biotechnological research. A wide toolset for genetic manipulation has been developed for this alga, but specific modification of nuclear genes is still not routinely possible. Here we present a nuclear gene targeting strategy for Chlamydomonas that is based on the application of zinc-finger nucleases (ZFNs). Initially, we designed a set of ZFNs for targeting the COP3 gene that encodes the light-activated ion channel channelrhodopsin-1. To evaluate the designed ZFNs, we constructed a model strain by inserting a non-functional selection marker interspaced with a short COP3 target sequence into the nuclear genome. Upon co-transformation of this recipient strain with the engineered ZFNs and a DNA repair template, we were able to restore marker activity and select antibiotic resistant clones with active nucleases. In cases where cells were co-transformed with a modified COP3 template, 1% of these clones contained a modified COP3 locus as well. The eyespot of Chlamydomonas is a light-sensitive organelle important for phototactic orientation of the alga. Here we found that eyespot size is downregulated in light. In a strain in which the blue light photoreceptor phototropin was deleted, the light regulation of the eyespot size was affected. We restored this dysfunction in different phototropin complementation experiments. Complementation with the phototropin kinase fragment reduced the eyespot size, independent of light. Interestingly, overexpression of the N-terminal LOV-domains alone also affected eyespot size and phototaxis, suggesting that aside from activation of the kinase domain, they fulfill an independent signaling function in the cell. We propose that phototropin is a light regulator of phototaxis that desensitizes the eyespot when blue light intensities increase.

Chlamydien sind obligat intrazelluläre Bakterien, die sich in einem membranumschlossenen Kompartiment namens Inklusion vermehren. Nach Infektion fragmentiert der Golgi-Apparat der Wirtszelle in kleine Membranstapel. Dies verbessert die Aufnahme von Sphingolipiden und ist deshalb für die chlamydiale Vermehrung essentiell. Die infektionsinduzierte Golgi-Fragmentierung geschieht nach Spaltung des Golgi-Matrix-Proteins Golgin-84. In dieser Arbeit konnte, durch den Vergleich mit bekannten Substraten und Inhibitorstudien, die chlamydiale Protease CPAF (Chlamydia protease-like activity factor) als das Enzym identifiziert werden, das diese Spaltung induziert, abhängig von der Anwesenheit zweier Rab-Proteine, Rab6 und Rab11, die den zellulären Vesikeltransport kontrollieren und zur Inklusion rekrutiert werden. Die Fragmentierung des Golgi-Apparates verhinderte dessen Relokalisierung während der Zellpolarisierung nach Einbringen eines migratorischen Stimulus. Sowohl infizierte als auch Golgin-84-depletierte Zellen migrierten langsamer und randomisiert in einem Motilitätsassay. Die Relokalisierung des Golgi-Apparates konnte durch seine Stabilisierung mittels WEHD oder Rab-Depletion wieder gewonnen werden, was die Zellmotilität teilweise wieder herstellte. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die Infektion außer der Golgi-Reorientierung die Signaltransduktion durch GTPasen beeinflusst. Die Aktivität von Cdc42 in infizierten Zellen war erhöht und die Interaktionen mit vielen ihrer Effektoren laut quantitativer Massenspektrometrie stark verändert. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass CPAF die für Chlamydien lebenswichtige Golgin-84 Prozessierung und Fragmentierung des Golgi-Apparates auslöst. Dies verringert die Mobilität der Wirtszelle, vor allem da der Golgi-Apparat während der Polarisierung nicht mehr ausgerichtet werden kann, des Weiteren durch Modulierung der Protein-Protein-Interaktionen von Cdc42. / Chlamydia are obligate intracellular human pathogens that proliferate inside a membrane-bound compartment called the inclusion. In infected cells, the Golgi apparatus is fragmented into small ministacks that are aligned around the inclusion. This facilitates uptake of host cell sphingolipids and is essential for chlamydial development. Infection-induced Golgi fragmentation happens after processing of the Golgi matrix protein golgin-84. This work could, via comparison with well-known substrates and inhibitor studies, identify the chlamydial protease CPAF (Chlamydia protease-like activity factor) as the enzyme accountable for this cleavage. Golgi Fragmentation depended on two Rab proteins, Rab6 and Rab11, which control vesicle transport and are recruited to the Chlamydia inclusion. As a consequence of Golgi fragmentation, cells lost the capacity to reorient the Golgi apparatus during polarization after a migratory stimulus. Both infected and golgin-84 depleted cells with a permanently fragmented Golgi apparatus displayed decelerated and furthermore randomized migration in a motility assay. Relocalization of the Golgi apparatus could be restored via stabilizing WEHD treatment or Rab depletion which partly rescued cell motility. Moreover, it could be shown that migration signaling via small GTPases was influenced by Chlamydia infection. Infected cells exhibited activation of the small polarity GTPase Cdc42. Numerous interactions with downstream effectors were strongly altered in infected cells according to quantitative mass spectrometry. Particularly, the binding of Cdc42 to migration-associated effectors was decreased. The results of this work show that CPAF, by processing of golgin-84, induces Golgi fragmentation which is vitally important for Chlamydia. This disturbs host cell motility because the Golgi apparatus cannot be reoriented during polarization and, additionally, via the modulation of protein-protein-interactions of Cdc42.