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Untersuchungen zeigen, dass Kinder mit einem Geburtsgewicht und/oder einer Geburtslänge unterhalb der 3. Perzentile der populationsspezifischen Norm (SGA) u. a. ein erhöhtes Risiko für kardiovaskuläre und metabolische Krankheitsbilder haben. Mausembryonen mit einer Funktionseinschränkung der PDPK1 sind überlebensfähig, haben aber ein um 40-50 Prozent vermindertes Längenwachstum als Wurfgeschwister. Im Rahmen dieser Arbeit wurden bei 111 SGA-Kindern mit nachgewiesenem proportioniertem Kleinwuchs ohne Aufholwachstum, dem Phänotyp einer IGF1 Resistenz und einem im Vorfeld ausgeschlossenem IGF1 Rezeptordefekt die Nukleotidabfolge der kodierenden Bereiche der PDPK1 untersucht. Dabei konnte für die Exons 1, 3 und 4, sowie 7 bis 14 eine PCR-Reaktion etabliert werden, wobei das PCR Produkt mittels dHPLC und/oder Sequenzierung untersucht wurde. Methodische Probleme ergaben sich aus der Existenz eines Pseudogen, sodass für die Exons 2-10 eine Vor-PCR etabliert werden musste. Aufgrund der Länge des homologen Bereichs und der damit verbundenen relativ weiten Entfernung zu spezifischen Primerbindungsstellen konnten nicht alle Exons mit ausreichender Spezifität amplifiziert werden. Es wurden insgesamt 6 verschiedene intronische Varianten bei 11 Patienten nachgewiesen, welche bisher in der Literatur noch nicht beschrieben worden sind. Ob oder in wie weit diese Sequenzvarianten eine Rolle bei der Entwicklung des SGA-Phänotyps der Kinder gespielt haben, ist aufgrund der Lokalisation außerhalb der Exons bzw. wegen ihres seltenen Auftretens auch in der Gesundpopulation unklar. Möglich wären z. B. Wechselwirkungen mit Promoterregionen und eine daraufhin eingeschränkte Funktion der Aktivität der PDPK1. Weiterführende methodische Optimierungen oder alternative Analysetechniken sowie die Untersuchung größerer Patientenkollektive mit geeigneten Kontrollgruppen werden helfen, die Relevanz der PDPK1 bei der Ausprägung eines isolierten Minderwuchses bei Patienten mit IGF1-Resistenz zu etablieren.

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Neben dem förderlichen Effekt der Energiegewinnung stellt die Nutzung des Sonnenlichts auch Risiken für Pflanzen dar, insbesondere bei hohen Lichtintensitäten.Um die Balance aus Nutzen und Schaden der Lichtenergie gewährleisten zu können und sich schnell auf sich ändernde Lichtbedingungen einstellen zu können, verfügen Pflanzen über eine Vielzahl von Schutzmechanismen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, mit Hilfe transgener Pflanzen die Rollen der chloroplastidären NADP-abhängigen Malatdehydrogenase (NADP-MDH) und der mitochondrialen Alternativen Oxidase (AOX) im Stoffwechsel von Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. näher zu charakterisieren. Die Analyse von nadp-mdh-knockout (ko)-Mutanten hat dabei auf erstaunliche Art und Weise verdeutlicht, wie flexibel der Metabolismus der Pflanze ist, um die Redoxhomöostase bei hohen Lichtintensitäten aufrecht zu erhalten und oxidative Schäden zu vermeiden. Überraschenderweise wurden bei diesen Mutanten selbst beim Wachstum unter hohen Lichtintensitäten keine Unterschiede zu entsprechenden Wildtyp (WT)-Pflanzen sichtbar. Jedoch konnten im Rahmen dieser Arbeit drei kompensatorische Stoffwechselwege aufgedeckt werden, welche die nadpmdh-ko-Pflanzen unter Starklichtbedingungen vor Photoinhibition schützen. So können die Mutanten durch eine erhöhte Aktivität des NTRC-Systems, höhere Photorespirationsraten und die Akkumulation von Prolin im Starklicht für den Erhalt der Redoxhomöostase sorgen und den Verlust der NADP-MDH ausgleichen. Zusätzlich wurden Untersuchungen zur Regulation der NADP-MDH-Expression durchgeführt. Die dazu durchgeführten Analysen der Promotorregion des NADP-MDH-Gens (At5g58330) bestätigten die Hypothese, dass regulatorische Elemente, die das komplexe Expressionsmuster der NADP-MDH in A. thaliana kontrollieren, im Laufe der Evolution in die kodierende Region des Gens verlagert wurden. In einem weiteren Ansatz wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit aox1a-ko-Mutanten untersucht. Eine Inhibition des Cytochrom-Wegs unter Verwendung von Antimycin A (AA), welches in WT-Pflanzen die Expression von AOX1A induziert, führte zu erheblichen Differenzen zwischen aox1a-ko-Mutanten und WT-Pflanzen. Zusammenfassend geben die Befunde eindeutige Hinweise darauf, dass die AOX1A-Isoform in A. thaliana insbesondere unter Stressbedingungen eine entscheidende Aufgabe bei der „Entsorgung“ überschüssiger Reduktionsäquivalente aus den Chloroplasten übernimmt. Auf diese Weise kommt der AOX1A-Isoform eine besondere Bedeutung bei der Optimierung der Photosyntheserate bzw. dem Schutz der photosynthetischen Elektronentransportkette vor Überreduktion zu. Des Weiteren wurde herausgefunden, dass das Fehlen des AOX1A-Isoenzyms nach AA-Behandlung in A. thaliana zu einer erhöhten Expression der AOX1D-Isoform führt.

Die Verknüpfung einer exergonischen mit einer endergonischen Reaktion zur Ermöglichung der letzteren ist eine in biologischen Systemen weit verbreitete Strategie. Energetisch benachteiligte Elektronenübertragungsreaktionen im Rahmen der reduktiven Aktivierung von Nitrogenasen, Radikal-abhängigen β,α-Dehydratasen, der zu diesen verwandten Benzoyl-CoA-Reduktasen und diversen Cobalamin-abhängigen Methyltransferasen sind gekoppelt an die Hydrolyse von ATP. Der Methylgruppentransfer des reduktiven Acetyl-CoA-Weges von Carboxydothermus hydrogenoformans erfordert den Co(I)-Zustand des Corrinoid/Eisen-Schwefel Proteins (CoFeSP). Um diese superreduzierte Form nach einer oxidativen Inaktivierung zu regenerieren ist ein „Reparaturmechanismus“ erforderlich. Ein offenes Leseraster (orf7), welches möglicherweise für eine reduktive Aktivase von Corrinoid Enzymen (RACE) kodiert, wurde in dem Gencluster der am reduktiven Acetyl-CoA-Weg beteiligten Proteine entdeckt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde dieses potenzielle RACE Protein biochemisch und strukturell charakterisiert und die ATP-abhängige reduktive Aktivierung von CoFeSP untersucht. Auf Grundlage der in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse wurde ein Mechanismus für die ATP-abhängige Aktivierung entworfen. Dieser gibt Einblicke wie die durch ATP-Hydrolyse bereitgestellte Energie einen energetisch ungünstigen Elektronentransfer ermöglichen kann. Hierzu kombiniert RACo das Ausgleichen von Bindungsenergien mit Modulationen am Elektronenakzeptor. Eine vergleichbare Strategie wurde bisher in keinem anderen ATP-abhängigen Elektronenübertragungssystem wie dem von Nitrogenasen, Radikal-abhängigen β,α-Dehydratasen oder Benzoyl-CoA-Reduktasen beobachtet und könnte ein für RACE Proteine allgemein gültige Eigenschaft darstellen. / The principle of coupling an exergonic to an endergonic reaction to enable the latter is a widespread strategy in biological systems. Unfavoured electron transfer reactions in the reductive activation of nitrogenases, radical-dependent β,α-dehydratases and the related benzoyl- CoA reductases, as well as different cobalamin-dependent methyltransferases are coupled to the hydrolysis of ATP. The reductive acetyl-CoA pathway of Carboxydothermus hydrogenoformans relies on the superreduced Co(I)-state of the corrinoid/iron-sulfur protein (CoFeSP) that requires a “repair mechanism” in case of incidental oxidation. An open reading frame (orf7) coding for a putative reductive activase of corrinoid enzymes (RACE) was discovered in the gene cluster of proteins involved in the reductive acetyl-CoA pathway. In this work, this putative RACE protein was biochemically and structurally characterised and the ATP-dependent reductive activation of CoFeSP was investigated. Based on the results of this study, a mechanism for the ATP-dependent reactivation of CoFeSP was deduced providing insights into how the energy provided by ATP could trigger this unfavourable electron transfer. The reductive activator of CoFeSP combines balance of binding energies and modulations of the electron acceptor to promote the uphill electron transfer to CoFeSP. A comparable strategy has not been observed in other ATP-dependent electron transfer systems like nitrogenases, radical-dependent β,α-dehydratases and benzoyl- CoA reductases and could be a universal feature of RACE proteins.

In der Forschung dient die Hauskatze als Modellspezies für die Entwicklung und Verbesserung assistierter Reproduktionstechniken (ART) für wildlebende Katzenarten, von denen die meisten der 36 Arten auf der Roten Liste für bedrohte Tierarten als gefährdet eingestuft sind. Eine erfolgreich angewandte Methode der ART bei Hauskatzen ist die In-vitro-Produktion von Embryonen. Allerdings gestaltet sich die Übertragbarkeit der Protokolle auf andere Feliden aufgrund speziesspezifischer reproduktionsbiologischer Besonderheiten oft sehr schwierig. Das Ziel dieser Doktorarbeit war daher die Charakterisierung des felinen Oviductins, ein Glykoprotein, welches ausschließlich im Eileiter exprimiert wird und das in mehreren Studien bei anderen Tierarten einen positiven Effekt auf die Interaktion der Gameten, Befruchtung, Teilungsraten und Embryonalentwicklung gezeigt hat. Die feline Oviductinsequenz konnte in der vorliegenden Arbeit vollständig identifiziert werden. Sowohl auf mRNA- als auch auf Proteinebene zeigte sich eine zyklusabhängige Expression von Oviductin im Eileiter mit höchsten mRNA-Kopienzahlen bzw. höchster Proteinsynthese während des Östrus. Für funktionelle Studien wurde eine Methode zur Herstellung eines rekombinant exprimierten Oviductins in E.coli etabliert. Die Anwesenheit des rekombinanten Proteins führte zu einer signifikant höheren Spermienbindung an die Zona pellucida feliner Eizellen. Die Zugabe des rekombinanten Proteins während der In-vitro Fertilisation (IVF) hatte keinen Einfluss auf die Teilungs- oder Entwicklungsraten der Embryonen, allerdings zeigten Blastocysten, die sich aus einer IVF mit Oviductin entwickelten, eine signifikant höhere Expression des gap junction protein alpha 1 Gens, was für eine verbesserte Embryonenqualität spricht. / The domestic cat serves as a model to develop and improve assisted reproductive techniques for wild felid species from which most of them are listed on the IUCN Red List of threatened species. In-vitro embryo production is successfully applied for the domestic cat but adaption to other felids, caused by their diversity in reproductive physiology, is often difficult. The biggest challenge is to create an in-vitro environment as near as possible to in-vivo conditions within the oviduct where final maturation of gametes, fertilization and early embryo development occur. Therefore, the aim of this doctoral thesis was to characterize feline oviductin, a glycoprotein which is exclusively expressed in the oviduct. Several functional studies with other species could show an influence of oviductin on gamete interaction, fertilization, cleavage rates and embryo development. In the present work gene sequence of the feline oviductin could be identified. Highest mRNA copy numbers and protein synthesis were detected during oestrus, indicating a cycle-dependent expression of oviductin in the cat. For functional studies, a method for production of recombinant oviductin in E.coli was established. Sperm-zona binding was significantly higher when recombinant oviductin was present. Addition of oviductin during in-vitro fertilization (IVF) had no effect on cleavage, morula rates or blastocyst development. In contrast, in blastocysts developed from IVF with oviductin, we found a significantly higher mRNA expression of gap junction alpha protein 1, suggesting a higher quality of in-vitro produced embryos.

Obwohl es sehr detaillierte Studien zur Nährstoffretention in einzelnen Auen und Feuchtgebieten gibt, ist die Bedeutung von Auen für die Nährstoffbilanz auf Landschaftsebene wenig untersucht. Dies liegt an dem geringen Wissensstand über die wichtigsten Parameter der Nährstoffretention, nämlich die überflutete Auenfläche sowie die in die Aue strömende Nährstofffracht. Zusätzlich gibt es bislang keinen Ansatz, demzufolge beide Parameter abhängig vom Abfluss, und damit variabel für verschiedene zeitliche Einheiten, berechnet werden können. Aus diesem Grund analysiert diese Arbeit die Überflutungshäufigkeiten der Auen von drei Flüssen, Elbe, Main und Rhein. Darauf aufbauend wird eine Abhängigkeit zwischen der überfluteten Fläche und dem Abfluss empirisch abgeleitet, die auf detaillierten Berechnungen der etablierten Software Flys basieren. Ausgehend auf diesen im Folgenden generalisierten Ergebnissen werden eine letztendlich Ereignis basierte mittlere überflutete Auenfläche sowie einströmende Nährstofffracht abhängig vom jeweiligen Abfluss berechnet. Diese und weitere Geoinformationsdaten wie auch Pegel und Gütedaten finden Eingang in jährliche und monatliche empirische Retentionsmodelle. Die berechnete Nährstoffretention in den Auen ist abhängig von der hydrologischen Konnektivität der Auen und dem tatsächlichen Abfluss. Deshalb wird letztendlich das weiterentwickelte Konzept der Ereignis bezogenen Nährstoffretention angewendet und als am realistischsten in Kombination mit hydro-exponentiellen Retentionsmodellen erachtet. Für die naturnahe Elbe werden in Monaten mit Hochwässern bis zu 9% bzw. 10% Retention der transportierten TP bzw. der NO3-N Fracht berechnet. Die Übertragbarkeit dieser Ergebnisse auf eine deutschlandweite Kulisse ist durch die generalisierten Methoden geschaffen. Die vorliegende Arbeit leistet damit einen Beitrag, die Bedeutung der Auen für die Nährstoffbilanz auf Landschaftsebene abhängig von hydrologischen Gegebenheiten zu quantifizieren. / Although there are detailed studies on nutrient retention in single wetlands and floodplains, the role of riparian floodplains for nutrient retention is not investigated very well on a landscape scale, since knowledge on the most important parameters for nutrient retention, inundated floodplains and incoming load, is insufficient. Additionally, a method for describing these parameters as discharge dependent variables is missing. Therefore, the present work analyzes the flooding frequencies on floodplains of three study rivers, Elbe, Main and Rhine. The relation of inundated floodplain extent and current discharge conditions based on detailed results of the established Software Flys is deduced empirically. Based on these subsequently generalized results, finally event related average inundated floodplain extent respectively, incoming nutrient loads are calculated by considering the effects of the hydrologic conditions of each river system. Therefore, available geodata as well as data on water quality and discharge is processed and serves as input data for yearly and monthly empirical retention models. The calculated nutrient retention in floodplains varies with hydrological connectivity of the floodplain to the surface waters as well as with the current hydrologic condition of the river system. For this reason the finally developed concept of event related nutrient retention is suggested as the most realistic in combination with hydro-exponential retention models. The Elbe floodplains are the most natural, and in years with high floods nutrient retention in the floodplains contributes up to 9% respectively 10% of the monthly transported load of TP and NO3-N, which is significant. The transfer of the results to a German-wide application is possible due the generalization of the methods carried out. With the presented results the hydrology dependent role of floodplains for nutrient balances in river systems can be quantified on a landscape scale.

Abstracts gewinnen als Mittel zur Bewältigung der Informationsflut zunehmend an Bedeutung. Die verkürzte Darstellung eines Originalwerkes in Form eines abstracts aber auch im Rahmen von Opernführern, Unterrichtshilfen und Rezensionen kann problematisch sein, wenn das Originalwerk urheberrechtlich geschützt ist und der Urheber der Anfertigung der verkürzten Darstellung nicht zugestimmt hat. Die Arbeit widmet sich der Frage, in welchem Umfang solche verkürzten Darstellungen in urheberrechtlicher Hinsicht zulässig sind. Es wird untersucht, ob verkürzte Darstellungen als abhängige Bearbeitungen im Sinne des § 23 UrhG zu werten sind oder ob eine freie Benutzung nach § 24 UrhG in Betracht kommt. Im Rahmen dieser Abgrenzung ist die dem § 12 Abs. 2 UrhG zugrundeliegende Wertung der Gemeinfreiheit bloßer Inhaltsmitteilungen zu berücksichtigen. Eine abhängige Bearbeitung im Sinne des § 23 UrhG liegt in jedem Fall dann vor, wenn eine verkürzte Darstellung zur Substitution des Originalwerkes geeignet ist. Dies ergibt sich in dogmatischer Hinsicht unmittelbar aus dem in § 11 Satz 2 UrhG verankerten Beteiligungsgrundsatz. Zur Abgrenzung zwischen zulässiger (gemeinfreier) Inhaltsmitteilung im Sinne des § 12 Abs. 2 UrhG und (ohne die Zustimmung des Urhebers) unzulässiger abhängiger Bearbeitung im Sinne des § 23 UrhG wird ein Katalog objektiver Kriterien entwickelt, durch den die Verwertungsinteressen des Urhebers mit den Informationsinteressen der Allgemeinheit in Einklang gebracht werden können.

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Die LAMMER-Kinasen sind Dual-Spezifität-Proteinkinasen, die durch das namensgebende einzigartige LAMMER-Motiv gekennzeichnet sind. Sie sind evolutionär hoch konserviert und in den meisten Eukaryonten vorhanden. Die vorliegende Arbeit stellt die erste funktionelle Charakterisierung eines bisher kaum erforschten Vertreters der LAMMER-Proteinkinase Familie Kns1 aus der Bäckerhefe dar. Phänotypische Analysen belegten eine entscheidende Rolle für Kns1 in der Regulation der Toleranz gegenüber basischem pH-Stress. Das Entfernen des KNS1 Gens führte zu einer gesteigerten Empfindlichkeit der Zellen gegenüber basischen Wachstumsbedingungen. Weitere Analysen zeigten, dass Kns1 neben der katalytischen Aktivität auch nicht-katalytischen Mechanismen zur Förderung des Zellwachstums unter alkalischem pH-Stress nutzt. Die Reinigung des Kns1 Proteins in voller Länge aus E. coli ermöglichte die Identifizierung von neun in vitro-Autophosphorylierungsstellen mittels Massenspektrometrie. Die Mutation von Thr562, eine Autophosphorylierungsstelle innerhalb des LAMMER-Motivs, zu Alanin ergab in vitro eine Kinase mit intrinsischer katalytischer Aktivität, die sich jedoch in vivo hauptsächlich wie die katalytisch inaktive Kns1-Mutante verhielt. Die Calcium/Calmodulin-abhängige Proteinkinase II Cmk2, die konstitutiv autokatalytische Eigenschaften besitzt, wurde früher als mögliches in vitro Substrat von Kns1 vorgeschlagen. In dieser Arbeit beweise ich durch Verwendung einer katalytisch inaktiven Cmk2-Mutante als Substrat, dass Kns1 Cmk2 in vitro phosphoryliert. Darüber hinaus zeige ich, dass Cmk2 die basische pH-Toleranz der Zellen beschränkt. Gestützt durch genetische Hinweise agieren beide Proteine gemeinsam bei der Regulation der alkalischen Stresstoleranz, wobei Kns1 möglicherweise Cmk2 herabreguliert. Zusammenfassend beschreibt diese Arbeit eine neue und entscheidende Rolle von Kns1 und Cmk2 bei der Anpassung der Hefe an alkalisches Milieu. / The LAMMER protein kinases, termed after a unique signature motif found in their catalytic domains, are an evolutionary conserved family of dual-specificity kinases that are present in most eukaryotes. Here I report the first functional characterization of one of the most unexplored members of the LAMMER family, the budding yeast Kns1. Phenotypic analysis uncovered a crucial role for Kns1 in the control of the yeast tolerance to high pH stress. Deletion of the KNS1 gene conferred high sensitivity to alkaline pH, whereas its overexpression increased tolerance to this stress. Further analysis established that Kns1 promotes growth under alkaline pH stress using not only its catalytic activity but also non-catalytic mechanisms. Large-scale purification of full-length Kns1 from E. coli allowed for the identification of nine in vitro autophosphorylation sites on Kns1 by mass spectrometry. Mutation of the threonine residue at position 562, an autophosphorylation site located within the LAMMER motif, to a non-phosphorylatable residue yielded a kinase that preserves intrinsic catalytic activity in vitro but mostly behaves like the catalytically inactive mutant in vivo. This finding showed the physiological importance of autophosphorylation site Thr562 in the regulation of Kns1 function. The protein Cmk2, a calcium/calmodulin-dependent protein kinase II with autocatalytic properties, has been previously proposed as a possible in vitro substrate for Kns1. Here I demonstrate that Kns1 phosphorylates Cmk2 in vitro using a catalytically inactive Cmk2 mutant as substrate and show that Cmk2 restricts alkaline tolerance. Genetic evidence suggested that both proteins act in concert on a common pathway, in which Kns1 may downregulate Cmk2 to confer alkaline tolerance. In conclusion, this thesis describes a novel and crucial role for Kns1 and its in vitro substrate Cmk2 in the adaptation of yeast to alkaline stress.