Ubiquitinierungen sind dynamische, posttranslationale Proteinmarkierungen, die eine Vielzahl zellulärer Reaktionen hervorrufen. Die strukturell unterschiedlichen Signale werden von einer Ubiquitinierungsmaschinerie, bestehend aus E1-, E2- und E3-Enzymen, aufgebaut. Die Synthese von Polyubiquitin wird durch ubiquitinbindende Domänen (UBD) innerhalb der enzymatischen Kaskade stimuliert. Das E2-Enzym Ubc7 katalysiert zusammen mit dessen Kofaktor Cue1 die Polymerisierung von Ubiquitineinheiten und kennzeichnet Substratproteine mit Lysin 48 (K48)-ver¬knüpf¬ten Ubiquitinketten für den Endoplasmatische Retikulum-assoziierten Proteinabbau (ER-associated protein degradation, ERAD). In dieser Arbeit konnte mittels in vitro rekonstitu¬ierter Ubiquitinierungsreaktionen die Funktionsweise der ubiquitinbindenden CUE-Domäne von Cue1 während der Synthese von Polyubiquitin aufgeklärt werden. Verlängerungs¬reaktionen von Ubiquitinketten konnten durch Fluoreszenzmessungen verfolgt und die CUE-Domäne als Substratrezeptor von Ubc7 beschrieben werden. Anscheinend erhöht die Ubiquitin¬bindung durch Cue1 die lokale Konzentration von Ubc7 an den Ketten und positio¬niert das E2-Enzym effizient für die Übertragung der gebundenen Ubiquiti-neinheit. Die Reaktionen werden durch eine Bindungspräferenz der Cue1-CUE-Domäne für K48-ver¬knüpfte Ubiquitinmoleküle zusätzlich beschleunigt. Es ist bekannt, dass UBDs Ubiquitin¬signale entschlüsseln. Die Charakterisierung der CUE-Domäne beschreibt eine Notwendigkeit der Bindung von Ubiquitin bereits während der Entstehung von Polyubiquitin. Neben den E3-Ubiquitinligasen existieren Deubiquitinasen (DUB), die an der Reifung und dem Abbau von Ubiquitinsignalen beteiligt sind. Die proteasomalen DUBs Ubp6 und Rpn11 zeigen basale Aktivitäten in Isolation, die eingebunden in den 26S-Komplex moduliert werden. Fluoreszenz-basierte Untersuchungen von Kettenabbaureaktionen lassen erste Schlüsse über die Spezifitäten und die Abbaumechanismen der Enzyme zu. / Polyubiquitination is an essential process modulating protein function in eukaryotic cells. Only recently ubiquitin binding activity has emerged as an important factor in ubiquitin chain assembly. Cue1 is a crucial component of yeast endoplasmic reticulum associated protein degradation complexes which recruits and activates the E2 ubiquitin conjugating enzyme Ubc7. Our NMR solution structure reveals an unconventional CUE domain of Cue1 that substantially stimulates ubiquitin chain elongation by Ubc7.Results from NMR analysis combined with interaction studies and in vitro ubiquitination reactions imply that binding of CUE to a ubiquitin moiety adjacent to the acceptor ubiquitin is a prerequisite for rapid chain elongation. By this mode of action, the CUE domain counteracts the inability of associated Ubc7, to progressively elongate ubiquitin chains. Elongation of K48-linked ubiquitin chains is additionally accelerated since the CUE domain preferentially binds chains of K48-linkage. Our data support a model, where dynamic binding of ubiquitin chains assist to position Ubc7 for rapid elongation of K48-linked chains. Thus, the CUE domain acts as acceleration factor of elongation. Our study provides detailed mechanistic insight into how a ubiquitin binding domain governs polyubiquitin chain formation.

Ubiquinol-cytochrome c reductase (complex III) is a central component of the respiratory chain of the inner mitochondrial membrane. It transfers electrons from reduced ubiquinone to ferricytochrome c. Correctly assembled and functional complex III is an essential prerequisite for oxidative energy metabolism. Complex III deficiency has been reported to be associated with several neurodegenerative diseases. Formation and assembly of complex III requires a multitude of specific nuclearly encoded proteins. For example, gene specific translational activators for cytochrome b synthesis as well as three non-subunit proteins, which are important for assembly and/or stability have been detected. The role of Bcs1p in assembly of Rieske FeS protein and Qcr10p into complex III has been clasified recently. The role of the two putative chaperones, Cbp3p and Cbp4p, is not known. In spite of the similar phenotype of cbp3D and cbp4D strains, that suggests the role of both proteins in the same step of complex III assembly, we were able for the first time to demonstrate differences on the molecular level between both deletion mutants. We show by BN-PAGE that cbp3D and cbp4D mutants are disturbed in complex III assembly and accumulate intermediate-sized forms of the complex. Moreover deletion of CBP3 interferes with the formation of complex III/IV supracomplexes. Our studies show that Cbp3p and Cbp4p interact and are present in high molecular weight complexes, some of which might represent intermediates of complex III assembly. Overexpression of Cbp4p cannot substitute for the function of Cbp3p, but high level expression of Cbp3p can partially compensate for the lack of Cbp4p. Because lipids play an important role for complex III assembly and stability, we analysed the mitochondrial lipid composition of cbp3D and cbp4D mutants. Our data show that mitochondria of both mutants exhibit a wild type-like lipid composition, that favors the idea that Cbp3p and Cbp4p are specific assembly factors for complex III rather than components of the mitochondrial lipid metabolism. By complementation studies we have shown that Cbp3 proteins of S. cerevisiae, S. pombe and human are (partially) functional homologues. A yeast model based on chimeric constructs of S. cerevisiae and human proteins was constructed, which allows to test the pathogenicity of human mutations. To define the role/s of Cbp3p and Cbp4p in the assembly pathway of complex III, interactions of selected subunits with both assembly factors were analysed by TAP- or co-immunoprecipitation. Based on the results of Cbp3p and Cbp4p topologies, BN-PAGE analysis of null mutant strains and interaction studies a model for complex III assembly and the roles of Cbp3p and Cbp4p in this process are proposed. I present a hypothesis, according to which Cbp3p and Cbp4p form a ?scaffold? for the assembly of all three putative sub-complexes, may act independently in the first steps of bc1 complex assembly (e. g. the formation of sub-complexes) and interact together to assist the final assembly of sub-complexes into a mature enzyme. / Der Ubiquinol-Cytochrom c Reductase (Komplex III) ist eine zentrale Komponente der Atmungskette der inneren Mitochondrienmembran. Er transferiert Elektronen von reduziertem Ubiquinon auf Ferricytochrom c. Der korrekt assemblierte und funktionale Komplex III ist eine essenzielle Voraussetzung für den oxidativen Energiemetabolismus. Komplex III Defizienz ist assoziiert mit verschiedenen neurodegenerativen Krankheiten...

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Ubiquinol-cytochrome c reductase (complex III) is a central component of the respiratory chain of the inner mitochondrial membrane. It transfers electrons from reduced ubiquinone to ferricytochrome c. Correctly assembled and functional complex III is an essential prerequisite for oxidative energy metabolism. Complex III deficiency has been reported to be associated with several neurodegenerative diseases. Formation and assembly of complex III requires a multitude of specific nuclearly encoded proteins. For example, gene specific translational activators for cytochrome b synthesis as well as three non-subunit proteins, which are important for assembly and/or stability have been detected. The role of Bcs1p in assembly of Rieske FeS protein and Qcr10p into complex III has been clasified recently. The role of the two putative chaperones, Cbp3p and Cbp4p, is not known. In spite of the similar phenotype of cbp3D and cbp4D strains, that suggests the role of both proteins in the same step of complex III assembly, we were able for the first time to demonstrate differences on the molecular level between both deletion mutants. We show by BN-PAGE that cbp3D and cbp4D mutants are disturbed in complex III assembly and accumulate intermediate-sized forms of the complex. Moreover deletion of CBP3 interferes with the formation of complex III/IV supracomplexes. Our studies show that Cbp3p and Cbp4p interact and are present in high molecular weight complexes, some of which might represent intermediates of complex III assembly. Overexpression of Cbp4p cannot substitute for the function of Cbp3p, but high level expression of Cbp3p can partially compensate for the lack of Cbp4p. Because lipids play an important role for complex III assembly and stability, we analysed the mitochondrial lipid composition of cbp3D and cbp4D mutants. Our data show that mitochondria of both mutants exhibit a wild type-like lipid composition, that favors the idea that Cbp3p and Cbp4p are specific assembly factors for complex III rather than components of the mitochondrial lipid metabolism. By complementation studies we have shown that Cbp3 proteins of S. cerevisiae, S. pombe and human are (partially) functional homologues. A yeast model based on chimeric constructs of S. cerevisiae and human proteins was constructed, which allows to test the pathogenicity of human mutations. To define the role/s of Cbp3p and Cbp4p in the assembly pathway of complex III, interactions of selected subunits with both assembly factors were analysed by TAP- or co-immunoprecipitation. Based on the results of Cbp3p and Cbp4p topologies, BN-PAGE analysis of null mutant strains and interaction studies a model for complex III assembly and the roles of Cbp3p and Cbp4p in this process are proposed. I present a hypothesis, according to which Cbp3p and Cbp4p form a ?scaffold? for the assembly of all three putative sub-complexes, may act independently in the first steps of bc1 complex assembly (e. g. the formation of sub-complexes) and interact together to assist the final assembly of sub-complexes into a mature enzyme. / Der Ubiquinol-Cytochrom c Reductase (Komplex III) ist eine zentrale Komponente der Atmungskette der inneren Mitochondrienmembran. Er transferiert Elektronen von reduziertem Ubiquinon auf Ferricytochrom c. Der korrekt assemblierte und funktionale Komplex III ist eine essenzielle Voraussetzung für den oxidativen Energiemetabolismus. Komplex III Defizienz ist assoziiert mit verschiedenen neurodegenerativen Krankheiten...

Ubiquitinierung ist eine essentielle posttranslationale Proteinmodifikation (PTM), die vielfältige Prozesse in eukaryotischen Zellen steuert. Ubiquitin wird zu unterschiedlichen polymeren Ketten zusammengesetzt, wobei E2-Ubiquitin-konjugierende Enzyme häufig eine entscheidende Rolle spielen. Im Rahmen meiner Promotion habe ich die molekularen Grundlagen der Ub Kettensynthese durch die E2-Enzyme Ubc1 und Ubc7 untersucht. Dies geschah mithilfe von in vitro Ubiquitinierungs-Reaktionen, biochemischen und strukturellen Untersuchungen sowie zellbiologischen Experimenten. Ich konnte zeigen, dass zugehörige Ubiquitin-Binde-Domänen (UBDs) die Funktion der E2-Enzyme maßgeblich regulieren. Als einziges unter elf E2-Enzymen in S. cerevisiae enthält Ubc1 eine Ub-bindende UBA Domäne, deren Funktion bisher unklar blieb. Ubc1 modifiziert ausschließlich Lysin 48 (K48) in Ub und wurde mit Proteinqualitätskontrolle sowie der Regulation des Zellzyklus in Verbindung gebracht. Meine Ergebnisse zeigen, dass Ubc1 mithilfe seiner UBA-Domäne vorzugsweise mit K63-verknüpftem Polyubiquitin interagiert, wodurch K48/K63 verzweigte Ub-Ketten entstehen. Basierend auf vorhandenen Strukturinformationen und meinen eigenen röntgenkristallographischen Untersuchungen zeige ich eine Modellstruktur für die Reaktion auf. Meine Ergebnisse stellen eine wesentliche Untersuchungsgrundlage für verzweigten Ub-Ketten dar, über deren Vorkommen und Funktion bisher wenig bekannt ist. Ubc7 assembliert mithilfe seines Kofaktors Cue1 K48-verknüpfte Ub-Ketten im Rahmen des Endoplasmatisches-Retikulum-assoziierten Proteinabbaus (ERAD). In einem kollaborativen Projekt haben wir die Ub-bindende CUE-Domäne in Cue1, die hierfür eine Schlüsselrolle spielt, untersucht. Sie ermöglicht die Ausrichtung des E2-Enzyms an der distalen Spitze der Ub-Kette für eine schnelle Kettenverlängerung, besitzt einzigartige auf den Prozess angepasste Bindungseigenschaften und ihre Beeinträchtigung stört den Abbau des ERAD-Substrates Ubc6. / Ubiquitination is an essential posttranslational protein modification (PTM) that regulates widespread intracellular processes in eukaryotic cells. Ubiquitin (Ub) can be assembled into polymeric chains through its seven internal lysine residues and the N-terminus enabling the formation of a complex "Ubiquitin Code". Factors that guide the molecular machinery which produces this code remain poorly understood. In this study, I demonstrate that ubiquitin binding domains (UBDs) associated with the E2 enzymes Ubc1 and Ubc7 substantially contribute to the assembly of particular Ub chains. Uniquely among the eleven E2 enzymes of S. cerevisiae Ubc1 contains a ubiquitin binding UBA domain. Ubc1 exclusively modifies lysine 48 (K48) in Ub and has been implicated in protein quality control and cell cycle progression. However, the function of its UBA domain remained elusive. I identified Ubc1 to preferentially target specific Ub molecules in K63-linked polyubiquitin via its UBA domain. This activity results in the assembly of K48/K63 branched Ub chains. Based on existing structural information and my own X-ray crystallographic experiments, I propose a structure for the transition state of branched chain assembly by Ubc1. My findings provide a basis for the study of this unusual Ub chain type. Ubc7 has previously been shown to be activated by its co-factor Cue1 to assemble Ub chains linked through lysine 48 (K48) in the context of endoplasmic reticulum associated protein degradation (ERAD). In collaboration with Dr. Maximilian von Delbrück and Dr. Andreas Kniss, we identified the ubiquitin binding CUE domain in Cue1 to play a key role in aligning Ubc7 with the distal tip of a K48-linked Ub chain for rapid chain elongation. Furthermore, we showed how binding of Ub by the CUE domain is well adapted towards the chain elongation process and how its disruption impairs degradation of the ERAD substrate Ubc6.

Schaut man durch ein Mikroskop auf eine biologische Zelle mit angefärbten Zytoskelett, so erblickt man lange, mehr oder minder gerade Objekte. Mit ziemlicher Sicherheit gehören diese zu einer von drei Arten von Zytoskelettfilamenten -- Aktin- oder Mikrofilamente, Intermediärfilamente und Mikrotubuli. Schon seit mehreren Jahrzehnten versucht man die mechanischen Eigenschaften lebender Zellen nicht nur zu beschreiben, sondern ihr Verhalten von zwei tieferen Ebenen ausgehend zu verstehen: Inwiefern beschreiben die Eigenschaften von Filamentnetzwerken und -gelen die Zellmechanik und, noch tiefgreifender, wie bestimmen eigentlich die einzelnen Filamente die Netzwerkmechanik. Das Verständnis der Mechanik homogener und isotroper, verhedderter als auch quervernetzter Gele ist dabei erstaunlich detailreich, ohne jedoch vollständig dem jüngeren Verständnis von Zellen als glassartige Systeme zu entsprechen. In den letzten Jahren sind daher anisotrope Strukturen mehr und mehr in den Fokus gerückt, die die Bandbreite möglichen mechanischen Verhaltens enorm bereichern. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit solch einem hochgradig anisotropen System -- nämlich Aktinbündeln -- unter drei Gesichtspunkten. Mit Hilfe von aktiven Biegedeformationen wird ein funktionales Modul, das eine differentielle Antwort auf verschiedenen Zeitskalen liefert, identifiziert. Es handelt sich um Aktinfilamente, die durch transiente Quervernetzer gebündelt werden. Während sich das System nach kurz anhaltenden Deformation völlig elastisch verhält, sorgt eine Restrukturierung der Quervernetzer während langanhaltender Deformationen für eine plastische Verformung des Bündels. In einem weiteren Aspekt widmet sich die Arbeit der frequenz- und längenabhängigen Biegesteifigkeit. Die Methode des Bündel-Wigglings, das Induzieren von \"Seilwellen\", wird dabei genutzt, um aus der Wellenform die Biegesteifigkeit zu berechnen. Bündel von Aktinbündeln zeigen dabei ein Verhalten, das vom klassischen Worm-like-chain-Modell abweicht und stattdessen durch das Worm-like-bundle-Modell beschrieben werden kann. Der letzte Aspekt dieser Arbeit untersucht den Musterbildungsprozess bei der Entstehung von Aktinbündeln. Gänzlich unerwartet entstehen quasi-isotrope Strukturen mit langreichweitiger Ordnung, wenn der Bündelungsprozess erst nach der Polymerisation von Filamenten frei von zusätzlichen mechanischen Einwirkungen einsetzt. Da dieser Zustand nicht von der klassischen Flüssigkristalltheorie vorhergesagt wird, soll eine Simulation eine Hypothese zum Entstehungsmechanismus testen. Die Annahme einer lateralen Kondensation von Filamenten zu Bündeln reicht demnach aus, um die beobachteten Strukturen zu erzeugen. Diese Arbeit leistet somit einen Beitrag zum Verständnis hochgradig anisotroper Strukturen und deren Überstrukturen, wie sie auch in lebendigen Zellen reichlich vorhanden sind.:1 Actin filament bundles and patterns 1.1 Actin and other cytoskeletal filaments 1.2 Filament and bundle mechanics 1.2.1 Polymer models 1.2.2 Worm-like bundle theory 1.3 Filament bundling 1.4 Active crosslinkers – contraction and pattern formation 2 Materials and Methods, Instruments and Software 2.1 Actin purification and labeling 2.2 Optical tweezers 2.3 Software libraries for instrument integration 3 Bundle mechanics in the time domain 3.1 Bundle formation and sample preparation 3.2 Bundle bending experiment 3.2.1 LabView VI for bundle bending 3.2.2 Bundle bending 3.2.3 Image analysis and data survey 3.3 Bundle workout – Results of the bending experiments 3.3.1 Multiple bends and elastic response 3.3.2 Endurance test – Plastic response after longer holds 3.3.3 Purely elastic depletion-force induced bundles 3.4 Elastic and plastic deformations of F-actin bundles – Discussion 3.4.1 Bundle formation process and bundle thickness 3.4.2 Elastic response 3.4.3 Elastic versus plastic response 3.5 Differential mechanical response – Summary 4 Bundle mechanics in the frequency domain 4.1 Bundle wiggling – the method 4.2 Bundle formation and sample preparation 4.3 Bundle wiggling experiment 4.3.1 LabView VI for bundle wiggling 4.3.2 Wiggling images to wiggle data 4.4 Bundle wiggling – Results 4.4.1 Bead at end 4.4.2 Wiggling bundled bundles 4.4.3 Thick bundles connected to networks 4.5 Frequency-dependent elastic response of bundles – Discussion 5 Actin bundle networks 5.1 Actin condensation in confined environments – The experiment 5.2 Simulating filament condensation 5.2.1 Implementation details 5.3 Simulation of filament condensation to bundle networks 5.4 Condensation drives pattern formation – Discussion 6 Conclusion A Calculations A.1 Subcircular bending arc and radius of curvature A.2 Correction factor for relaxations times of bundles with bead B Protocols B.1 G-actin from rabbit skeletal muscle B.1.1 Acetone powder prep B.1.2 Actin prep B.1.3 Actin gel-filtration B.2 Buffers B.3 NEM-myosin beads B.3.1 NEM-inactivated myosin B.3.2 NEM-myosin coated beads B.4 Bundle preps B.4.1 Depletion force induced and ff-actinin crosslinked bundles B.4.2 Depletion force induced bundles for wiggling experiments Bibliography / Being the most basic unit of living organisms, the cell is a complex entity comprising thousands of different proteins. Yet only very few of which are considered to play a leading part in the cell’s mechanical integrity. The biopolymers actin, intermediate filaments and microtubules constitute the so-called cytoskeleton – a highly dynamic, constantly restructuring scaffold endowing the cell not only with integrity to sustain mechanical perturbations but also with the ability to rapidly reorganize or even drive directed motion. Actin has been regarded to be the protagonist and tremendous efforts have been made to understand passive actin networks using concepts from polymer rheology and statistical mechanics. In bottom-up approaches isotropic, homogeneous actin-gels are well-characterized with rheological methods that measure elastic and viscous properties on different time scales. Cells, however, are not exclusively isotropic networks of any of the mentioned filaments. Rather, actin alone can already be organized into heterogeneous and highly anisotropic structures like bundles. These heterogeneous structures have only come into focus recently with theoretical work addressing bundle networks. and, in the case of the worm-like bundle theory, individual bundles. This work aims at characterizing bundles and bundle-crosslinker systems mechanically in two complementary approaches – in the time as well as in the frequency domain. In addition, it illuminates a bundle formation mechanism that leads to bundle networks displaying higher ordering.:1 Actin filament bundles and patterns 1.1 Actin and other cytoskeletal filaments 1.2 Filament and bundle mechanics 1.2.1 Polymer models 1.2.2 Worm-like bundle theory 1.3 Filament bundling 1.4 Active crosslinkers – contraction and pattern formation 2 Materials and Methods, Instruments and Software 2.1 Actin purification and labeling 2.2 Optical tweezers 2.3 Software libraries for instrument integration 3 Bundle mechanics in the time domain 3.1 Bundle formation and sample preparation 3.2 Bundle bending experiment 3.2.1 LabView VI for bundle bending 3.2.2 Bundle bending 3.2.3 Image analysis and data survey 3.3 Bundle workout – Results of the bending experiments 3.3.1 Multiple bends and elastic response 3.3.2 Endurance test – Plastic response after longer holds 3.3.3 Purely elastic depletion-force induced bundles 3.4 Elastic and plastic deformations of F-actin bundles – Discussion 3.4.1 Bundle formation process and bundle thickness 3.4.2 Elastic response 3.4.3 Elastic versus plastic response 3.5 Differential mechanical response – Summary 4 Bundle mechanics in the frequency domain 4.1 Bundle wiggling – the method 4.2 Bundle formation and sample preparation 4.3 Bundle wiggling experiment 4.3.1 LabView VI for bundle wiggling 4.3.2 Wiggling images to wiggle data 4.4 Bundle wiggling – Results 4.4.1 Bead at end 4.4.2 Wiggling bundled bundles 4.4.3 Thick bundles connected to networks 4.5 Frequency-dependent elastic response of bundles – Discussion 5 Actin bundle networks 5.1 Actin condensation in confined environments – The experiment 5.2 Simulating filament condensation 5.2.1 Implementation details 5.3 Simulation of filament condensation to bundle networks 5.4 Condensation drives pattern formation – Discussion 6 Conclusion A Calculations A.1 Subcircular bending arc and radius of curvature A.2 Correction factor for relaxations times of bundles with bead B Protocols B.1 G-actin from rabbit skeletal muscle B.1.1 Acetone powder prep B.1.2 Actin prep B.1.3 Actin gel-filtration B.2 Buffers B.3 NEM-myosin beads B.3.1 NEM-inactivated myosin B.3.2 NEM-myosin coated beads B.4 Bundle preps B.4.1 Depletion force induced and ff-actinin crosslinked bundles B.4.2 Depletion force induced bundles for wiggling experiments Bibliography

Die Genexpression wurde bisher hauptsächlich auf Transkriptions- und Proteinebene untersucht, wobei der Einfluss der Translation, die die Proteinhäufigkeit direkt beeinflusst, weitgehend außer Acht gelassen wurde. Um diese Rolle besser zu verstehen, habe ich Ribosomen-Profiling-Daten (Ribo-seq) verwendet, um die Translationsregulation zu untersuchen und neue Translationsvorgänge in 65 linksventrikulären Proben von DCM-Patienten im Endstadium und 15 Nicht-DCM-Kontrollen zu identifizieren. Dieser Datensatz half dabei, die Transkriptions- und Translationsregulation zwischen erkrankten und nicht betroffenen menschlichen Herzen zu sezieren und enthüllte Gene und Prozesse, die rein unter Translationskontrolle stehen. Darüber hinaus habe ich neue kardiale Proteine vorhergesagt, die von langen nicht-kodierenden RNAs (lncRNAs) und zirkulären RNAs (circRNAs) translatiert werden. Computergestützte Analysen dieser evolutionär jungen Proteine legten eine Beteiligung an verschiedenen molekularen Prozessen nahe, mit einer besonderen Anreicherung für den mitochondrialen Energiestoffwechsel. Schließlich identifizierte ich RNA-bindende Proteine (RBPs), deren Expression die Menge der Ziel-mRNA oder die Frequenz der Translationseffizienz (TE) beeinflusst. Für eine Untergruppe von 21 RBPs habe ich die Regulation auf beiden quantitativen Merkmalen beobachtet, was zu einer unterschiedlichen mechanistischen Basis der Expressionskontrolle für unabhängige Gensätze führte. Obwohl die genaue Umschaltung der RBP-Funktion wahrscheinlich durch eine Kombination von mehreren Faktoren erreicht wird, haben wir für drei Kandidaten eine starke Abhängigkeit von der Zielgenlänge und der 5'-UTR-Struktur beobachtet. Diese Arbeit präsentiert einen Katalog von neu identifizierten Translationsereignissen und einen quantitativen Ansatz zur Untersuchung der Translationsregulation im gesunden und kranken menschlichen Herzen. / Gene expression has primarily been studied on transcriptional and protein levels, largely disregarding the extent of translational regulation that directly influences protein abundance. To elucidate its role, I used ribosome profiling (Ribo-seq) data, obtained through ribosome profiling, to study translational regulation and identify novel translation events in 65 left ventricular samples of end-stage DCM patients and 15 non-DCM controls. This dataset helped dissect transcriptional and translational regulation between diseased and unaffected human hearts, revealing genes and processes purely under translational control. These would have remained undetected by only looking at the transcriptional level. Furthermore, I predicted novel cardiac proteins translated from long non-coding RNAs (lncRNAs) and circRNAs. Computational analysis of these evolutionary young proteins suggested involvement in diverse molecular processes with a particular enrichment for mitochondrial processes. Finally, I identified RNA-binding proteins (RBPs) whose expression influences target mRNA abundance or translational efficiency (TE) rates. For a subset of 21 RBPs, I have observed regulation on both quantitative traits, which resulted in different mechanistic basis expression control for independent sets of genes. Though the precise switch in RBP function is likely achieved by a combination of multiple factors, for three candidates we have observed a strong dependency on target length and 5’ UTR structure. This work presents a catalogue of newly identified translation events and a quantitative approach to study translational regulation in the healthy and failing human heart.

Antikörper und Antigen-bindende Proteine, die an Fluorophore, Tracer und Wirkstoffe konjugiert sind, sind einzigartige Moleküle, welche die Entwicklung wertvoller diagnostischer und therapeutischer Werkzeuge ermöglichen. Allerdings ist der Konjugationsschritt sehr anspruchsvoll und trotz intensiver Forschung noch immer ein bedeutender Engpass. Zusätzlich sind Antigen-bindende Proteine oftmals nicht dazu in der Lage, die Zellmembran zu durchdringen und im Zellinneren nicht funktionsfähig. Daher ist ihre Verwendung auf extrazelluläre Targets beschränkt, was eine bedeutende Anzahl wichtiger Antigene vernachlässigt. Beide Limitierungen bilden Kernaspekte dieser Arbeit. Mit Tub-tag labeling wurde ein neuartiges und vielseitiges Verfahren für die ortsspezifische Funktionalisierung von Biomolekülen und Antigen-bindenden Proteinen entwickelt, und so die Palette der Proteinfunktionalisierungen bedeutend erweitert. Tub-tag wurde erfolgreich für die ortsspezifische Funktionalisierung verschiedener Proteine und Antigen-bindender Nanobodies angewendet, die für konfokale Mikroskopie, Proteinanreicherung und hochauflösende Mikroskopie eingesetzt wurden. In einem weiteren Projekt wurden zellpermeable Antigen-bindende Nanobodies hergestellt und somit das schon lange Zeit bestehende Ziel, intrazelluläre Targets durch in vitro funktionalisierte Antigen-bindende Proteine zu visualisieren und manipulieren, erreicht. Hierzu wurden zwei verschiedene Nanobodies an ihrem C-Terminus cyclischen zellpenetrierenden Peptiden unter Verwendung von Expressed Protein Ligation funktionalisiert. Diese Peptide ermöglichten die Endozytose-unabhängige Aufnahme der Nanobodies mit sofortiger Bioverfügbarkeit. Mit Tub-tag labeling und der Synthese von zellpermeablen Nanobodies konnten wichtige Bottlenecks im Bereich der Proteinfunktionalisierung und Antikörperforschung adressiert werden und neue Tools für die biochemische und zellbiologische Forschung entwickelt werden. / Antibodies and antigen binding proteins conjugated to fluorophores, tracers and drugs are powerful molecules that enabled the development of valuable diagnostic and therapeutic tools. However, the conjugation itself is highly challenging and despite intense research efforts remains a severe bottleneck. In addition to that, antibodies and antigen binding proteins are often not functional within cellular environments and unable to penetrate the cellular membrane. Therefore, their use is limited to extracellular targets leaving out a vast number of important antigens. Both limitations are core aspects of the presented thesis. With Tub-tag labeling, a novel and versatile method for the site-specific functionalization of biomolecules and antigen binding proteins was developed expanding the toolbox of protein functionalization. The method is based on the microtubule enzyme tubulin tyrosine ligase. Tub-tag labeling was successfully applied for the site-specific functionalization of different proteins including antigen binding nanobodies which enabled confocal microscopy, protein enrichment and super-resolution microscopy. In addition to that, cell permeable antigen binding nanobodies have been generated constituting a long thought goal of tracking and manipulating intracellular targets by in vitro functionalized antigen binding proteins. To achieve this goal, two different nanobodies were functionalized at their C-terminus with linear and cyclic cell-penetrating peptides using expressed protein ligation. These peptides triggered the endocytosis independent uptake of the nanobodies with immediate bioavailability. Taken together, Tub-tag labeling and the generation of cell-permeable antigen binding nanobodies strongly add to the functionalization of antibodies and their use in biochemistry, cell biology and beyond.