Arteriogenese bezeichnet das adaptive Wachstum von präexistenten kollateralen Arterien. Im Falle eines Arterienverschlusses ist Arteriogenese der endogen effizienteste Kompensationsmechanismus, um das Hypoperfusionsgebiet mit ausreichend Blut zu versorgen (Biologischer Bypasses). In dieser Arbeit wurde das frühe Wachstum von Kollateralgefäßen im Gehirn im ersten Modell für zerebrale Arteriogenese, dem 3-VO Modell (3-vessel occlusion), in der Ratte charakterisiert. (I) Die Untersuchung am nicht-ischämischen 3-VO Hypoperfusionsmodell zeigten, dass 7 Tage nach 3-VO die Arteria cerebri posterior (PCA) signifikant im Diameter anwächst. Histologische Untersuchungen konnten ein vermehrtes Zellwachstum in der PCA und das Einwandern von Makrophagen in den perivaskulären Bereich (24 Stunden und 3 Tage post 3-VO) darstellen und eine Aktivierung des Endothels 3 Tage nach 3-VO wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie identifizieren. (II) Für eine genaue Anaylse des globalen Genexpressionsprofils der zerebralen Arteriogense wurde die wachsende PCA selektiv aus dem Gehirn entnommen und ein Genexpressionsprofil für die frühe zerebrale Arteriogenese erstellt (164 Gene dereguliert). Eine Unteruschung von biologischen und molekularen Prozessen zeigte, dass eine Vielzahl der deregulierten Gene in Zellproliferation und Inflammation involviert sind. Die Expression der Protease-Inhibitoren Kininogen und TIMP-1 wurde als “Marker” der frühen Arteriogenese in der PCA lokalisiert werden. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit erstmals eine Übersicht der biologischen Prozesse in der zerebralen Arteriogenese und eröffnet neue Ideen für eine mögliche therapeutische Strategie. / Arteriogenesis, the adaptive outward growth of pre-existing collateral arteries, is the most efficient endogenous rescue mechanisms in vertebrates against the occlusion of a major artery (biological bypass). Here, collateral growth was induced using the first model for cerebral arteriogenesis, the 3-vessel occlusion (3-VO) rat model. (I) 3-VO resulted in a significant diameter increase within 7 days in the posterior cerebral artery (PCA) and posterior communicating artery (Pcom), classifying the region of interest. Immunhistological staining demonstrated proliferative activation and macrophage invasion, already 24h post 3-VO within the PCA, confirming the arteriogenic phenotype. Furthermore, activation of the PCA endothelium was detected within 3 days post 3-VO by scanning electron microscopy. (II) For analysing the molecular mechanism of cerebral arteriogenesis, collateral tissue from the growing PCA was selectively isolated. Here, 24h post 3-VO 164 genes were detected to be significantly deregulated. Analysis of molecular annotations and networks associated with differentially expressed genes revealed that expression patterns contain gene transcripts predominantly involved in proliferation, inflammation, and migration. Early-phase cerebral arteriogenesis is characterized by protease inhibitor expression and showed that protease inhibitors TIMP-1 and kininogen are molecular markers of early-phase cerebral arteriogenesis. In summary, this work characterizes morphological features and genomic profiles of growing collaterals in the brain and develops novel ideas for a therapeutic stimulation of arteriogenesis.

Plakophiline sind Proteine der Armadillo-Familie, die eine Funktion während der Embryonalentwicklung und im adulten Organismus aufweisen. Mutationen in Genen, die für diese Proteine kodieren, führen häufig zu Krankheiten. In dieser Arbeit wird der Phänotyp von Plakophilin 2-defizienten Mausembryonen untersucht, welche Probleme in der Morphogenese des Herzens und dessen Stabilität aufzeigen. Feine Risse in der Herzwand in den Tagen 10.5-11 der Embryogenese führen zu Blutfluss in die Perikardialhöhle und resultieren in embryonalem Tod. In Abwesenheit von Plakophilin 2 löst sich das Zytoskelett-bindende Protein Desmoplakin aus den Zellverbindungen der Kardiomyozyten und bildet Aggregate im Zytoplasma. Im Gegensatz dazu bleiben Zellverbindungen der Epithelien unverändert. Die molekulare Analyse des betroffenen Gewebes lässt eine essentielle Rolle für Plakophilin 2 in der Organisation der Zellverbindungen im Herz ableiten. Besonderen Wert bekamen diese Untersuchungen, als es gelang, die erarbeiteten Zusammenhänge mit einer Krankheit beim Menschen zu koppeln. Beachtlicherweise wurden bei mehr als 25% der an Arrhythmogener-Rechts-Ventikulärer-Kardiomyophathie (ARVC) erkrankten Menschen, Mutationen im Gen für Plakophilin 2 gefunden. / Plakophilins are proteins of the armadillo family that function in embryonic development and in the adult, and when mutated can cause disease. We have ablated the plakophilin 2 gene in mice. The resulting mutant mice exhibit lethal alterations in heart morphogenesis and stability at mid-gestation (E10.5–E11), characterized by reduced trabeculation, disarrayed cytoskeleton, ruptures of cardiac walls, and blood leakage into the pericardiac cavity. In the absence of plakophilin 2, the cytoskeletal linker protein desmoplakin dissociates from the plaques of the adhering junctions that connect the cardiomyocytes and forms granular aggregates in the cytoplasm. By contrast, embryonic epithelia show normal junctions. Thus, we conclude that plakophilin 2 is important for the assembly of junctional proteins and represents an essential morphogenic factor and architectural component of the heart. Interestingly we identified heterozygous mutations in the Plakophilin 2 gene in 32 out of 120 patients suffering from arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy (ARVC). ARVC is associated with fibrofatty replacement of cardiac myocytes, ventricular tachyarrhythmias and sudden cardiac death. Many of the identified mutations lead to an early STOP in protein translation and reduced expression of Plakophilin 2 protein likely due to RNA or protein degradation. Since loss of one functional allele of Plakophilin 2 leads to ARVC, we want to investigate the occurrence of typical ARVC-phenotypes in heterozygous Plakophilin 2 mice in future to provide a new insight into possible molecular mechanisms of ARVC.

Derzeit gibt es keine wirksame Therapie gegen das maligne Melanom. Der Todesligand TRAIL erscheint als eine vielversprechende Krebstherapie. Trotzdessen weisen Melanomzellen sowohl eine bestehende als auch induzierbare TRAIL-Resistenz auf. In der vorliegenden Arbeit wurde die Überwindung der TRAIL-Resistenz durch drei Kinaseinhibitoren untersucht.Das Indirubin-Derivat 8-Rha-β ist in der Lage, die Sensitivität von Melanomzellen für die Todesliganden zu erhöhen und die Resistenz für TRAIL und CD95-Agonisten zu überwinden. Die Behandlung mit 8-Rha-β vermittelt sowohl die Aktivierung des extrinsischen als auch intrinsischen Signalweges. Der Tumorsuppressor p53 zeigte sich als Hauptregulator dieser proapoptotischen Änderungen und ist der Transaktivator der proapoptotischen Proteine, welche durch das 8-Rha-β heraufreguliert wurden. Die Anwendung eines Melanommodells von TRAIL-sensitiven und resistenten Zelllinien konnte eine Sensitivierung für TRAIL mittels des Kinaseinhibitors BMS-345541 aufzeigen. Die Behandlung von BMS-345541 resultierte alleine in einer frühen Bax-Aktivierung, was in den Konformationsänderungen, veränderten Phosphorylierungen und der Translokation von Bax beobachtet werden konnte. Die synergistischen Effekte resultierten aus der Aktivierung von Bid durch TRAIL, welches Bcl-2 inhibiert und der Aktivierung von Bax durch BMS-345541. Mutiertes BRAF wurde als der kritische Faktor für das kutane Melanom identifiziert. In dieser Arbeit wird ein pan-RAF-Inhibitor, L-779,450, verwendet. Dieser Inhibitor sensitiviert ebenfalls für eine TRAIL-induzierte Apoptose. Die Apoptose war mit der Aktivierung des intrinsischen Signalweges verbunden. L-779,450 allein induziert keine Apoptose, aber resultiert in einer Aktivierung von Bax und der Hochregulation von Bim. Die hier identifizierten Kinaseinhibitoren könnten bei der Behandlung des malignen Melanoms helfen, um die TRAIL-Resistenz zu überwinden und die Wirksamkeit TRAIL-vermittelter Therapieformen zu optimieren. / Until today efficient therapies are lacking for metastatic melanoma. The death ligand TRAIL appears as promising in cancer treatment; however, melanoma cells reveal both preexisting and inducible TRAIL resistance. In the present study the mechanisms of TRAIL-induced apoptosis by three kinase inhibitors were investigated. The indirubin derivative 8-Rha-β is able to enhance melanoma cell sensitivity for death ligands and overcomes resistance to TRAIL and CD95 agonists. Indirubin activated the extrinsic and intrinsic apoptosis pathways. The tumor suppressor p53 by its ability to transactivate proapoptotic proteins appeared as master regulator of these proapoptotic changes which was upregulated by indirubin. Applying a melanoma model of TRAIL-sensitive and resistant cell lines, efficient sensitization for TRAIL is demonstrated for the kinase inhibitor BMS-345541. Of note, BMS-345541 alone resulted in early Bax activation, seen by conformational changes, altered Bax phosphorylation and Bax translocation. The synergistic effects resulted from Bid activation in response to TRAIL, which inhibits Bcl-2, and the activation of Bax through BMS-345541. Mutated BRAF represents a critical oncogene in melanoma. Here, we investigated effects of the pan-RAF inhibitor L-779,450, which resulted in strong enhancement of apoptosis in combination with TRAIL. Apoptosis coincided with activation of mitochondrial pathways. Apoptosis induction by L-779,450/TRAIL was dependent on Bax. Thus, activation of Bax by L-779,450 alone was demonstrated by Bax conformational changes. Furthermore, the BH3-only protein Bim was upregulated in response to L-779,450. This identified specific role of these kinase inhibitors, which are able to enhance melanoma cell sensitivity for TRAIL could be helpful for treatment of malignant melanoma to overcome the TRAIL-resistance and to optimize the efficiency of recent therapies.

Sauerstoffmangel in Pflanzenzellen führt durch Hemmung der mitochondrialen Atmung zur Akkumulation von NADH und zu ATP-Mangel. Reis kann, im Gegensatz zu Weizen oder Kartoffeln, längere Sauerstoffmangel-Perioden überstehen. Ziel dieser Promotionsarbeit war es, einige Aspekte des Primär-Stoffwechsels zu untersuchen, die für das Überleben solcher Stresssituationen verantwortlich sein können, wie die Ethanol-Gärung, die Photosynthese sowie die Nutzung alternativer Energiedonoren. Die Ethanol-Gärung ermöglicht es Pflanzen, NAD zu regenerieren, und so die glycolytische ATP-Bildung aufrechtzuerhalten. Tolerante Reis-Pflanzen bildeten unter Anoxie in Dunkelheit mehr Ethanol als sensitive Weizen-Pflanzen. Dieser Unterschied war allerdings nur im Spross nachzuweisen und resultierte aus hohen Aktivitäten der Gärungsenzyme sowie aus großen Substratmengen in Reis-Blättern. Mehr als 24 h Anoxie konnten aber auch vom Reis aufgrund von Substratmangel nicht überlebt werden. Wurden Pflanzen bei Anoxie belichtet, verbesserten sich die Überlebensraten erheblich. Die Ethanol-Bildung war deutlich verringert, so dass neben der Gärung lichtabhängige Energie-liefernde Prozesse vermutet werden. Allerdings verlief die Photosynthese unter Anoxie aufgrund von CO2-Mangel nur vermindert ab. Eventuell könnte zyklischer Elektronentransport unter diesen Bedingungen zusätzliches ATP produzieren. In der Vergangenheit wurde vermutet, dass Pflanzen unter Sauerstoffmangel für Phosphorylierungsreaktionen statt ATP auch PPi nutzen könnten. In transgenen Kartoffelpflanzen, die infolge von Überexpression der E. coli-Pyrophosphatase weniger PPi enthielten als Wildtypen, wurde unter Hypoxie-Bedingungen nachgewiesen, dass PPi als alternativer Energiedonor bei der Saccharose-Spaltung eine bedeutende Rolle spielt. Dagegen konnte in transgenen Kartoffelpflanzen mit drastisch verminderter Aktivität der PPi-abhängigen Phosphofructokinase keine Beeinträchtigung der Stoffwechsel-Leistungen unter Hypoxie gezeigt werden. / Oxygen deficiency stress in plant cells leads through inhibition of mitochondrial respiration to an accumulation of NADH and a decrease in ATP content. Rice plants can survive oxygen deficiency better than wheat or potato plants. The aim of this PhD-work was to examine, which biochemical processes are responsible for plant tolerance against low oxygen stress. The studies were focused on the analysis of ethanolic fermentation, photosynthesis and the function of pyrophosphate (PPi) as an alternative energy source. By using ethanolic fermentation, plants can regenerate NAD and maintain ATP formation during glycolysis. Tolerant rice plants produced much higher amounts of ethanol during anoxia in darkness compared to sensitive wheat plants. The high fermentation rate mainly occurred in the shoots as a result of high activities of fermentative enzymes as well as high availability of carbohydrates. Nevertheless, rice plants could not survive more than 24 h of anoxia in the dark because of carbohydrate depletion. Illumination during anoxia extended survival of plants. Ethanolic fermentation rate was reduced during light exposure of plants, indicating that other energy-producing processes can compensate. However, it could be shown that the complete photosynthesis was slowed down during oxygen deficiency due to CO2 deficiency. It is likely that cyclic electron transport could at least partially contribute to ATP production during these conditions. In the past, it was speculated that PPi could replace ATP for phosphorylating processes during low oxygen stress. With transgenic potato plants expressing E. coli pyrophosphatase and therefore containing less PPi it was demonstrated that PPi is a significant alternative energy donor for sucrose cleavage during hypoxia. However, in transgenic potato plants with a reduction of synthesis and activity of PPi-dependent phosphofructokinase it could not be demonstrated that these plants suffer more from oxygen deficiency than the wildtype.

Menschliche Mitochondrien enthalten etwa 1500 bis 2000 Proteine. Die meisten dieser Proteine werden im Zellkern kodiert und im Zytoplasma synthetisiert, und müssen daher über eine spezielle Maschinerie in die Mitochondrien transportiert werden. Obwohl mittlerweile viele Details über die Wirkungsweise dieser Proteinschleusen bekannt sind, wurden einige wichtige Aspekte des Proteinimports noch nicht ausreichend untersucht. Zum einen ist nicht bekannt, ob die einzelnen Importkomplexe einen Einfluss auf die mitochondrienvermittelte Apoptose haben. Weiterhin ist offen, welche genaue Rolle der Mitochondrienimport in der Pathogenese von Neisseria gonorrhoeae spielt. Außerdem ist unklar, ob Faktoren des Importapparates für die Aufrechterhaltung der mitochondrialen Morphologie notwendig sind. Um diese Fragestellungen zu untersuchen, wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit permanente Zelllinien hergestellt, in denen die Expression einzelner am Mitochondrienimport beteiligter Proteine mittels RNA-Interferenz (RNAi) inhibiert werden kann. Mithilfe dieser Zelllinien wurde getestet, ob die proapoptotischen Proteine Bax und Bak die Importmaschinerie benötigen, um in die äußere Mitochondrienmembran zu gelangen. Die Präsenz der beiden proapoptotischen Proteine in Mitochondrien während der Apoptose ist sehr entscheidend, da Bax und Bak in den Mitochondrien oligomerisieren und damit weitere Schritte der Apoptose einleiten. Im Widerspruch zu früheren Publikationen konnte hier gezeigt werden, dass die Translokation von Bax und Bak in die äußere Mitochondrienmembran unabhängig von Proteinimportfaktoren erfolgt. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss mitochondrialer Importproteine auf die Pathogenese von Neisseria gonorrhoeae. Das Neisserienprotein PorB transloziert während der Infektion in die Mitochondrien der Wirtszelle und induziert Apoptose. Aufgrund der strukturellen Ähnlichkeit von PorB zu bestimmten Proteinen der äußeren Mitochondrienmembran wurde bisher angenommen, dass PorB diesen endogenen Proteinen auf ihrem Importweg in die äußere Mitochondrienmembran folgt. Überraschenderweise wurde im Rahmen dieser Arbeit entdeckt, dass PorB nicht von allen Komplexen der Importmaschinerie in den Mitochondrien erkannt wird. Infolgedessen transloziert es in die innere Mitochondrienmembran und wirkt dadurch toxisch auf die Wirtszelle. In einem weiteren Projekt wurde untersucht, welche Rolle die Proteinimportkomplexe der äußeren mitochondrialen Membran in der Aufrechterhaltung der Mitochondrienmorphologie spielen. Unter Verwendung der beschriebenen Zelllinien wurde entdeckt, dass in Abwesenheit des SAM (sorting and assembly) Importkomplexes die Struktur der inneren Mitochondrienmembran derangiert ist. Es wurden zudem Hinweise darauf gefunden, dass die Ursache für diesen Befund in einer Unterbrechung von Kontaktstellen zwischen den beiden Mitochondrienmembranen liegen könnte, für deren Aufrechterhaltung möglicherweise der SAM-Komplex verantwortlich ist. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse erlauben neue Einblicke in verschiedene Aspekte des Proteinimports in Mitochondrien. Zudem wurde mit der Entwicklung der stabilen Zelllinien ein neues Model geschaffen, anhand dessen in Zukunft weitere Detail des mitochondrialen Proteinimports erforscht werden können. / Human mitochondria comprise about 1500 to 2000 proteins. While only 13 proteins are encoded by the mitochondrial DNA the vast majority of mitochondrial proteins is encoded in the nucleus, synthesized in the cytosol, and translocated into mitochondria by a special protein import machinery. Although many details are now known about its function several important aspects of protein import in mitochondria were not unraveled yet. To begin with, the influence of the different mitochondrial import complexes on apoptosis is not known. Further, the exact role of the protein import machineries in mitochondria in the pathogenesis of Neisseria gonorrhoeae has not been clarified yet. Moreover, the question whether factors involved in protein import are required for the maintenance of the mitochondrial morphology is still unsolved. In order to address these open issues, permanent cell lines were generated within the frame of the present thesis in which the expression of single proteins implicated in mitochondrial import can be inhibited via RNA interference (RNAi). Using these cell lines, it was investigated whether the proapoptotic proteins Bax and Bak require the import machinery in order to gain access to the outer mitochondrial membrane. The presence of both proapoptotic proteins in mitochondria is essential during apoptosis as Bax and Bak oligomerize in the outer mitochondrial membrane leading to the execution of apoptosis. In contrast to earlier publications, results presented here prove that the translocation of Bax and Bak into the outer mitochondrial membrane occurs independent of its import machineries. The second part of this thesis explores the influence of mitochondrial import proteins on the pathogenesis of Neisseria gonorrhoeae. The neisserial protein PorB translocates into the mitochondria of host cells during infection and induces apoptosis. Because of structural similarities of PorB to a certain class of proteins in the outer mitochondrial membrane, it was assumed that PorB would follow the import pathway of these endogenous proteins into the outer mitochondrial membrane. Surprisingly, it was found within the present study that PorB is not recognized by all complexes implicated in this import pathway. As a consequence, it translocates into the inner mitochondrial membrane to exert its toxic effect on the host cell. In a further project, the role of import complexes of the outer mitochondrial membrane in the maintenance of the mitochondrial morphology was investigated. Using the described cell lines, it was found that in the absence of the SAM (sorting and assembly) import device, the structure of the inner mitochondrial membrane was disrupted. Further, evidence was found that the reason for this phenotype could be an interruption of contact sites between the two mitochondrial membranes, whose preservation possibly requires the SAM complex. The results presented here allow new insights into different aspects of mitochondrial protein import. Further, with the development of the stable cell lines a new model was generated that will allow future investigations on details about mitochondrial protein import.

Die Invasion von Leukozyten in das zentrale Nervensystem (ZNS) ist ein wesentlicher Bestandteil bei der Pathogenese von Hirnverletzungen sowie akuten und chronischen Entzündungsvorgängen im Gehirn. Mikrogliazellen, die überwiegende Population immunkompetenter Zellen des ZNS, stellen die erste Verteidigungslinie im Hinblick auf Verletzungen und Erkrankungen des Gehirns dar. Im Rahmen vieler neurodegenerativer Erkrankungen wird die Zerstörung von Neuronen, aber auch die kollaterale Gewebsschädigung auf die Aktivierung der Mikrogliazellen zurückgeführt. Die vorliegende Arbeit beschreibt erstmalig einen regulatorischen Aktivierungszustand der Mikroglia (CD40dimCD86dimIL-10high), der zur Induktion regulatorischer Foxp3+ T-Zellen (Treg) führt. Die Stabilität und funktionelle Aktivität Mikroglia-induzierter Treg konnte sowohl in vitro als auch in vivo gezeigt werden. In vitro inhibierten sie die Proliferation antigen-spezifischer Effektorzellen, in vivo führte ein adoptiver Transfer der regulatorischen T-Zellen zur Abmilderung des Krankheitsverlaufes experimentell induzierter, autoimmuner Enzephalomyelitis (EAE). Mikrogliazellen unterstützten sowohl die Proliferation bereits ausgebildeter regulatorischer T-Zellen als auch deren Differenzierung aus naiven T-Zellen. Die Induktion regulatorischer T-Zellen durch Mikroglia war Major Histocompatibility Complex (MHC)-II-abhängig und antigenspezifisch. Für Untersuchungen zur in vivo Relevanz wurden MHC-II-chimäre Mäuse generiert und eine Läsion im entorhinalen Kortex gesetzt. Fehlte MHC-II in ZNS-residenten Zellen, wurden weniger regulatorische T-Zellen pro Leukozyt in die lädierten Hemispheren rekrutiert. Zusammenfassend demonstrieren diese Ergebnisse das Modulationspotential von Mikrogliazellen auf die CD4+ T-Zellantwort. Die Mikroglia-induzierte Differenzierung und Proliferation von Foxp3+ regulatorischen T-Zellen ist ein möglicher Mechanismus der Regulation von Entzündungsvorgängen im ZNS durch Mikrogliazellen. / The invasion of leukocytes into the central nervous system (CNS) is a key event in the pathogenesis of CNS injury and acute or chronic inflammatory neurological diseases. However, regulatory mechanisms of local innate immune responses that limit CNS inflammation are only poorly understood. Microglia are the predominant innate immune cells of the brain and present the first line of defence in CNS injury or disease. In the context of neurodegenerative disease, microglia activation accounts for collateral tissue damage and neurodestruction. This thesis for the first time describes a regulatory microglia phenotype (MHCII+CD40dimCD86dimIL-10high) that induced a strong Foxp3+ regulatory T cell (Treg) response. Microglia-induced Treg cells were stable and functionally active in vitro by inhibiting antigen-specific proliferation of effector T cells and in vivo, by attenuating experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) disease course after adoptive transfer. The data also suggested that regulatory microglia can mediate both, proliferation of Foxp3+ Treg cells and de novo differentiation from naive CD4+ T cells. Microglia-mediated Treg induction was proven to be MHCII and antigen-dependent. Using entorhinal cortex lesion (ECL) as a brain injury mouse model, diminished Foxp3+ Treg cell recruitment per infiltrated leukocyte in chimeric mice lacking MHCII specifically in the CNS was demonstrated, indicating in vivo relevance of antigen presentation by brain resident cells. Taken together, these findings demonstrate that microglial cells can directly modulate CD4+ T cell responses by regulating molecule levels for efficient antigen presentation and levels of secreted cytokines and chemokines. Microglia-mediated differentiation and proliferation of Foxp3+ Treg cells can be one of the mechanisms how microglia contribute to local immune homeostasis and limit CNS inflammation.

Schicht 2 des mediale entorhinale Kortex (MEK) beinhaltet die größte Anzahl von Gitterzellen, welche durch ein hexagonales Aktivitätsmuster während räumlicher Exploration gekennzeichnet sind. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass spezielle Pyramidenzellen, die das Protein Calbindin exprimieren, in einem hexagonalen Gitter im Gehirn der Ratte angeordnet sind und cholinerg innerviert werden. Es ist bekannt, dass die cholinerge Innervation wichtig für die Aktivität von Gitterzellen ist. Weiterhin ergaben neuronale Ableitungen und Methoden zur Identifikaktion einzelner Neurone in frei verhaltenden Ratten, dass Calbindin-positive Pyramidenzellen (Calbindin+) eine große Anzahl von Gitterzellen beinhalten. Reelin-positive Sternzellen (Reelin+) im MEK, zeigten keine anatomische Periodizität und ihre Aktivität orientierte sich an den Begrenzungen der Umgebung. Eine weitere Studie untersucht die Architektur des MEK in verschiedenen Säugetieren, die von der Etrusker Spitzmaus, bis hin zum Menschen ~100 Millionen Jahre evolutionäre Vielfalt und ~20,000 fache Variation der Gehirngröße umfassen. Alle Arten zeigten jeweils eine periodische Anhäufung der Calbindin+ Zellen, was deren evolutive Bedeutung unterstreicht. Eine Studie zur Ontogenese der Calbindin Anhäufungen ergab, dass die periodische Struktur der Calbindin+ Zellen, sowie die verstreute Anordnung der Reelin+ Sternzellen schon zum Zeitpunkt der Geburt erkennbar war. Weitere Ergebnisse zeigen, dass Calbindin+ Zellen strukturell später ausreifen als Reelin+ Sternzellen - passend zu der Erkenntnis, dass Gitterzellen funktionell später reifen als Grenzzellen. Eine Untersuchung des Parasubiculums ergab, dass Verbindungen zum MEK präferiert in die Calbindin Anhäufungen in Schicht 2 projizieren. Zusammenfassend beschreibt diese Doktorarbeit eine Dichotomie von Struktur und Funktion in Schicht 2 des MEK, welche fundamental für das Verständnis von Gedächtnisbildung und deren zugrundeliegenden Mikroschaltkreisen ist. / The medial entorhinal cortex (MEC) is an important hub in the memory circuit in the brain. This thesis comprises of a group of studies which explores the architecture and microcircuits of the MEC. Layer 2 of MEC is home to grid cells, neurons which exhibit a hexagonal firing pattern during exploration of an open environment. The first study found that a group of pyramidal cells in layer 2 of the MEC, expressing the protein calbindin, were clustered in the rat brain. These patches were physically arranged in a hexagonal grid in the MEC and received preferential cholinergic-inputs which are known to be important for grid-cell activity. A combination of identified single-cell and extracellular recordings in freely behaving rats revealed that grid cells were mostly calbindin-positive pyramidal cells. Reelin-positive stellate cells in MEC were scattered throughout layer 2 and contributed mainly to the border cell population– neurons which fire at the borders of an environment. The next study explored the architecture of the MEC across evolution. Five mammalian species, spanning ~100 million years of evolutionary diversity and ~20,000 fold variation in brain size exhibited a conserved periodic layout of calbindin-patches in the MEC, underscoring their importance. An investigation of the ontogeny of the MEC in rats revealed that the periodic structure of the calbindin-patches and scattered layout of reelin-positive stellate cells was present around birth. Further, calbindin-positive pyramidal cells matured later in comparison to reelin-positive stellate cells mirroring the difference in functional maturation profiles of grid and border cells respectively. Inputs from the parasubiculum, selectively targeted calbindin-patches in the MEC indicating its role in shaping grid-cell function. In summary, the thesis uncovered a structure-function dichotomy of neurons in layer 2 of the MEC which is a fundamental aspect of understanding the microcircuits involved in memory formation.

Das Kolonkarzinom ist eine der häufigsten Tumorerkrankungen weltweit. Etwa 50 % der Patienten entwickeln Fernmetastasen. Diese haben eine sehr schlechte Überlebensprognose. Deshalb fokussiert die Forschung auf die Identifizierung neuer, molekularer Marker für eine verbesserte Metastasierungsvorhersage. Identifizierte Hochrisiko-Patienten könnten somit rechtzeitig eine individualisierte, intensivere Therapie erhalten. MACC1 (Metastasis-associated in colon cancer 1) ist ein neu identifiziertes Gen, das in Kolonkarzinomen und deren Fernmetastasen überexprimiert wird. Die Domänenstruktur von MACC1 ist kennzeichnend für Proteine der Rezeptor-Tyrosinkinase-Signalwege. Ziel dieser Arbeit war die Aufklärung der zellulären Funktion von MACC1 und seiner Rolle in der Tumorprogression sowie die Evaluierung von MACC1 als molekularer Metastasierungsmarker. MACC1-überexprimierende Tumorzellen zeigten in Abhängigkeit von der Domänenstruktur in in vitro Assays ein erhöhtes migratorisches, invasives und proliferatives Potential. Der Einfluss von MACC1 auf die Metastasierungskapazität von Tumorzellen konnte auch im Tiermodell belegt werden. Der Hepatocyte-growth-factor (HGF) induziert die epitheliale-mesenchymale Transition MACC1-exprimierender Zellen und die nukleäre Translokation von MACC1. Die Expression des HGF-Rezeptors Met war in diesen Zellen stark erhöht. Reportergen-Studien bestätigten die transkriptionelle Regulation von Met durch MACC1. Die Analyse humaner Kolonkarzinome ergab eine signifikant höhere MACC1 Expression in Primärtumoren mit metachroner Fernmetastasierung. MACC1 ist ein neu identifizierter Regulator des HGF/Met-Signalweges und trägt somit entscheidend zur Determinierung des metastatischen Potentials von Tumorzellen bei. MACC1 hat großes Potential als neuer, prognostischer Marker für die Metastasierung des Kolonkarzinoms und ist ein Kandidatengen als Ziel effektiver, molekularer Interventionsstrategien zur Metastasierungs-Prävention. / Colon cancer is one of the most frequent malignant diseases worldwide. About 50% of the patients develop distant metastasis. These patients have only few therapy options and very poor survival rates. Therefore cancer research focuses on the identification of novel molecular markers to provide a better prognosis of the metastatic risk. Identified high-risk patients would get access to an early, individualized therapy. MACC1 (metastasis associated in colon cancer 1) is a newly identified gene that is overexpressed in colon carcinomas and their distant metastases. The MACC1 domain structure is characteristic for proteins of the receptor tyrosine kinase signalling pathways. Aim of this study was the analysis of the cellular function of MACC1, its role in tumor progression and its evaluation as a molecular, prognostic marker for metastasis. MACC1 overexpressing tumor cells revealed higher migratory, invasive, and proliferative potential in in vitro assays. The impact of MACC1 on the metastatic potential of tumors was also shown in mouse models. The hepatocyte growth factor (HGF) induced epithelial-mesenchymal-transition in MACC1 positive cells and MACC1´s nuclear translocation. Expression of the HGF receptor Met was strongly elevated in these cells. Reporter gene experiments confirmed the transcriptional regulation of Met by MACC1. Analyses in human colon carcinomas showed a significantly higher MACC1 expression in tumors that developed distant metastases. MACC1 is a newly identified regulator of the HGF/Met signalling pathway. It contributes decisively to the metastatic capacity of tumor cells. MACC1 has great potential as new prognostic marker for colon cancer metastasis and is a promising candidate as target for effective, molecular intervention strategies for metastasis prevention.

Die molekularbiologische Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Pathogenen und ihren Wirtszellen ist ein wertvoller Ansatz zur Erschließung bakterieller Pathogenitätsmechanismen und hilft, unser ständig wachsendes Wissen über fundamentale Prozesse in eukaryotischen Zellen zu erweitern. Das Gram-negative Bakterium Salmonella Typhimurium ist ein gängiger Modellorganismus, um den intrazellulären Lebensstil bakterieller Pathogene und deren Einfluss auf Wirtszellprozesse zu erforschen. In der vorliegenden Arbeit wurde ein FACS-basierter Hochdurchsatz RNA Interferenz Screen etabliert und durchgeführt, um Wirtszellfaktoren zu entschlüsseln, welche in die intrazelluläre Replikation von Salmonella Typhimurium in humanen Epithelzellen involviert sind. Ein Salmonellen-Stamm, der zwei fluoreszierende Reporterproteine exprimiert, wurde konstruiert, um die bakterielle Replikation und die metabolische Aktivität in infizierten Wirtszellen zu detektieren. Der Einsatz einer humanen Kinase-Bibliothek lieferte 48 potentielle Kandidatengene, von denen 15 in einer anschließenden Validierung als relevante Faktoren identifiziert werden konnten. Die Mitogen-aktivierte Protein Kinase MKK7, deren Depletion eine verminderte bakterielle Replikation zur Folge hatte, wurde für eine weitergehende funktionelle Charakterisierung ausgewählt. Es zeigte sich, dass reduzierte MKK7 Proteinmengen eine Verringerung des Proteins zytosolische Phospholipase A2 (cPLA2) durch eine transkriptionelle Regulation zur Folge hatten. Die Bedeutung von cPLA2 für die bakterielle Infektion wurde durch die Salmonellen-induzierte, dauerhafte Phosphorylierung des Faktors deutlich und konnte durch Replikationsvergleiche in cPLA2-depletierten und nicht-depletierten Zellen bestätigt werden. Mikroskopische Ergebnisse deuteten darauf hin, dass die Phospholipase für den fehlerfreien Aufbau von Salmonellen-induzierten Filamenten notwendig ist, welche unerlässlich für die Salmonellenreplikation in Epithelzellen sind. / The study of pathogen-host cell interactions on the molecular level is a valuable tool to reveal bacterial pathogenicity mechanisms and, moreover, contributes to our increasing knowledge of fundamental cellular processes of eukaryotic cells. The Gram negative bacterium Salmonella Typhimurium is a well established model organism to investigate the intracellular lifestyle of bacterial pathogens and their modulation of host cell processes. In this work, a FACS-based high-throughput RNA interference screen was established and performed to elucidate host cell factors involved in the intracellular replication of Salmonella Typhimurium. A Salmonella strain expressing two fluorescent reporter constructs was generated which allowed for monitoring the bacterial replication and metabolic activity within infected cells. A human kinome-wide siRNA library was screened and 48 candidates were chosen for further validation. Among these, 15 host cell genes were identified to influence Salmonella intracellular replication. The mitogen activated protein kinase MKK7, whose depletion caused a decrease in bacterial replication, was selected for a more profound functional characterization. It could be demonstrated that the knock down of MKK7 caused a decrease in phospholipase A2 (cPLA2) protein levels due to a transcriptional regulation. A role for cPLA2 during the bacterial intracellular lifestyle was implicated by the finding that Salmonella induced a permanent phosphorylation of the phospholipase. The necessity of cPLA2 was confirmed with replication assays in cPLA2 depleted cells using siRNA and shRNA mediated knock down strategies. Microscopic experiments indicated that the phospholipase A2 is involved in the accurate generation of Salmonella-induced filaments, structures that were reported to be indispensable for replication.

Auf Adenoviren (Ads) basierende Vektoren wurden als ein gezielter Anti-Krebs-Wirkstoff entwickelt, der erfolgversprechende Resultate in prä-klinischen Studien erzielen konnte. Solche onkolytischen Ads sind zwar in klinischen Studien generell als sicher eingestuft worden, konnten jedoch die therapeutischen Erwartungen nicht erfüllen. In dieser Doktorarbeit konnte, unter Verwendung der Genexpressionsprofile von Ovarialkarzinom-Zellen, der epitheliale Phänotyp als Hindernis für allgemein verwendete onkolytische Ads, die auf den Coxsackie- und Adenovirusrezeptor (CAR) oder CD46 ausgerichtet sind, identifiziert werden. Der Zugang zu den Virus-Rezeptoren war zwingend an Zelldepolarisation und den Verlust der epithelialen Zonulae occludens und adherens gekoppelt, was Merkmale der Epithelial-zu-Mesenchymal-Transition (EMT) darstellt. Bedeutsam ist in diesem Zusammenhang, dass Tumore in situ als auch Xenograft-Tumore zum größten Teil aus Epithelzellen oder epithelial/mesenchymalen (E/M) Hybrid-Zellen bestehen. Diese E/M Hybrid-Zellen sind die einzigen Zellen, welche an Zellkulturbedingungen adaptieren, wo sie durch EMT während weiterem Passagieren in Mesenchymzellen differenzieren. Bemerkenswert ist hierbei die Tatsache, dass nur Mesenchymzellen und E/M Hybrid-Zellen, die sich im EMT-Prozess befanden, sensitiv zu viraler Onkolyse waren. In Versuchen, die festgestellte Resistenz zu überwinden, wurde herausgefunden, dass bisher nur wenig erforschte Adenovirus-Serotypen (Ad3, Ad7, Ad11 und Ad14), welche einen anderen Rezeptor als CAR oder CD46 auf Zellen benutzen, besser geeignet sind, um polarisierte Epithelzellgewebe zu infizieren. Diese Ads induzierten EMT-ähnliche Prozesse in Ovarialkarzinom-Kulturen mit epithelialem Phänotyp, was zu deren effizienter Onkolyse führte. Die vorliegende Arbeit trägt somit zur Aufklärung der Diskrepanz zwischen der Virustherapie-Effizienz in vivo und in vitro bei und bietet Anhaltspunkte für die Konstruktion von zukünftigen onkolytischen Ads. / Vectors based on adenoviruses have been designed as targeted anti-cancer therapeutics that showed promising results in pre-clinical applications. In clinical trials, these oncolytic adenoviruses have generally been proved safe in patients, but have fallen short of their expected therapeutic value. In this thesis the susceptibility of primary ovarian cancer cells to oncolytic adenoviruses was studied in order to identify cellular mechanisms that confer resistance to virotherapy. Using gene expression profiling of cancer cells either resistant or susceptible to viral oncolysis, it was discovered that the epithelial phenotype of ovarian cancer represents a barrier to infection by commonly used oncolytic adenoviruses targeted to coxsackie- and adenovirus receptor (CAR) or CD46. Accessibility to viral receptors was critically linked to depolarization and the loss of tight and adherens junctions, both hallmarks of epithelial-mesenchymal transition (EMT). Importantly, tumors in situ as well as xenograft tumors derived from primary ovarian cancer cells mostly contained epithelial cells and cells that are in an epithelial/mesenchymal (E/M) hybrid stage. These E/M cells are the only xenograft-derived cells that can be cultured and with passaging undergo EMT to differentiate into mesenchymal cells. Notably, only mesenchymal cells and E/M cells in the process of EMT were susceptible to viral oncolysis. In attempts to overcome the observed resistance, it was found that thus far little explored adenovirus serotypes (Ad3, Ad7, Ad11, and Ad14), which use cellular receptor(s) other than CAR and CD46, have superior oncolytic abilities on polarized epithelial tissue. This study therefore contributes to the clarification of observed discrepancies between virotherapy performances in vitro and in vivo and gives a rationale for the construction of future oncolytic adenoviruses.