Diese Doktorarbeit behandelt die Beobachtung, daß Koregulationsmuster in Genexpressionsdaten häufig Funktionsstrukturen der Zelle widerspiegeln. Zunächst werden simulierte Genexpressionsdaten und Expressionsdaten aus Hefeexperimenten mit Hilfe von Independent Component Analysis (ICA) und verwandten Faktormodellen untersucht. In einem eher theoretischen Zugang werden anschließend Beziehungen zwischen den Expressionsmustern und der biologischen Funktion der Gene aus einem Optimalitätsprinzip hergeleitet. Lineare Faktormodelle, beispielsweise ICA, zerlegen Genexpressionsmatrizen in statistische Komponenten: die Koeffizienten bezüglich der Komponenten können als Profile von verborgenen Variablen ("Expressionsmoden") interpretiert werden, deren Werte zwischen den Proben variieren. Im Gegensatz zu Clustermethoden beschreiben solche Faktormodelle eine überlagerung biologischer Effekte und die individuellen Reaktionen der einzelnen Gene: jedes Genprofil besteht aus einer überlagerung der Expressionsmoden, die so die gemeinsamen Schwankungen vieler Gene erklären. Die linearen Komponenten werden blind, also ohne zusätzliches biologisches Wissen, aus den Daten geschätzt, und die meisten der hier betrachteten Methoden erlauben es, nahezu schwach besetzte Komponenten zu rekonstruieren. Beim Ausdünnen einer Komponente werden Gene sichtbar, die stark auf die entsprechende Mode reagieren, ganz in Analogie zu Genen, die differentielle Expression zwischen einzelnen Proben zeigen. Verschiedene Faktormodelle werden in dieser Arbeit auf simulierte und experimentelle Expressionsdaten angewendet. Bei der Simulation von Expressionsdaten wird angenommen, daß die Genexpression von einigen unbeobachteten Variablen ("biologischen Expressionsmoden") abhängt, die den Zellzustand beschreiben und deren Einfluss auf die Gene sich durch nichtlineare Funktionen, die sogenannten Genprogramme, beschreiben läßt. Besteht Hoffnung, solche Expressionsmoden durch blinde Datenanalyse wiederzufinden? Die Tests in dieser Arbeit zeigen, daß die Moden mit ICA recht zuverlässig gefunden werden, selbst wenn die Daten verrauscht oder leicht nichtlinear sind und die Anzahl der wahren und der geschätzten Komponenten nicht übereinstimmt. Regressionsmodelle werden an Profile einzelner Gene angepasst, um ihre Expression durch Expressionsmoden aus Faktormodellen oder durch die Expression einzelner Transkriptionsfaktoren zu erklären. Nichtlineare Genprogramme werden mit Hilfe von nichtlinearer ICA ermittelt: solche effektiven Genprogramme könnten zur Beschreibung von Genexpression in großen Zellmodellen Verwendung finden. ICA und verwandte Methoden werden auf Expressionsdaten aus Zellzyklusexperimenten angewendet: neben biologisch interpretierbaren Moden werden experimentelle Artefakte identifiziert, die vermutlich Hybridisierungseffekte oder eine Verunreinigung der Proben widerspiegeln. Für einzelne Komponenten wird gezeigt, daß die koregulierten Gene gemeinsame biologische Funktionen besitzen und daß die entsprechenden Enzyme bevorzugt in bestimmten Bereichen des Stoffwechselnetzes zu finden sind. Die Expressionmechanismen scheinen also - als Ergebnis der Evolution - Funktionsbeziehungen zwischen den Genen widerzuspiegeln: es wäre unter ökonomischen Gesichtspunkten vermutlich ineffizient, wenn kooperierende Gene nicht auch koreguliert würden. Um diese teleologische Vorstellung von Genexpression zu formalisieren, wird in dieser Arbeit ein mathematisches Modell zur Analyse der optimalen differentiellen Expression (ANODE) vorgeschlagen: das Modell beschreibt Regulatoren, also beispielsweise Gene oder Enzyme, und die von ihnen gesteuerten Variablen, zum Beispiel metabolische Flüsse. Das Systemverhalten wird durch eine Fitnessfunktion bewertet, die beispielsweise vom bestimmten Stoffwechselflüssen abhängt und die es zu optimieren gilt. Dieses Optimalitätsprinzip definiert eine optimale Reaktion der Regulatoren auf kleine äußeren Störungen. Zur Berechnung optimaler Regulationsmuster braucht das zu regulierende System nur teilweise bekannt zu sein: es genügt, sein mögliches Verhalten in der Nähe des optimalen Zustandes sowie die lokale Form der Fitnesslandschaft zu kennen. Die Methode wird auf zeitabhängige Störungen erweitert: um die Antwort von Stoffwechselsystemen auf kleine oszillatorische Störungen zu beschreiben, werden frequenzabhängige Kontrollkoeffizienten definiert und durch Summations- und Konnektivitätstheoreme charakterisiert. Um die vorhergesagte Beziehung zwischen Expression und Funktion zu prüfen, werden Kontrollkoeffizienten für ein großes Stoffwechselnetz simuliert, und ihre statistischen Eigenschaften werden untersucht: die Struktur der Kontrollkoeffizientenmatrix bildet die Netztopologie ab, das bedeutet, chemische Reaktionen haben gewöhnlich einen geringen Einfluss auf weit entfernte Teile des Netzes. Außerdem hängen die Kontrollkoeffizienten innerhalb eines Teilnetzes nur schwach von der Modellierung des umgebenden Netzes ab. Verschiedene plausible Annahmen über sinnvolle Expressionsmuster lassen sich formal aus dem Optimalitätsprinzip herleiten: das Hauptergebnis ist eine allgemeine Beziehung zwischen dem Verhalten und der biologischen Funktion von Regulatoren, aus der sich zum Beispiel die Koregulation von Enzymen in Komplexen oder Funktionsmodulen ergibt. Die Funktionen der Gene werden in diesem Zusammenhang durch ihre linearen Einflüsse (die sogenannten Responsekoeffizienten) auf fitnessrelevante Zellvariable beschrieben. Für Stoffwechselenzyme werden aus den Theoremen der metabolischen Kontrolltheorie Summenregeln hergeleitet, die die Expressionsmuster mit der Struktur des Stoffwechselnetzes verknüpfen. Weitere Vorhersagen betreffen eine symmetrische Kompensation von Gendeletionen und eine Beziehung zwischen Genexpression und dem Fitnessverlust aufgrund von Deletionen. Wenn die optimale Steuerung durch eine Rückkopplung zwischen Zellvariablen und den Regulatoren verwirklicht ist, dann spiegeln sich funktionale Beziehungen auch in den Rückkopplungskoeffizienten wider. Daher ist zu erwarten, daß Gene mit ähnlicher Funktion durch Eingangssignale aus denselben Signalwegen gesteuert werden. Das Modell der optimalen Steuerung sagt voraus, daß Expressionsprofile aus Linearkombinationen von Responsekoeffizientenprofilen bestehen: Tests mit experimentellen Expressionsdaten und simulierten Kontrollkoeffizienten stützen diese Hypothese, und die gemeinsamen Komponenten, die aus diesen beiden Arten von Daten geschätzt werden, liefern ein anschauliches Bild der Stochwechselvorgänge, die zur Anpassung an unterschiedliche Umgebungen notwendig sind. Alles in allem werden in dieser Arbeit empirische Beziehungen zwischen der Expression and der Funktion von Genen bestätigt. Darüber hinaus werden solche Beziehungen aus theorischen Gründen vorhergesagt. Ein Hauptziel ist es, teleologische Aussagen über Genexpression auf explizite Annahmen zurückzuführen und dadurch klarer zu formulieren, und so einen theoretischen Rahmen für die Integration von Expressionsdaten und Funktionsannotationen zu liefern. Während andere Autoren die Expression mit Funktionskategorien der Gene oder topologisch definierten Stoffwechselwegen verglichen haben, schlage ich vor, die Funktionen von Genen durch ihre Responsekoeffizienten auszudrücken. Als ein Hauptergebnis dieser Arbeit werden allgemeine Beziehungen zwischen der Funktion, der optimalen Expression und dem Programm eines Gens vorhergesagt. Soweit die Optimalitätsannahme gilt, rechtfertigt das Modell die Verwendung von Expressionsdaten zur Funktionsannotation und zur Rekonstruktion von Stoffwechselwegen und liefert außerdem eine funktionsbezogene Interpretation für die linearen Komponenten in Expressionsdaten. Die Methoden aus dieser Arbeit sind nicht auf Genexpressionsdaten beschränkt: die Faktormodelle lassen sich auch auf Protein- und Metabolitdaten anwenden, und das Optimalitätsprinzip könnte ebenfalls auf andere Steuerungsmechanismen angewendet werden, beispielsweise auf die allosterische Steuerung von Enzymen. / This thesis is concerned with the observation that coregulation patterns in gene expression data often reflect functional structures of the cell. First, simulated gene expression data and expression data from yeast experiments are studied with independent component analysis (ICA) and with related factor models. Then, in a more theoretical approach, relations between gene expression patterns and the biological function of the genes are derived from an optimality principle. Linear factor models such as ICA decompose gene expression matrices into statistical components. The coefficients with respect to the components can be interpreted as profiles of hidden variables (called "expression modes") that assume different values in the different samples. In contrast to clusterings, such factor models account for a superposition of effects and for individual responses of the different genes: each gene profile consists of a superposition of the expression modes, which thereby account for the common variation of many genes. The components are estimated blindly from the data, that is, without further biological knowledge, and most of the methods considered here can reconstruct almost sparse components. Thresholding a component reveals genes that respond strongly to the corresponding mode, in comparison to genes showing differential expression among individual samples. In this work, different factor models are applied to simulated and experimental expression data. To simulate expression data, it is assumed that gene expression depends on several unobserved variables ("biological expression modes") which characterise the cell state and that the genes respond to them according to nonlinear functions called "gene programs". Is there a chance to reconstruct such expression modes with a blind data analysis? The tests in this work show that the modes can be found with ICA even if the data are noisy or weakly nonlinear, or if the numbers of true and estimated components do not match. Regression models are fitted to the profiles of single genes to explain their expression by expression modes from factor models or by the expression of single transcription factors. Nonlinear gene programs are estimated by nonlinear ICA: such effective gene programs may be used for describing gene expression in large cell models. ICA and similar methods are applied to expression data from cell-cycle experiments: besides biologically interpretable modes, experimental artefacts, probably caused by hybridisation effects and contamination of the samples, are identified. It is shown for single components that the coregulated genes share biological functions and the corresponding enzymes are concentrated in particular regions of the metabolic network. Thus the expression machinery seems to portray - as an outcome of evolution - functional relationships between the genes: regarding the economy of resources, it would probably be inefficient if cooperating genes were not coregulated. To formalise this teleological view on gene expression, a mathematical model for the analysis of optimal differential expression (ANODE) is proposed in this work: the model describes regulators, such as genes or enzymes, and output variables, such as metabolic fluxes. The system´s behaviour is evaluated by a fitness function, which, for instance, rates some of the metabolic fluxes in the cell and which is supposed to be optimised. This optimality principle defines an optimal response of regulators to small external perturbations. For calculating the optimal regulation patterns, the system to be controlled needs to be known only partially: it suffices to predefine its possible behaviour around the optimal state and the local shape of the fitness function. The method is extended to time-dependent perturbations: to describe the response of metabolic systems to small oscillatory perturbations, frequency-dependent control coefficients are defined and characterised by summation and connectivity theorems. For testing the predicted relation between expression and function, control coefficients are simulated for a large-scale metabolic network and their statistical properties are studied: the structure of the control coefficients matrix portrays the network topology, that is, chemical reactions tend to have little control on distant parts of the network. Furthermore, control coefficients within subnetworks depend only weakly on the modelling of the surrounding network. Several plausible assumptions about appropriate expression patterns can be formally derived from the optimality principle: the main result is a general relation between the behaviour of regulators and their biological functions, which implies, for example, the coregulation of enzymes acting in complexes or functional modules. In this context, the functions of genes are quantified by their linear influences (called ``response coefficients'') on fitness-relevant cell variables. For enzymes controlling metabolism, the theorems of metabolic control theory lead to sum rules that relate the expression patterns to the structure of the metabolic network. Further predictions concern a symmetric compensation for gene deletions and a relation between gene expression and the fitness loss caused by gene deletions. If optimal regulation is realised by feedback signals between the cell variables and the regulators, then functional relations are also portrayed in the linear feedback coefficients, so genes of similar function may be expected to share inputs from the same signalling cascades. According to the model of optimal regulation, expression profiles are linear combinations of response coefficient profiles: tests with experimental expression profiles and simulated control coefficients support this hypothesis, and the common components which are estimated from both kinds of data provide a vivid picture of the metabolic adaptations that are required in different environments. To summarise, empirical relations between gene expression and function have been confirmed in this work. Furthermore, such relations have been predicted on theoretical grounds. A main aim is to clarify teleological assertions about gene expression by deriving them from explicit assumptions, and thus to provide a theoretical framework for the integration of expression data and functional annotations. While other authors have compared expression to functional gene categories or topologically defined metabolic pathways, I propose to relate it to the response coefficients. A main result of this work is that general relations are predicted between a gene's function, its optimal expression behaviour, and its regulatory program. Where the assumption of optimality is valid, the model justifies the use of expression data for functional annotation and pathway reconstruction, and it provides a function-related interpretation for the linear components behind expression data. The methods from this work are not limited to gene expression data: the factor models are applicable to protein and metabolite data as well, and the optimality principle may also apply to other regulatory mechanisms, such as the allosteric control of enzymes.

Rhodopsin, der Rezeptor der visuellen Kaskade, gehört zu größten Klasse A der G-Protein-koppelnden Rezeptoren (GPCRs) und gilt als Modell-Rezeptor in der GPCR-Forschung. Über 3 % des humanen Genoms kodieren für GPCRs, doch trotz der physiologischen Bedeutung dieser Proteinfamilie sind die fundamentalen Mechanismen, mit denen diese Rezeptoren extrazelluläre Signale in das Zellinnere weiterleiten noch nicht verstanden. In der vorliegenden Dissertation werden Aspekte des Aktivierungsmechanismus von Rhodopsin sowie der Kopplung und Aktivierung des G-Proteins Transduzin untersucht. Die Arbeit ist in drei Schwerpunkte unterteilt: I. Es wurde ein in GPCR’s hochkonserviertes NPxxYx(5,6)F Motiv (Aminosäuresequenz Asn-Pro-x-x-Tyr-x(5,6)-Phe) in der siebten und achten Helix charakterisiert. In diesem konservierten Motiv sind mehrere für die Ausbildung der aktiven Rezeptorkonformation wichtige Funktionen vereint: Verknüpfung zu einem Wasserstoffbrückennetzwerk, Helixflexibilität sowie die exakte Positionierung der achten Helix. Letzteres hat nicht nur bei der Rezeptoraktivierung sondern auch bei der nachfolgenden Interaktion mit dem G-Protein eine Bedeutung. II. Anhand von chimären Rezeptoren, bei denen Teile der achten Helix durch homologe Sequenzen des beta2-adrenergen Rezeptors ausgetauscht wurden, wurde die Rolle der achten Helix bei der Rezeptor-Aktivierung und Bindung des G-Proteins untersucht. Auch bei dieser Studie wurde gezeigt, dass die exakte Positionierung der achten Helix essentiell für die Interaktion mit dem G-Protein ist. Zudem wurde ein bezüglich der G-Protein-Aktivierung funktionsfähiger chimärer Rezeptor gefunden, was auf einen übergeordneten Mechanismus bei der Aktivierung von G-Proteinen durch GPCRs hindeutet. III. Die Funktion des ß-Ionon-Rings des Retinals beim Aktivierungsmechanismus von Rhodopsin wurde an einem Retinal studiert, bei welchem Teile des Retinal-Rings fehlten (azyklisches Retinal). Auch diesem azyklischen Retinal können Eigenschaften eines partiellen Agonisten zugeschrieben werden. Beim Vergleich zu Pigmenten mit dem nativen 11-cis-Retinal wurden starke Analogien bei der initialen Energieaufnahme durch die Retinal-Isomerisierung sowie bei der Weiterleitung der Lichtenergie ins Protein gefunden. Allerdings wird die Energie schlechter auf das Protein übertragen, wodurch wesentlich weniger der aktiven G-Protein bindenden Rezeptorkonformation gebildet wird. Als wichtigste Funktion des Retinal-Rings wurde die Aufrechterhaltung der aktiven Meta-II-Konformation identifiziert. / Rhodopsin, the receptor of the visual cascade, belongs to the largest group A of G-protein coupled receptors (GPCRs) and can be seen as a model receptor in GPCR research. More than 3 % of the human genome code for GPCRs. But despite their physiological relevance, the detailed mechanism of signal transduction from extra cellular signal to different cellular pathways remains to be fully understood. Different aspects of receptor activation and the coupling and activation of the G-protein transducin are investigated in this dissertation. The thesis focuses on the following three subjects: I. A NPxxYx(5,6)F motif (amino acid sequence Asn-Pro-x-x-Tyr-x(5,6)-Phe) has been characterized for rhodopsin. It is localized in helix VII and VIII and is highly conserved throughout the GPCR family. Various roles for rhodopsin activation are combined in this motif: linkage to a hydrogen-bond network, helix flexibility and the exact positioning of helix VIII. The latter is not only relevant for the activation of the receptor but also for interaction with its G-protein. II. The role of helix VIII for receptor activation and G-protein coupling was studied on chimeric receptors, in which parts of helix VIII were exchanged against homologous sequences of the beta2 adrenergic receptor. This study confirmed the importance of helix VIII’s position for G-protein coupling. Furthermore, a chimeric receptor was found, which was fully functional concerning G-protein activation. This indicates that GPCRs might use a single, generic mechanism for G-protein activation. III. The role of the ß-ionone-ring for the activation mechanism of rhodopsin was studied by means of an acyclic retinal, which lacks four carbon atoms of the ß-ionone-ring. This modified retinal could be classified as a partial agonist for rhodopsin. Energy input by retinal isomerization and formation of the G-protein binding Meta-II conformation were found to be very similar to rhodopsin when bound to its native 11-cis-retinal. However, the lack of the ring structure resulted in a lower amount of Meta-II and a fast decay of activity. It was concluded that the main role of the ring structure is to maintain the active state of rhodopsin.

In dieser Arbeit werden Struktur-Funktionsbeziehungen in der medialen entorhinalen Hirnrinde untersucht. Schicht 2 Neurone im medialen entorhinalen Cortex unterteilen sich in calbindin-positive Pyramidenzellen und calbindin-negative Sternzellen. Calbindin-positive Pyramidenzellen bündeln ihre apikalen Dendriten zusammen und formen Zellhaufen, die in einem hexagolen arrangiert sind. Das Gitter von calbindin-positiven Pyramidenzellhaufen ist an Schicht 1 Axonen und dem Parasubiculum ausgerichtet und wird durch cholinerge Eingänge innerviert. Calbindin-positive Pyramidenzellen zeigen stark theta-modulierte Aktivität. Sternzellen sind vertreut in der Schicht 2 angeordnet und zeigen nur schwach theta-modulierte Aktivität, ein Befund, der gegen eine Rolle von zell-intrinsischen Oszillationen in der Entstehung von Theta-Modulation spricht. In der Arbeit wurden Methoden entwickelt, um durch die juxtazelluläre Färbung und Identifikation von Zellen, die räumlichen Feuermuster von Schicht 2 Sternzellen und Pyramidenzellen zu bestimmen. Insbesondere wird gezeigt, dass die zeitlichen Feuermuster von Sternzellen und Pyramidenzellen so unterschiedlich sind, dass auch Daten von nichtidentifizierten extrazellulär abgeleiteten Zellen Sternzellen und Pyramidenzellen zugeordnet werden können. Die Ergebnisse zeigen, dass Gitterzell (engl. grid cell) Feuermuster relativ selten sind und in der Regel in Pyramidenzellen beobachtet werden. Grenzzell (engl. border cell) Feuermuster sind dagegen meistens in Sternzellen zu beobachten. Weiterhin wurde die Anatomie und Physiologie des Parasubiculums untersucht. Die Ergebnisse deuten auf die Existenz eines hexagonalen ‘Gitterzell-gitters’ in der entorhinalen Hirnrinde hin und sprechen für starke Struktur-Funktionsbeziehungen in diesem Teil der Hirnrinde. / Little is known about how medial entorhinal cortical microcircuits contribute to spatial navigation. Layer 2 principal neurons of medial entorhinal cortex divide into calbindin-positive pyramidal cells and dentate-gyrus-projecting calbindin-negative stellate cells. Calbindin-positive pyramidal cells bundled dendrites together and formed patches arranged in a hexagonal grid aligned to layer 1 axons, parasubiculum and cholinergic inputs. Calbindin-positive pyramidal cells were strongly theta modulated. Calbindin-negative stellate cells were distributed across layer 2 but avoided centers of calbindin-positive pyramidal patches, and were weakly theta modulated. We developed techniques for anatomical identification of single neurons recorded in trained rats engaged in exploratory behavior. Furthermore, we assigned unidentified juxtacellular and extracellular recordings based on spike phase locking to field potential theta. In layer 2 of medial entorhinal cortex, weakly hexagonal spatial discharges and head direction selectivity were observed in both cell types. Clear grid discharges were predominantly pyramidal cells. Border cells were mainly stellate neurons. Thus, weakly theta locked border responses occurred in stellate cells, whose dendrites sample large input territories, whereas strongly theta-locked grid discharges occurred in pyramidal cells, which sample small input territories in patches organized in a hexagonal ‘grid-cell-grid’. In addition, we investigated anatomical structures and neuronal discharge patterns of the parasubiculum. The parasubiculum is a primary target of medial septal inputs and parasubicular output preferentially targeted patches of calbindin-positive pyramidal cells in layer 2 of medial entorhinal cortex. Parasubicular cells were strongly theta modulated and carried mostly head-direction and border information, and might contribute to shape theta-rhythmicity and the (dorsoventral) integration of information across entorhinal grid scales.

Toxoplasma gondii ist ein weit verbreiteter einzelliger Parasit, der fast alle warmblütigen Organismen infizieren kann. Asexuelle Fortpflanzung des Parasiten in seiner Wirtszelle wird durch aufeinanderfolgende lytische Zyklen erreicht, was die Bereitstellung einer signifikanten Menge an Energie und Biomasse erforderlich macht. Diese Arbeit zeigt, dass Glukose und Glutamin die beiden wichtigsten physiologischen Nährstoffe für die Synthese von Makromolekülen (ATP, Nukleinsäure, Proteine und Lipide) in T. gondii sind. Die Verfügbarkeit einer der beiden Kohlenstoffquellen reicht aus, um das Überleben des Parasiten sicherzustellen. Der Parasit kann durch Erhöhen des Flusses von Glutamin-abstammendem Kohlenstoff durch den TCA-Zyklus und durch gleichzeitige Aktivierung der Gluconeogenese, eine stetige Biogenese von ATP und Biomasse zur Wirtszellinvasion und Replikation gewährleisten, bzw. der genetischen Deletion des Glukosetransporters entgegenwirken. Der Wachstumsdefekt in der Glykolyse-Mutante wird durch eine kompromittierte Synthese von Lipiden verursacht, die durch Glutamin nicht ausgeglichen werden kann. Die Zugabe von exogenem Acetat kann diesen Wachstumsdefekt allerdings kompensieren. In dieser Arbeit konnten darüber hinaus zwei unterschiedliche Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase (PEPCK) Enzyme im Parasiten identifiziert werden, von denen eines im Mitochondrium lokalisiert ist (TgPEPCKmt), während das andere Protein nicht in Tachyzoiten (TgPEPCKnet) exprimiert wird. Parasiten mit intakter Glykolyse können die Deletion von TgPEPCKnet, als auch die genetische Deletion von TgPEPCKmt tolerieren, was ihre Redundanz für das Überleben der Tachyzoiten zeigt. TgPEPCKnet kann auch in der Glykolyse-defizienten Mutante deletiert werden, während TgPEPCKmt für das Überleben des Parasiten in dieser Mutante essentiell ist. Dies zeigte sich durch ein konditionelles Knockdown von TgPEPCKmt, das zu einer Inhibierung des Wachstums des Parasiten führte. / Toxoplasma gondii is a widespread protozoan parasite, infecting nearly all warm-blooded organisms. Asexual reproduction of the parasite within its host cells is achieved by consecutive lytic cycles, which necessitates biogenesis of significant energy and biomass. This work shows that glucose and glutamine are the two major physiologically important nutrients used for the synthesis of macromolecules (ATP, nucleic acid, proteins and lipids) in T. gondii, and either of them is sufficient to ensure the parasite survival. The parasite can counteract genetic ablation of its glucose transporter by increasing the flux of glutamine-derived carbon through the TCA cycle and by concurrently activating gluconeogenesis, which guarantee a continued biogenesis of ATP and biomass for host-cell invasion and parasite replication, respectively. Growth defect in the glycolysis-impaired mutant is caused by a compromised synthesis of lipids, which cannot be counterbalanced by glutamine, but can be restored by acetate. Consistently, supplementation of parasite cultures with exogenous acetate can amend the lytic cycle of the glucose transport mutant. Furthermore, this work revealed two discrete phosphoenolpyruvate carboxykinase (PEPCK) enzymes in the parasite, one of which resides in the mitochondrion (TgPEPCKmt), whereas the other protein is not expressed in tachyzoites (TgPEPCKnet). Parasites with an intact glycolysis can tolerate genetic deletions of TgPEPCKmt as well as of TgPEPCKnet, indicating their nonessential roles for the tachyzoite survival. TgPEPCKnet can also be ablated in glycolysis-deficient mutant, whereas TgPEPCKmt is refractory to deletion. In accord, the lytic cycle of a conditional mutant of TgPEPCKmt in the glycolysis-impaired strain was aborted upon induced repression of the mitochondrial isoform, demonstrating its essential role for the glucose-independent survival of tachyzoites.

Das 26S Proteasom ist ein großer Proteinase-Komplex, der aus 32 unterschiedlichen Untereinheiten aufgebaut ist. Das 26S Proteasom ist involviert in die ATP-abhängige De-gradation von ubiquitinierten Proteinen, die eine Vielfalt an zellulären Prozessen wie Signaltransduktion, Stressantwort, transkriptionelle Regulation, Chromosomen-Segregation, DNA-Reparatur, Zellzyklus-Steuerung und die Prozessierung von Peptiden für die MHC I Antigen Präsentation regulieren. Die Prozessierung von Peptiden wird ver-stärkt durch eine Interferon ? stimulierbare Variante des Proteasoms übernommen, dem so genannten Immunoproteasom. Die Biogenese dieses großen Komplexes ist ein komplizierter Mechanismus, welcher Expression und Assemblierung der proteasomalen Untereinheiten beinhaltet. In Eukaryonten sind für die Assemblierung und Maturierungsprozesse Helferproteine notwendig. In Mammalia übernimmt diese Funktion das Proteasom maturation Protein POMP. POMP ist wahrscheinlich auch bei der Biogenese des Immunoproteasoms von Bedeutung, da die mRNA von POMP durch Interferon ? induziert wird. Um die Regulation dieser Induktion zu untersuchen wurde der Promotor von POMP für die erste Fragestel-lung dieser Arbeit charakterisiert und seine Induzierbarkeit durch Interferon ? untersucht. Es konnte nachgewiesen werden, dass die erhöhte mRNA-Menge durch Interferon ?-Stimulation nicht auf eine Promotor-Induktion, sondern auf post-transkriptionelle Ereig-nisse zurückzuführen ist. In der zweiten Fragestellung dieser Arbeit sollte die Genregulation des Proteasoms unter Stressbedingungen untersucht werden. Der Stress wurde durch Inhibition der proteolyti-schen Aktivität des Proteasoms ausgelöst. Wie seit längerem bekannt ist, werden in Bakterien und Hefe die ATP-abhängigen Pro-teasekomplexe über ein kompliziertes regulatorisches Netzwerk gesteuert. Über die transkriptionelle Regulation des Mammalia Proteasoms war bisher wenig bekannt. Im Rahmen der hier vorliegenden Dissertation konnte gezeigt werden, dass die Reduktion der proteolytischen Aktivität des Proteasoms durch Behandlung von Mammalia-Zellen mit Proteasom-Inhibitoren durch eine gesteigerte Genexpression der proteasomalen Unter-einheiten kompensiert wird. Alle proteasomalen Untereinheiten werden konzertiert hoch-reguliert. Exemplarisch an der proteasomalen Untereinheit Rpt1(S7) und an dem Matu-rierungsfaktor POMP konnte eine posttranskriptionelle Regulation unter Proteasom-Inhibitor Einfluss ausgeschlossen werden. Die vom Inhibitor induzierte Genaktivierung resultiert in einer de novo Protein-Synthese und führt daher zu einer gesteigerten de no-vo Biogenese des Proteasoms. Dieses Phänomen ist begleitet durch eine vermehrte Ex-pression vom POMP. Damit konnte erstmals gezeigt werden, dass die Menge an Protea-som in Mammalia auf transkriptioneller Ebene reguliert wird und dass vermutlich ein au-toregulatorischer feedback-Mechanismus eine verminderte proteolytische Aktivität kom-pensieren kann. Diese Daten werden durch Ergebnisse der CAT-Reportergen-Assays des ?1(?)-Promotors gestützt. Exemplarisch konnte gezeigt werden, dass die Aktivität dieses Promotors in Anwesenheit von Proteasom-Inhibitoren ansteigt. Die induzierbare Promotorregion konnte bis auf 130 bp eingegrenzt werden. Innerhalb dieser Promotorse-quenz konnte die Bindung eines Transkriptionsfaktors (Nrf2) durch EMSA-Technik nach-gewiesen werden. / The 26 S proteasome is a high molecular mass proteinase complex that is built by of least 32 different protein subunits. The 26S proteasome is involved in the ATP-dependent degradation of ubiquitinated proteins that regulate a variety of cellular proc-esses including signal transduction, stress response, transcriptional control, chromosome segregation, DNA repair, cell cycle progression and processing of antigenic Peptides for the MHC I pathway. Biogenesis of this large complex is a complicated process compris-ing expression, assembly and maturation of all subunits. This crucial step is supported by POMP (proteasome maturation protein). POMP mRNA is induced by Interferon gamma (IFN ?). We investigated this phenomenon via Reportergen assays with the Promoter re-gion of POMP. POMP mRNA seems not to be regulated on a trancriptional level, but on posttranscriptional events. ATP-dependent protease complexes in bacteria and yeast are systems that undergo a highly sophisticated network of gene expression regulation. However, regulation of mammalian proteasome gene expression has been neglected so far as a possible control mechanism for the amount of proteasomes in the cell. We showed that treatment of cells with proteasome inhibitors and the concomitant impairment of proteasomal enzyme activ-ity induce a transient and concerted up-regulation of all mammalian 26S proteasome subunit mRNAs. Proteasome inhibition in combination with inhibition of transcription re-vealed that the observed up-regulation is mediated by coordinated transcriptional activa-tion of the proteasome genes and not by post-transcriptional events. Our experiments also demonstrate that inhibitor-induced proteasome gene activation results in enhanced de novo protein synthesis of all subunits and in increased de novo formation of the pro-teasome. This phenomenon is accompanied by enhanced expression of the proteasome maturation factor POMP. Thus, our experiments present first evidence that the amount of proteasomes in mammalia is regulated at the transcriptional level and that an auto regu-latory feedback mechanism exists that allows the compensation of reduced proteasome activity. These data are also supported by CAT reportergene assays with the protea-somal subunit ?1(?)-promoter. Exemplary we show the increase of CAT activities in re-sponse to proteasome inhibition. We can restrict the region of the promoter to 130 bp and identify Nrf2 as a possible candidate for a transcription factor via EMSA.

Die Bildung infektiöser Viruspartikel des humanen Zytomegalievirus (HCMV) ist ein mehr-stufiger Prozess. Sie beginnt mit der Verpackung der DNA in die Kapside im Kern, gefolgt von weiterer Reifung während des Transports durch das Zytoplasma und der abschließenden Freisetzung aus der Zelle. Im Zuge dieser Arbeit wurden zwei Proteine, die Einfluss auf die ebengenannten Prozesse haben, analysiert. Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit der funktionellen Charakterisierung des HCMV Pro-teins pUL77. Es ist bekannt, dass das homologe Protein pUL25 in alpha-Herpesvirinae essentiell für die DNA-Verpackung ist. Zunächst konnte das Protein als Kapsid-assoziiertes strukturelles Protein identifiziert werden. Es wurden Interaktionen von pUL77 mit DNA-Verpackungs- und Kapsidproteinen gezeigt. Weiterhin wurde die DNA-Bindungsfähigkeit von pUL77 in verschiedenen „in vitro“-Experimenten untersucht. Zusammengefasst weisen unsere Ergebnisse auf eine Funktion von HCMV pUL77 bei der DNA-Verpackung hin. Im zweiten Teil der Arbeit wurde das HCMV Protein pUL71 charakterisiert, das in allen Herpesviren konserviert vorkommt, dessen Funktion jedoch nicht charakterisiert ist. Zunächst wurde das Protein als strukturelles Tegumentprotein mit “earlylate“ Expressionskinetik klassifiziert. Weiterhin wurden die subzelluläre Lokalisation sowie virale und zelluläre Interaktionspartner untersucht. Die Ergebnisse weisen auf eine Funktion von HCMV pUL71 bei der Reifung und beim Transport der Virionen im Zytoplasma hin. „In silico“-Vorhersagen zeigten ein „Leuzin Zipper“-Motiv in pUL71, das als mögliche Oligomerisationsdomäne dienen könnte. Mutationen wurden in dieses Motiv eingebracht und die resultierenden Proteine auf ihre Oligomerisationsfähigkeit mit „in vitro“-Methoden und in rekombinanten Viren untersucht. Zusammenfassend konnten wir zeigen, dass das „Leuzin Zipper“-Motiv wichtig für die Funktion von pUL71 ist und diese mit einer unbeeinträchtigten Oligomerisation des Proteins zusammen hängt. / The morphogenesis of Human cytomegalovirus (HCMV) virions starts with the capsid assem-bly and DNA insertion in the nucleus followed by maturation during transport through the cytoplasm prior to release of virus progeny. In this study we are functionally characterising two proteins that are involved in those steps. The function of essential HCMV protein pUL77 is characterised in the first part of the study. HCMV pUL77 was shown to be a structural protein associated with capsids. Furthermore, our experiments demonstrated that HCMV pUL77 interacts with DNA packaging motor compo-nents and capsid proteins. The ability of HCMV pUL77 to bind double-stranded DNA was studied in “in vitro” assays designed for this study. The homologue α-Herpesvirinae protein pUL25 is described to be involved in processes connected with DNA packaging. Data ob-tained in this study demonstrates that HCMV pUL77 might serve a similar function. In the second part of the study HCMV pUL71, conserved throughout the Herpesvirus family but to date unclassified, was functionally characterised. HCMV pUL71 was defined a struc-tural tegument protein with early-late expression kinetics. We studied the sub-cellular local-isation and interactions of pUL71 with a subset of cellular and viral proteins. Thereby we could show that HCMV pUL71 function might be connected with processes of viral egress. By in silico analyses we identified a leucine zipper motif in pUL71 that might serve as a puta-tive oligomerisation domain. In order to investigate the function of the leucine zipper motif, we performed in vitro assays and investigated the alterations of the motif in the viral context. Taken together we can conclude that (i) an intact leucine zipper motif is crucial for the func-tion of pUL71 and (ii) this function is dependent upon undisturbed oligomerisation of the pro-tein.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Regulation der Aktivität der vesikulären Monoamintransporter VMAT1 und VMAT2 durch heterotrimere G-Proteine untersucht. In der humanen neuroendokrinen Zellinie BON werden VMAT1 und VMAT2 exprimiert. Sie colokalisieren in diesen Zellen mit der a-Untereinheit des heterotrimeren G-Proteins Go2 vorwiegend auf großen elektronendichten Vesikeln, den LDCVs. Die Aktivität beider Transporter unterliegt einer Regulation durch Gao2. Nach Aktivierung des G-Proteins kommt es zu einer Hemmung der vesikulären Monoaminaufnahme. Die Aktivität von VMAT2 wird dabei empfindlicher reguliert als die Aktivität von VMAT1. In Primärkulturen von Rapheneuronen der Ratte wird VMAT2 als neuronale Variante des Transporters exprimiert. VMAT2 lokalisiert in diesen Neuronen überwiegend auf kleinen synaptischen Vesikeln, den SSVs. Hier kommt es zu einer Colokalisation mit Gao2 auf diesem Vesikeltyp. Auch in Rapheneuronen wird die Aktivität von VMAT2 durch diese G-Protein Untereinheit gehemmt. Elektronenmikroskopische Befunde belegen die Lokalisation von VMAT2 und Gao2 auf SSVs von serotonergen Axonterminalen im präfrontalen Cortex der Ratte. An einer Präparation synaptischer Vesikel aus diesem Gehirnbereich konnte ebenfalls eine Hemmung der Transportaktivität von VMAT2 durch Gao2 nachgewiesen werden. Auch in Thrombozyten der Maus unterliegt die vesikuläre Serotoninaufnahme einer Hemmung durch ein heterotrimeres G-Protein. In chronisch entleerten Vesikeln aus Mäusen, in denen das Gen für die periphere Tryptophanhydroxylase deletionsmutiert vorlag, konnte zunächst keine Hemmung der Serotoninaufnahme durch heterotrimere G-Proteine beobachtet werden. Nach Vorbeladung der Vesikel mit Serotonin war dies jedoch der Fall. Die Aktivierung des G-Proteins wird somit sehr wahrscheinlich über den Füllungszustand der Vesikel gesteuert. / In this study we investigated the regulation of the activity of the vesicular monoamine transporters VMAT1 and VMAT2 by heterotrimeric G-proteins. In the human neuroendocrine cell line BON both transporters are expressed. They colocalize in these cells with the a-subunit of the heterotrimeric G-protein Go2 predominantely on Large Dense Core Vesicles (LDCVs). The activity of both VMAT1 and VMAT2 is regulated by Gao2. G-protein activation results in a down-regulation of vesicular monoamine uptake. VMAT2 appears to be more sensitive towards the observed G-protein regulation than VMAT1. Serotonergic raphe neurons in primary culture express VMAT2 as the neuronal form of the transporter. In these neurons VMAT2 predominantely localizes to Small Synaptic Vesicles (SSVs). Here, VMAT2 colocalizes with Gao2 on SSVs. In these neurons Gao2-dependent down-regulation of VMAT2 activity was observed, too. Immunoelectron microscopic analysis confirmed a localization of VMAT2 and Gao2 on SSVs from serotonergic terminals in the rat prefrontal cortex. In addition, Gao2-dependent regulation of VMAT2 activity could also be demonstrated when using a crude synaptic vesicle preparation of this brain area. Even in platelets obtained from mice the vesicular serotonin uptake is down-regulated by heterotrimeric G-proteins. In serotonin-depleted platelets from peripheral tryptophane-hydroxylase knockout mice no G-protein-dependent down-regulation of monoamine uptake was observed. After preincubation of the platelets with serotonin, the G-protein regulation was restored. Therefore, the vesicular transmitter content appears to be a likely factor of G-protein activation in platelets.

Streptococcus pneumoniae ist ein gram-positives Bakterium und ein Krankheitserreger des Menschen. Ein Charakteristikum des Bakteriums ist, dass es Cholin-Reste in seine dicke Zellwand einbaut. Das Ziel meiner Doktorarbeit war herauszufinden, inwiefern diese Cholin-Reste zur Virulenz des Bakteriums während experimenteller Sepsis und Meningitis beitragen. Dabei konnte ich feststellen, das cholinierte Wildtyp-Bakterien hoch virulent waren, ungestört im Wirt wachsen konnten und letztendlich zu einer massiven Überaktivierung des Wirts-Immunsystems (gemessen anhand der Zytokine IL-1beta, IL-6, IL-12, TNFalpha) sowie zum Tode der Versuchtiere führten. Im Gegensatz dazu waren cholin-freie Bakterien nicht in der Lage eine permanente Infektion im Wirt zu etablieren. So wuchsen sie nur anfangs und wurden vom Wirts-Immunsystem kontrolliert und beseitigt, sodass alle Tiere überlebten. Die Injektion von cholin-freien und cholinierten, hoch aufgereinigten Zellwänden, führte zu der Schlussfolgerung, dass Cholin in der Zellwand ein Immunevasionsmechanismus der Bakterien sein muss. Ausserdem waren cholin-freie Bakterien in der Lage einen protektiven, serotyp-spezifischen Immunschutz im Wirt zu induzieren. / Streptococcus pneumonia is a major human pathogen. Since it is a gram positive bacterium it is characterized by the production of a thick cell wall. Being auxotrophic for choline, the pneumococcus attaches this aminoalcohol to its teichoic acids thus decorating its surface with choline-residues. The aim of this work was to investigate the role that these choline residues play in the virulence of the bacterium. By using an isogenic choline-containing and choline-free pair of S. pneumoniae I was able to demonstrate that surface bound choline is essential for the virulence of the bacterium in animal models of experimental sepsis and meningitis. In either model choline-containing bacteria were able to persistently grow within the host system, continuously stimulate the production of proinflammatory cytokines (IL-1beta, IL-6, IL-12, TNFalpha) and eventually led to the death of all infected animals within 24h. In contrast, choline-free bacteria showed only transient growth within the host and induced only moderate and limited expression of cytokines. Consequently, the bacterium was virtually avirulent and all animals survived. Intracisternal application of highly purified cholinated and choline-free cell wall preparations, induced a comparable activation of the immune system. These findings led to the conclusion that choline residues contribute to an immunevasion strategy that allows the bacteria to grow despite an ongoing immune response. Although being avirulent choline-free bacteria were able to induce serotype specific immunity in the animals.

Das COP9 Signalosom ist ein hochkonservierter Proteinkomplex bestehend, aus acht Untereinheiten. In der vorgelegten Promotionsarbeit konnte ein bislang unbekannter Regulationsmechanismus der Biogenese des COP9 Signalosoms identifiziert werden. Die siRNA-vermittelte Reduktion der CSN1-Expression führte zu einer Reduktion der Expression aller CSN-Untereinheiten. Die Transfektion von His-CSN1 in siCSN1-Zellen induzierte die CSN-Neusynthese und ferner einen Anstieg der c-Myc- und STAT1 Expression. Durch die Stimulation der Zellen mit IFN alpha bzw. IFN gamma konnte die de novo Synthese des CSN-Komplexes induziert werden. Die siRNA-vermittelte Inhibition von STAT1, c-Myc bzw. Lin28B führte ebenso wie die Behandlung der Zellen mit AG9 bzw. AG490, pharmakologischen Inhibitoren der JAK-Kinasen, zu einer Reduktion der Proteinexpression der CSN-Untereinheiten. Dabei standen signifikanten Veränderungen auf der Proteinebene geringfügige Änderungen auf der mRNA-Ebene gegenüber. Daher wurde ein post-transkriptioneller Mechanismus zur Regulation der Expression der CSN-Untereinheiten unter Beteiligung von miRNAs postuliert. Diese Regulation wird vermutlich durch die Aktivität von c-Myc und Lin28B verstärkt. Dies stellt einen neuen, bislang unbekannten Mechanismus für die Regulation der Biogenese des COP9 Signalosoms, vermutlich über den c-Myc/Lin28B/let-7-Weg, dar. Die Co-Transfektion der siCSN1-Zellen mit spezifischen komplementären Inhibitoren dieser miRNAs führte zu einer Induktion der Proteinexpression der CSN-Untereinheiten. Die Transfektion von let-7 miRNA-Mimics bewirkte eine Reduktion der Expression der CSN-Untereinheiten in den siCSN1-Zellen. Ferner konnten im Rahmen dieser Arbeit mittels der miRBase Sanger Datenbank und der Software MicroInspector Bindestellen für let-7 miRNAs an den mRNAs der CSN- und der proteasomalen Lid-Untereinheiten identifiziert werden. Der gezeigte Regulationsmechanismus könnte auch für die Biogenese des proteasomalen Lids von Bedeutung sein. / The COP9 signalosome is a highly conserved protein complex composed of eight subunits. In this study a novel, regulatory mechanism of CSN biogenesis was identified. We used stable transfected siCSN1 cells in which the protein and the mRNA expression of CSN subuntis were downregulated. Transfection of His-CSN1 in those siCSN1 cells led to the induction of the de novo Synthesis of the whole CSN complex. In addition the expression of the transcription factors STAT1 and c-Myc was elevated. The cells were treated with IFN alpha or IFN gamma, respectively. This resulted in the induction of the CSN de novo synthesis. Moreover, the siRNA-mediated inhibition of STAT1, c-Myc, Lin28B as well as treatment with the pharmacological inhibitors AG9 or AG490 led to a reduced protein expression of the analysed CSN subunits. We found that in all experiments there was a significant change on protein level in contrast to a marginal change on the RNA level. Based on our study we hypothesized that the CSN biogenesis ist regulated post-transcriptionally by miRNAs. The participation of miRNAs in the regulation of CSN biogenesis was further analysed. The siCSN1 cells were transfected with complementary hairpin inhibitors of let-7 miRNAs, leading to an induction of the CSN synthesis. The transfection of let-7 miRNA-mimics, which enhance the impact of miRNA on target mRNAs, resulted in an decrease of the CSN expression. These findings prove the involvement of miRNAs in CSN biogenesis, presumably via the c-Myc/Lin28B/let-7 pathway. Furthermore, using miRBase Sanger database and MicroInspector software, potential binding sites for let-7 miRNAs were detected within the mRNA sequences of CSN subunits as well as of subunits of the proteasomal lid. Therefore, there is evidence to suggest that this mechanism is crucial for the regulation of the biogenesis of the proteasomal lid as well.

Chlamydien durch die Modulation spezifischer Wirtszellproteine verschiedene Wege der Apoptose verhindern können. Mcl-1 und cIAP-2 erwiesen sich als bedeutende Faktoren, die durch die Infektion hochreguliert und absolut notwendig für die Inhibierung der Apoptose durch Chlamydien waren. Hochregulation der Mcl-1 Expression führte zu einem Block im apoptotischen Weg oberhalb der Mitochondrien. cIAP-2 zusammen mit anderen Inhibitor of Apoptosis Proteins (IAP) verhinderten die Aktivierung von Caspase-3, denfinalen Schritt in der apoptotischen Kaskade. Weiterhin wurde beobachtet, dass die Aktivierung des MAPKinase-Signalweges durch die Infektion wichtig war für die Hochregulierung von Mcl-1 und cIAP-2. Ein Hochdurchsatz-Screen wurde durchgeführt, um andere Wirtszellfaktoren, die für die Apoptoseinhibierung durch die Chlamydien verantwortlich sind, zu identifizieren. Neben Mcl-1 waren die identifizierten Faktoren hauptsächlich Mitglieder des MAPKinase-Signalweges. Dabei wurde deren Rolle für die Apoptoseresistenz bestätigt. Eine weiterführende Analyse der im Screen ermittelten Faktoren identifizierte eine Funktion von HIF-1a bei der Modulation der Expression anti-apoptotischer Faktoren während der Infektion. Es wurde beobachtet, dass HIF-1a stabilisiert und zum Nukleus transloziert wird. Es ist bekannt, dass HIF-1a HIF-1a im Nukleus binden kann, um den funktionalen Transkriptionsfaktor HIF zu bilden. Dieser reguliert die Expression verschiedener Überlebensfaktoren, unter anderem Mcl-1. HIF-1a Knockdown inhibierte die Chlamydien-induzierte Hochregulation von Mcl-1 mRNA-Expression. / chlamydial infection blocked the apoptotic pathway at multiple levels by modulation of specific host cell proteins. Mcl-1 and cIAP-2 were two most prominent factors that were up-regulated during the infection, and absolutely required for apoptosis inhibition. Increased expression of Mcl-1 led to a block in the apoptotic pathway upstream of the mitochondria. cIAP-2, together with other inhibitor of apoptosis proteins (IAPs), blocked the activation of caspase-3 at the final step of the apoptosis cascade. Further, it was observed that the activation of the MAPK pathways during infection was needed for the up-regulation of Mcl-1 and cIAP-2. A high throughput RNAi screen was performed to identify other host factors required for the apoptosis resistance during the infection. Besides Mcl-1, the targets from the screen prominently included members of the MAPK pathways, confirming their role in the apoptosis resistance. Pathway analysis of the targets identified the role of HIF-1a in modulating the expression of the anti-apoptotic factors during infection. It was observed that during infection, HIF-1a gets stabilized and translocates to the nucleus. It is known that HIF-1a can bind to HIF-1a in the nucleus to form the functional transcription factor HIF, which can regulate the expression of survival factors like Mcl-1. This was seen to be the case, because knock down of HIF-1a abrogated the infection induced up-regulation of Mcl-1 at the mRNA levels.