Das Leben auf der Erde wird maßgeblich durch die Kraft der oxygenen Photosythese bestimmt, die Sonnen- in chemische Energie umwandelt. Cyanobakterien wie Prochloro- und Synechococcus zählen zu den wichtigsten primären Produzenten der Ozeane und werden zunehmend als Modelle für photosynthetische Organismen genutzt. Um die Regulationsmechanismen dieser Picocyanobakterien besser zu verstehen, wurde hier die Information von vier Genomen hochgradig verwandter aber dennoch ökologisch unterschiedlich angepasster mariner Stämme genutzt in einer Kombination aus computer-gestützten und experimentellen Untersuchungen. Sequenzsignale und RNA-kodierende Gene wurden als neuartige Regulationselemente identifiziert und entlang des phylogenetischen Gradienten verglichen. Mittels ''phylogenetic footprinting'' konnte ein minimales, konserviertes Set möglicher Transkriptionsfaktoren, deren Bindestellen und Regulons aufgedeckt werden. NtcA-, LexA- und ArsR-ähnliche Motive wurden ebenso gefunden wie neue regulatorische Elemente. Mit Hilfe von RACE Experimenten wurden einige der vorhergesagten Bindestellen Promotorregionen zugeordnet. Eine Suche nach konservierten Sekundärstrukturen detektierte mehrere nicht-kodierende RNAs, benannt Yfr für cYanobacterial Functional RNA. Eine vergleichende Analyse von Yfr7 innerhalb der cyanobakteriellen Linie ergab, dass diese RNA wahrscheinlich ein Homolog der E. coli 6S RNA ist. Zwei verschiedene Yfr7 Transkripte mit einem zirkadianen aber zeitversetzten Akkumulationsmuster lassen eine Verknüpfung ihrer Expression mit dem zirkadianen Rhythmus oder der Lichtintensität vermuten. Experimente in Synechocystis deckten einen neuartigen Regulationsmechanismus durch eine antisense RNA auf, welche die Menge der isiA mRNA kontrolliert und die Assemblierung von IsiA-Superkomplexen beeinflusst. Die funktionelle Zuordnung dieser neuen Elemente wird zu einem besseren Verständnis regulatorischer Netzwerke in marinen Cyanobakterien und darüber hinaus führen. / Life on Earth is driven by the power of oxygenic photosynthesis transforming solar into chemical energy. Cyanobacteria such as Prochlorococcus and Synechococcus belong to the most important primary producers within the oceans and increasingly serve as models for photosynthetic organisms. To better understand the regulatory mechanisms in these picocyanobacteria, here the information from four genomes of closely related and even so ecologically divergent marine strains was used in a combined computational and experimental approach. Sequence signals and RNA-coding genes as novel elements in the regulation of gene expression were identified and their distribution along the phylogenetic gradient compared. Phylogenetic footprinting revealed a minimal conserved set of putative transcription factors, their binding sites and regulons. Sites for NtcA, LexA and ArsR-like regulators were found as well as new cis elements. RACE experiments verified several of these predicted sites belonging to the promoter region. A search, focussing on conserved secondary structures, detected several non-coding RNAs named Yfr for cYanobacterial Functional RNA. A comparative analysis of Yfr7 structures, transcript types and accumulation throughout the cyanobacterial radiation indicated this RNA as the likely homologue of the E. coli 6S RNA. Two distinct Yfr7 transcripts with a circadian but time-shifted expression pattern suggested a coupling of their expression to the circadian rhythm or light intensity. Experiments in Synechocystis discovered a novel antisense RNA-mediated regulatory mechanism that controls isiA mRNA abundance and assembly of IsiA-photosystem I supercomplexes. Functional assignments of these new elements in the future will contribute to a deeper understanding of the regulatory network of marine cyanobacteria and promote new studies on bacterial ncRNAs.

Der erste Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf die Mechanismen hormoninduzierter Ca2+-oszillationen, und wie diese von Konzentrationsschwankungen des Ca2+-freisetzenden Botenstoffes Inositol-1,4,5-trisphosphat (IP3) beinflusst werden. Wir konnten zeigen, dass IP3-Oszillationen die Frequenzkodierung des äußeren Stimulus durch Ca2+-Ozillationen deutlich verstärken. Zwei Mechanismen für das Entstehen der IP3-Oszillationen wurden untersucht: es zeigte sich, dass die Aktivierung der Phospholipase C durch Ca2+ der wahrscheinlichste Mechanismus ist. Um die Rolle der IP3-Oszillationen genauer zu verstehen, wurde ein Modell für den Stoffwechsel des IP3-Vorläufers Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat (PIP2) entwickelt. Es zeigt sich, dass die scheinbar nutzlosen Phosphorylierungs/Dephosphorylierungszyklen eine wichtige Rolle für den PIP2-Haushalt spielen. Durch Nachliefern von PIP2 während der Stimulierung ermöglichen sie anhaltende Ca2+-signale. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit einem DNS-Reparaturweg, der Reparatur mittels Entfernung von Nukleotiden (NER). Dieser Reparaturmechanismus ist äußerst vielseitig und entfernt Pyrimidinpaare, die durch UV-Strahlung erzeugt wurden, oder Schäden, die durch chemische Agentien erzeugt wurden. Es wurde ein mathematisches Model erarbeitet, das die Grundeigenschaften der NER beschreiben soll. Erstens wurde untersucht, wie die Bindungs- und Freisetzungskinetik der Reparaturfaktoren mit den strukturellen Eigenschaften des Systems, beispielsweise der Bindungsreihenfolge, zusammenhängt. Zweitens wurden anhand von in vivo gemessenen Rekrutierungskinetiken dreier Proteinfaktoren die Modellparameter bestimmt. Das so angepasste Modell sagt unter anderem eine Sättigung der NER durch den Verbrauch des Erkennungsfaktors vorher. Die theoretischen Untersuchungen deuten darauf hin, dass ein sequentieller Anlagerungsmechanismus im Hinblick auf Effizienz und auf Spezifität gegenüber den beschädigten Substrat große Vorteile bringen kann. / The first part of this thesis focuses on the mechanisms of hormone induced Ca2+ oscillations and how these depend on fluctuations in the concentration of the Ca2+-releasing messenger, inositol 1,4,5-trisphosphate (IP3). We were able to show that IP3 oscillations greatly enhances the ability to frequency encode the hormone stimulus by Ca2+ oscillations. Two mechanisms for the generation of IP3-oscillations have been investigated, we could show that Ca2+-activation of phospholipase C is the most probable mechanism. To better understand the role of IP3-oscillations a detailed model for the phosphoinositide pathway has been developed. The model illustrates the importance of futile (de)phosphorylation cycles for regenerating phosphatidylinositol-4,5-bisphophat during stimulation, an essential property to support long-lasting Ca2+ signals. The second part of the thesis is devoted to nucleotide excision repair (NER). It is a versatile DNA repair mechanism that can remove lesions such as UV light induced pyrimidine dimers and bulky adducts caused by chemical agents. To understand the mechanisms underlying the protein assembly during NER and the performance of repair, a mathematical model, delineating hallmarks and general characteristics of NER, has been developed. First, the binding and dissociation kinetics of repair factors are related to the structural properties of the system, such as the sequential order in which the factors enter repair. Second, using in vivo kinetic data for the recruitment of three different proteins at local damaged nuclei, the model parameters are determined and the dynamic behavior of the repair process is scrutinized in detail. The observed saturation of NER is predicted to rely on the high engagement of the recognition factor in repair. The theoretical analysis of repair performance indicates that a sequential assembly process is remarkably advantageous in terms of repair efficiency and can show a marked selectivity for the damaged substrate.

Während der letzten 10 Jahre, wurden viele neue immunsuppremierende Medikamente für die Verbesserung des Kurzzeit-Transplantationsergebnisses entwickelt (Halbwertzeit bzw. Abstoßung einer Niere nach ca. 10-12 Jahren). Das heutige therapeutische Ziel besteht auf der einen Seite aus der Minimierung der Kosten bzw. der Minimierung der Nebenwirkungen verursacht durch die Immunsuppressiva und auf der anderen Seite der Verbesserung des Langzeit-Überleben eines Transplantates. Um eine dosis-abhängige Zerstörung des Transplantates durch die Immunsuppressiva zu vermeiden, bedarf es der spezifischen Entwicklung von zusätzlichen Toleranzprotokollen. Ein Top-Kandidat für die Toleranzinduktion in Transplantationen stellen die CD4+CD25high regulatorischen T Zellen dar. Da humane regulatorische T Zellen jedoch nur 1-2 % der peripheren CD4+ T Zellen repräsentieren, ist es nicht möglich ausreichende Zellmengen auf zu reinigen. Dazu ist die Etablierung adäquater Protokolle für die Isolation und ex vivo Expansion von CD4+CD25high Treg’s notwendig. In unserem System ist es uns möglich die CD4+CD25high zellen mit einer sehr hohen Reinheit zu isolieren ( ca. 80% CD4+CD25highFoxp3+). Danach werden die isolierten Treg’s mit verschiedenen Protokollen, wie der Expansion mit CD2-,CD3- und CD28 Expansionbeads oder allogenen Feederzellen, expandiert. Das suppressive Potential der expandierten CD4+CD25+ Treg’s wurde in drei funktionellen Assays, einem CFSE-basierenden Proliferationsassay, einem Cytokin-Bead-Array und einem Elispot bestimmt. Basierend auf den genannten Methoden wurde das Proliferationspotential allogen stimulierter Responder T Zellen, die IFNg Produktion und das Th1/TH2 Cytokinprofil in einer gemischten Lymphozytenreaktion mit unterschiedlichen Mengen der expandierten Treg’s untersucht Ein weiterer Aspekt dieses Projektes ist die Expansion isolierter regulatorischer T Zellen mit zusätzlichem Rapamycin. Das immunsuppremierende Medikament Rapamycin blockiert die Il2-abhängige T Zellproliferation durch die Inhibition von mTOR und induziert die Expansion regulatorischer T Zellen. / During the last decade, a broad set of immunosuppressive drugs has been developed which improve short-term transplant results (1yr survival, acute graft rejection), but not long-term results (graft half life, e.g. kidney rejection after approx. 10-12 years). In this regard, the therapeutic aim is to minimise costs and long-term side effects caused by immunosuppressive drugs on the one hand, and on the other to considerably improve the long term survival of transplanted patients. To avoid dose-dependent damage of the transplant by immunosuppressive drugs, a specific development of additional tolerance protocols is mandatory. One top candidate for the tolerance induction in transplantation is the population of CD4+CD25high regulatory T cells (Treg’s). Because Tregs constitute 1-2% of peripheral CD4+ T cells in human, it may not be possible to purify sufficient cells ex vivo. Therefore it is necessary to establish appropriate protocols for isolation and expansion of CD4+CD25high Treg’s. In our system we are able to isolate CD4+CD25high cells with a very high purity (approx. 80% CD4+CD25highFoxp3+). Afterwards we expand the isolated Treg’s by different expansion protocolls such as expansion with CD3-, CD2- and CD28-expansionsbeads as well as allogeneic feedercells. The suppressive potential of the expanded CD4+CD25+ Treg’s was determined by three different functional assays, a CFSE-based proliferationassay, a Cytokine-Bead-Array, and an IFNGamma-Elispot. Based on mentioned methods, the proliferative potential of allogenic stimulated responder T cells, IFNGamma production and Th1/Th2 cytokine profile, as well as the IFNGamma producing T-cells in a mixed lymphocyte reaction with different amounts of the expanded regulatory T cells were tested. Another aspect of our project is the expansion of the isolated regulatory T cells with additional rapamycin. The immunosuppressive drug rapamycin is a powerful pharmacological agent which blocks IL2-dependent T cell proliferation by accumulation with mTOR and induces expansion of regulatory T cells.

Parareptilien stellen ein artenreiches Monophylum paläozoischer und früh-mesozoischer Amnioten dar; sie bilden innerhalb der Reptilien die Schwestergruppe zu den Eureptilien. Pareiasaurier, eine Untergruppe der Parareptilien, sind eine bedeutende Komponente spät-permischer …kosysteme. Jüngst wurde ein Schwestergruppenverhältnis zu den Nycyeroletern entdeckt, mit welchen sie die "Pareiasauromorpha" bilden. Diese Arbeit befasst sich mit der Beschreibung einiger dieser bisher schlecht untersuchten Parareptilien und deren Verwandtschaftsverhältnisse.Der Pareiasaurier Deltavjatia vjatkensis und der Nycteroleter Emeroleter levis aus der russischen Lokalität Kotel''nich werden mithilfe neu entdeckten Materials im Detail beschrieben. Das gut erhaltene Deltavjatja Materials umfasst mehrere Grössenstadien und erlaubt eine Analyse der Wachstumsraten. Eine geometrisch-morphometrische Analyse des Schädeldachs lässt eine allometrische Zunahme von Schnauzenlänge und Postorbitalregion erkennen. Auch wird der historisch erste Pareiasaurier, Parasaurus geinitzi, aus dem oberpermischen Kupferschiefer von Deutschland neu beschrieben. Zudem ergibt eine Neuanalyse der russischen Nycteroleter eine Synonymie von Tokosaurus perforatus und Macroleter poezicus. Eine phylogenetische Analyse unter Verwendung von Parsimonie und bayesischen Methoden ergibt eine basale Stellung von Parasaurus und eine Monophylie der Nycteroleter; letztere wird aber nur durch die Parsimonie unterstützt. Alle phylogenetischen Methoden ergeben jedoch eine Monophylie der Pareiasauromorpha. Eine strato-kladistische Analyse zeigt zudem eine ähnliche Topologie. Eine biogeographische Analyse der Pareiasauromorpha ergibt mehrfache Verbreitungsereignisse nach Russland und China. Diese stimmen überein mit denen anderer oberpermischer Gruppen, jedoch werden nur wenige dieser Ereignisse komplett bei allen Taxa gefunden. / Parareptilia is a diverse, yet enigmatic clade of fossil amniotes, sister-group to Eureptilia within Reptilia. Pareiasauria, a widely distributed and speciose parareptile group, was a prominent part of Late Permian ecosystems, yet few taxa have been examined in detail. This work describes some poorly known parareptiles, using this data to assess interrelationships and evaluate evolutionary trends within the clade. A reassessment of a group of derived parareptiles, the Russian ''nycteroleters'', results in the synonymy of Tokosaurus perforatus with Macroleter poezicus. A phylogenetic analysis of parareptilian relationships recovers a ''nycteroleter'' monophyly in the parsimony analysis, but not with Bayesian, with the genus Bashkyroleter paraphyletic in both. A monophyletic clade consisting of the nycteroleters and pareiasaurs, termed Pareiasauromorpha, is supported by all methods. Parasaurus geinitzi von Mayer, 1857 is redescribed and confirmed to be a pareiasaur based on the anatomy of the type specimens and fragmentary material that has subsequently been assigned to the taxon. Well-preserved cranial and postcranial material of the pareiasaur Deltavjatia vjatkensis from Kotel''nich, Russia, is described in detail for the first time, including specimens of radically different size classes. The first geometric morphometric analysis of a parareptile reveals an allometric increase in snout length along with an increase in postorbital length. A reassessment of the relationships of Pareiasauromorpha using different methods of phylogenetic inference recovers similar results. The topologies are not well supported, but are relatively consistent with the stratigraphic record. Biogeographic analysis of pareiasauromorph taxa recovers complex and reticulated patterns of dispersal and vicariance, including multiple dispersal events into both Russia and China; patterns that are consistent with those seen in other Late Permian groups, though few events are shared by all clades.

Microviridine sind ribosomal synthetisierte, cyanobakterielle Depsipeptide. Die genetische Basis der Microviridinproduktion ist ein Gencluster mit den Genen mdnABCDE. Zwei neuartige ATP-grasp-Ligasen, MdnB und MdnC, katalysieren die Bildung von Lacton- und Lactamringen durch die Einführung von zwei -Ester-und einer -Amidbindung. Die Prozessierung wird von einer bislang unbekannten Peptidase durchgeführt. Neben den filamentösen Nostoc und Planktothrix gehört die einzellige, blütenbildende Cyanobakteriengattung Microcystis zu den Microviridinproduzenten. Die inhibitorische Aktivität gegenüber Serinproteasen verleiht Microviridinen ökologische und pharmazeutische Relevanz. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine kleine Microviridin Expressionsplattform konstruiert. Ein neuartiges Microviridin Gencluster aus Microcystis aeruginosa Nies843 wurde heterolog in E. coli exprimiert, bioinformatisch analysiert und mutiert. Das hochkonservierte PFFARFL-Motif im Precursorpeptid MdnA wurde als Erkennungssequenz für die ATP-grasp Ligasen identifiziert. Manipulationen am C-Terminus des leader-Peptids führten zu einer Inhibierung der Aktivität von MdnB. Peptid-Protein-Interaktionen zwischen MdnA und den ATP-grasp Ligasen wurden untersucht. Der ABC-Transporter MdnE stabilisiert höchstwahrscheinlich einen Microviridin Biosynthesekomplex an der inneren Membran, wofür zwei mögliche Modelle vorgeschlagen werden. Punktmutationen in der Microviridin core-Sequenz offenbarten Flexibilität des Microviridin-Biosyntheseapparates für das peptide engineering. Es wurde eine Mutante konstruiert, deren inhibitorische Aktivität gegen Elastase um den Faktor 100 verbessert wurde. Durch die Konstruktion einer Precursoraustauschplattform konnten bisher kryptische Microviridine produziert werden. Diese Methode hat Potential für den Bau von Microviridinbibliotheken. Letztlich wird eine Hypothese zum Bindungsmechanismus von Microviridinen an Proteasen aufgestellt. / Microviridins are ribosomally synthesized cyanobacterial oligopeptides. These peptides comprise an unrivaled multicyclic cage-like structure, carrying two characteristic  ester and one amide bond, which are introduced by the two novel ATP-grasp ligases MdnB and MdnC. In addition to the filamentous species Nostoc and Planktothrix, the unicellular, bloom-forming cyanobacterium Microcystis aeruginosa Nies843 is one of the microviridin producer strains. The potent serine protease inhibitory activity contributes to both ecological and pharmacological relevance of microviridins. During this work, a small expression platform carrying the microviridin gene cassette mdnABCDE was established. Microviridins were heterologously expressed in E. coli and analyzed using bioinformatics and mutational analysis. The strictly conserved PFFARFL motif in the precursor peptide MdnA was identified and characterized as a binding sequence for the ATP-grasp ligases. Protein interactions of MdnA with B and C were studied. The ABC transporter MdnE was unveiled to be crucial for cyclization and processing of microviridins, probably stabilizing a putative microviridin maturation complex at the inner membrane. Two initial models for the peptide recognition and processing have been proposed. Point mutations in the microviridin core sequence showed some flexibility of the microviridin biosynthetic pathway to be used for peptide engineering. The exchange of a phenylalanine against a leucine in position 5 of the core region resulted in more than a 100-fold increased inhibitory activity against the attractive drug target elastase. The possibility to express cryptic microviridin precursor peptides in a precursor exchange platform showed the potential to create peptide libraries. Finally, a hypothesis about the binding mechanism of microviridins is presented.

Bacillus amyloliquefaciens FZB42 ist ein grampositives Bakterium, das in der Rhizosphäre das Pflanzenwachstum fördert (PGPR - Plant Growth Promotion) und pathogene Organismen hemmt. Abgesehen von dieser Fähigkeit produziert es eine Vielzahl von sekundären Metaboliten, die sowohl ribosomale als auch nicht-ribosomale Peptide umfassen. In dieser Arbeit erfolgte die Untersuchung der transkriptionellen Aktivierung und Regulation der Bacilysin- Biosynthese an den Promotoren der bac- und ywfH- Gene. Durch 5´-Deletionsanalysen wurde der Promotor von Bacilysin identifiziert. Die A (Sigmafaktor A) - abhängige Transkription startet über die konservierten Promotorelemente (-10 und -35) von den bac- und ywfH Genen. Die Untersuchungen der Promotoraktivitäten vom Wildtyp und den erzeugten Regulationsmutanten erfolgten über in vivo ß-Galaktosidase-(Reporter)-Assays. Die Ergebnisse der Reporter-Aktivitäten zeigten, dass Transkriptionsregulatoren die Expression der Bacilysin- Gene aktivieren. Mehrere globale Regulatoren wie DegU, ComA, Hpr und AbrB beeinflussen die Genexpression. In dieser Arbeit wurde mithilfe von DNaseI Footprinting-Analysen die DegU-Bindung an die bac- und ywfH- Promotoren bestätigt.Die negative Regulation der Bacilysin-Biosynthese wird durch den Regulator der transienten Phase Hpr bewerkstelligt. Eine direkte Hpr-Bindung an bac Promotor wurde mit DNaseI Footprint-Analysen gezeigt. Der Promotor des monocistronischen Gens ywfH wurde aber durch Hpr nicht beeinflusst. Die anderen Transkriptionsregulatoren, wie ComA und AbrB, regulieren die Genexpression von Bacilysin indirekt über DegQ und Hpr. In dieser Arbeit konnte demonstriert werden, dass der globale Regulator AbrB den Promotor vom hpr-Gen direkt kontrolliert. Zusammenfassend liefert diese Studie neue Informationen über die genetische Regulation der Bacilysin- Biosynthese in B. amyloliquefaciens FZB42. / Bacillus amyloliquefaciens FZB42 is a Gram-positive, pathogen-suppressing and plant-growth promoting rhizobacterium. Apart from this ability, it produces a vast array of secondary metabolites, which includes both ribosomal and non-ribosomal peptides. In this work, the transcriptional activation and regulation of bacilysin biosynthesis were studied at the promoters of bac and ywfH genes. The promoter of bacilysin was identified using 5''-deletion analysis. Sigma factor A (σA) was found to start transcription via conserved promoter elements (-10 and -35) of bac and ywfH genes. lacZ reporter fusion studies were performed in wild type and regulatory mutants. The results show the involvement of transcriptional regulators to activate the expression of bacilysin genes. Several global regulators such as DegU, ComA, Hpr and AbrB were identified and found to influence gene expression. In particular, I confirmed DegU binding in bac and ywfH promoters using radioactive DNase I footprinting. Furthermore, Hpr, a transition state regulator was found negatively to control bacilysin biosynthesis. Hpr binding to bac promoter was demonstrated using radioactive DNase I footprinting. Remarkably, Hpr does not influence the promoter of the monocistronic gene, ywfH. The other transcriptional regulators, such as ComA and AbrB, were correlated indirectly to affect the gene expression of bacilysin via DegQ and Hpr, respectively. The gene regulation of hpr was studied in this work. It was demonstrated that AbrB, a global regulator, directly controls the promoter of the hpr gene. However, the consensus sequence for AbrB binding was not identified, since it covers the entire promoter region in the DNA-protein interaction study. To conclude, this study provides new information regarding the genetic regulation of bacilysin biosynthesis in B. amyloliquefaciens FZB42.

ZTLs vermitteln die Eliminierung von infizierten und entarteten Zellen durch Apoptose. Neuste Erkenntnisse unserer Gruppe haben gezeigt, dass eine Subpopulation der CD8+ T-Zellen, anstelle der zytotoxischen Marker das Oberflächenmolekül CD40L exprimiert. Die Expression von CD40L ist bislang als Schlüsselmolekül für die CD4+ T-Zell vermittelte Hilfe bekannt, welche durch Bindung an den CD40 Rezeptor auf anderen Immunzellen induziert wird. Das von den CD4+ T–Zellen ausgehende CD40L Signal ist besonders für die T-Zell abhängige B-Zell Aktivierung und die Bildung von Keimzentren essentiell, in denen B-Zellen heranreifen und hochaffine Antikörper produzieren um den Organismus vor eindringenden Erregern zu schützen. Aufgrund der CD40L-assoziierten Helferfunktion sollte in dieser Arbeit untersucht werden, welche Auswirkungen die Interaktion von CD8+CD40L+ T-Zellen mit B Zellen hat. In in vitro Studien konnte gezeigt werden, dass 50% der antigen-spezifischen CD8+ T-Zellen nach Aktivierung durch B-Zellen CD40L hochregulieren. Sowohl auf RNA- als auch auf Proteinebene induzierten CD8+CD40L+ T-Zellen einen B-Zell Phänotyp, der stark dem von CD4+ T-Zellen stimulierten B-Zellen ähnelte. In Infektionsversuchen mit dem B-Zell-trophen Virus MHV-68 konnte gezeigt werden, dass transgene Mäuse mit CD40L defizienten CD8+ T-Zellen im Vergleich zu Kontrolltieren eine signifikante Reduktion der Keimzentrums-B-Zellen in den Lymphknoten der oberen Halsregion aufweisen. Eine genauere Betrachtung des B-Zell Repertoires von IgG Gedächtniszellen ergab jedoch, dass die Sequenzen der IGHJ3 Genfamilie bevorzugt für die Modifikation der CDR3 Region in Mäusen mit CD40L defizienten CD8+ T-Zellen verwendet wird, die eine entscheidende Rolle bei der Antigenerkennung spielt. Zusammengefasst kann mit dieser Arbeit zum ersten Mal gezeigt werden, dass CD8+CD40L+ T-Zellen Helferfunktionen durch Unterstützung der B-Zell Aktivierung und Bildung von Keimzentren übernehmen können. / CTLs are important for the elimination of infected and degenerated cells by inducing apoptosis of the target cells. Recently our group identified a sub-population of CD8+ T cells expressing CD40L instead of common CTL markers. To that date, transient CD40L expression on T cells has been only described as a function of activated CD4+ T cells, which displays this key molecule for CD4+ T cell mediated help by binding to the CD40 receptor on other immune cells. Particularly, CD40L signaling provided by CD4+ T cells is indispensable for T cell dependent B cell activation and GC responses, which generate B cells secreting high affinity antibodies that protect the host from invading pathogens. Due to its associated helper functions, this thesis aimed to dissect whether CD40L positive CD8+ T cells are restricted to cytotoxic killing or if this sub-population possesses similar properties as CD4+ T cells when interacting with B cells. In vitro co-culture experiments showed that 50% of murine antigen specific CD8+ T cells up-regulated CD40L upon activation by antigen presenting B cells. When compared to CD40L deficient CD8+ T cells, the interaction of CD8+ CD40L+ T cells induced remarkable changes in B cells on the RNA and protein level and triggered a B cell phenotype resembling that of B cells primed by CD4+ T cells. By the infection of mice with the B cell trophic virus MHV-68, it was found that E8IcrexCD40Lflox transgenic mice lacking CD40L only on matured CD8+ T cells, exhibited a significant decrease of GC B cells in superficial cervical lymph nodes at the acute state of infection compared to WT mice. A closer look into the memory B cell repertoire revealed a preferred usage of the murine IGHJ3 gene family that modifies the CDR3 and thus the recognition groove of the B cell antibody in E8IcrexCD40Lflox mice. In summary, this work provides sufficient evidence that CD8+ CD40L+ T cells adopt helper-like functions by supporting B cell activation and subsequent GC formation.

Das Proteasom ist das zentrale proteolytische System in eukaryontischen Zellen, welches die Mehrzahl der intrazellulären Proteine abbaut. Da viele essentielle Prozesse in der Zelle proteolytisch reguliert werden, besitzt das Proteasom eine außerordentliche biologische Bedeutung. Die Erforschung des Proteasoms im ZNS steht erst am Anfang, dennoch zeigen zahlreiche Untersuchungen, dass Inhibition bzw. Störung des Ubiquitin-Proteasom-Systems mit vielen neurologischen oder neurodegenerativen Erkrankungen einhergeht. Deshalb wurde in der vorliegenden Arbeit nach Veränderungen des Proteasoms in Entzündungsprozessen im ZNS am Beispiel der experimentellen autoimmunen Encephalomyelitis (EAE) in der Maus gesucht. Schwerpunkt der Untersuchungen war das Proteasom in Astrozyten. Astrozyten stellen die größte Gruppe unter den Gliazellen dar und besitzen vielfältige Funktionen, zu denen neben klassischen housekeeping Funktionen auch Aufgaben bei der Immunantwort zählen. Der enge und für Neurone essentielle Kontakt prädestiniert Astrozyten, neuronale Erkrankungen mit auszulösen und zu modulieren. In dieser Arbeit wurden in primär isolierten Astrozyten Immunproteasomen (IP) detektiert. Durch Experimente mit der Astrozytenzelllinie TSA-3 konnte gezeigt werden, dass Astrozyten im unstimulierten Zustand nur Standardproteasom besitzen, auf Stimulation jedoch mit der Bildung von IP reagieren. Das Fehlen von IP in Astrozyten unter in vivo Bedingungen deckte sich mit den Strukturanalysen von Proteasomen aus dem Großhirn von Mäusen verschiedener Altersstufen, den mRNA-Expressionsanalysen sowie immunhistologischen Untersuchungen von Hirngewebe aus EAE Mäusen. Die aus dem Großhirn isolierten Proteasomen nach Induktion einer EAE durch Myelin-Oligodendrocyten-Glycoprotein (MOG) enthielten keine IP. Dennoch erfolgt eine Aktivitätsveränderung im Proteasom vor dem Auftreten der ersten EAE Symptome, die in vitro zu einer effizienteren Epitopgenerierung aus einem MOG-Peptid führt. / The proteasome is the central proteolytic system in all eukaryotic cells catalysing the degradation of the majority of intracellular proteins. Since many essential processes are proteolytically controlled, the proteasome is of crucial biological importance. Yet numerous investigations show that many neurological or neurodegenerative diseases go along with inhibition and/or changes of the ubiquitin-proteasome-system. Therefore the present thesis investigates the proteasome system during inflammatory processes in the CNS, namely during experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), a widely used animal model for human multiple sclerosis. Main focus of the investigations was the proteasome in astrocytes. Astrocytes embody the largest group of glial cells in the CNS and possess various functions. Apart from classical housekeeping functions astrocytes take part in the immune reaction in the CNS. Their close and essential contact to neurons predestines astrocytes to cause and modulate neural diseases. In the present work immune proteasome subunits were detected in primary astrocytes isolated from newborn mice. On the other hand, when grown under resting conditions the murine astrocyte cell line, TSA-3, contains standard proteasome only, however, when treated with interferon gamma, these cells produce immune proteasomes, too. Subunit analyses of proteasomes isolated from the cerebrum of mice of different age, measurement of the mRNA expression level of proteasome subunits as well as immune-histological investigations of brain tissue from mice confirmed the absence of immune proteasome in astrocytes under in vivo conditions. Proteasomes isolated from mouse brain after induction of EAE by active immunization with myelin oligodendrocyte glycoprotein (MOG) did not contain immune subunits. Nevertheless an activity change in the proteasomes isolated from brains before onset of EAE was observed, which lead to a more efficient epitope generation from MOG peptide.

Das 26S Proteasom führt die letzen Schritte des essentiellen, Ubiquitin abhängigen Proteinabbaus durch, indem es ubiquitinierte und fehlgefaltete Proteine erkennt und eliminiert. Da es in S. cerevisiae während allen Stadien der Zellteilung vornehmlich im Zellkern lokalisiert ist, ist der Importweg dieses 2,5 MDa umfassenden proteolytischen Komplexes in den Zellkern von besonderem Interesse. Das 26S Proteasom unterteilt sich in das katalytisch aktive 20S Proteasom sowie den 19S Regulatorkomplex. Für 20S Proteasomen konnten Lehmann und Mitarbeitende (2002, JMB, 317, 401) zeigen, dass Vorläuferkomplexe über den Karyopherin alpha/beta abhängigen Importweg in den Zellkern gelangen und dort zu 20S Proteasomen heranreifen. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass die nukleäre Lokalisation der 19S Regulatorkomplexe ebenfalls von Karyopherin alpha/beta abhängt. Die Untersuchung der potentiellen klassischen Kernlokalisationssequenzen (cNLS) in den Untereinheiten des 19S Base Subkomplex ergab, dass Rpn2 und Rpt2, eine non-ATPase Untereinheit sowie eine ATPase Untereinheit des Base Komplex, funktionelle cNLS beherbergen. Die Deletion der Rpt2 NLS führte zur wt Lokalisation der proteasomalen Subkomplexe. Die Deletion der NLS in Rpn2 dagegen bewirkte eine verschlechterte proteasomale Funktion und eine Mislokalisation der Komplexe. Unsere Daten unterstützen ein Modell wonach die nukleären 26S Proteasomen aus Subkomplexen zusammengelagert werden, die durch Karyopherin alpha/beta in den Zellkern gelangen. / 26S proteasomes fulfil final steps in the ubiquitin-dependent degradation pathway by recognising and hydrolysing ubiquitylated proteins. As the 26S proteasome mainly localises to the nucleus in yeast, we addressed the question how this 2 MDa multisubunit complex is imported into the nucleus. 26S proteasomes consist of 20S proteolytically active core and 19S regulatory particles, the latter composed of two subcomplexes, namely the base and lid complexes. We have shown that 20S core particles are translocated into the nucleus as inactive precursor complexes via the classical karyopherin alpha/beta import pathway (Lehmann et al. 2002; JMB, 317, 401). Here, we provide evidence that nuclear import of base and lid complexes also depends on karyopherin alpha/beta. Potential classical nuclear localisation sequences (NLS) of base subunits were analysed. Rpn2 and Rpt2, a non-ATPase and an ATPase subunit of the base complex, harbour functional NLS. The Rpt2 NLS deletion yielded wild type localisation. However, the deletion of the Rpn2 NLS resulted in improper nuclear proteasome localisation and impaired proteasome function. Our data support the model by which nuclear 26S proteasomes are assembled from subcomplexes imported by karyopherin alpha/beta.

Die vorliegende Arbeit untersucht mit bioinformatischen Methoden die biologische Bedeutung von Ähnlichkeiten in Kleinstrukturen und peptidischen Sequenzmotiven sowie lokaler und globaler Sequenzähnlichkeit. Der erste Teil der Arbeit behandelt chemische Ähnlichkeiten. Ausgehend von bekannten Inhibitoren der Fehlfaltung des Prionproteins wurde eine Datenbank pharmakologischer Wirkstoffe nach chemisch und strukturell ähnlichen Substanzen durchsucht und 16 Substanzen als neue potentielle Inhibitoren der Fehlfaltung vorgeschlagen. Der nächste Teil untersucht Ähnlichkeiten in Sequenzmotiven, die eine Interaktion mit Pex19, dem Importrezeptor für peroxisomale Membranproteine, vermitteln. In Zusammenarbeit mit einer experimentellen Arbeitsgruppe konnte die Bindestelle charakterisiert und Präferenzen für bestimmte Aminosäuren herausgearbeitet werden. Das Bindemotiv ist eine vermutlich helikale Region mit verzweigtkettigen aliphatischen und basischen Aminosäuren. Aus experimentellen Daten konnte eine positionsabhängige Vorhersagematrix erstellt und validiert werden. Die Beziehung zwischen lokalen Sequenzähnlichkeiten und der Konformation von Prolylbindungen in Proteinen ist Thema des dritten Teils. Die Aminosäurepräferenzen in der Nachbarschaft von cis- und trans-Prolylresten unterscheiden sich, und beide zeigen unterschiedliche Austauschpräferenzen bei Mutationen. Im Gegensatz zu lokaler Sequenzähnlichkeit ist eine globale Sequenzähnlichkeit von nur 20% ein wesentlich besserer Indikator für das Auftreten von cis-Prolylbindungen. Der letzte Teil befaßt sich mit inverser Sequenzähnlichkeit zwischen Proteinen, die wesentlich öfter auftritt als erwartet. Proteine aus einem nichtredundanten Datensatz wurden gleich- und gegenläufig aligniert und strukturelle Ähnlichkeiten zwischen den aufgefundenen Proteinpaaren untersucht. Es konnte gezeigt werden, daß bis auf kurze Sekundärstruktur-Einheiten eine inverse Sequenzähnlichkeit zwischen Proteinen keine strukturelle Ähnlichkeit impliziert. / This work is dealing with the biological impact of similarities between chemical structures, protein sequence motifs and local sequence surrounding as well as global sequence similarity. All four aspects are analyzed by computational methods. The first part is dealing with chemical similarities. Based on a recently published set of prion protein misfolding inhibitors, a data base of approved drugs has been screened for compounds with chemical and structural similarities to these substances. 16 drugs are proposed as new potential inhibitors of prion protein aggregation. The next part addresses similarities of sequence motifs which mediate the interaction with the peroxisomal membrane protein import receptor Pex19. In cooperation with an experimental group, the binding site could be characterized, and amino acid preferences of the different positions of the motif have been determined. The binding motif is a probably helical region of target proteins bearing branched aliphatic and basic residues. A position specific scoring matrix for the prediction of Pex19 binding sites could be generated and validated. The relation between local sequence similarity and prolyl bond conformation is examined in the third part. Amino acid preferences of neighboring residues differ between cis and trans prolyl residues, and both species show different amino acid exchange patterns upon mutation. In contrast to local sequence similarity, overall sequence similarity between proteins as low as 20% is a much better indicator for the occurrence of cis prolyl bonds. The last part focuses on inverse sequence similarity between proteins which occurs far more often than expected by chance. Proteins from a nonredundant data set have been aligned in parallel and antiparallel, and structural similarities between the detected protein pairs have been examined. It could be shown that, with the exception of short secondary structural elements, inverse sequence similarity does not imply structural similarity.