Das Proteasom ist ein multikatalytischer, ATP-abhängiger Enzymkomplex, der kurzlebige und regulatorische Proteine in der Zelle abbaut. Im Rahmen der Proteinqualitätskontrolle werden durch das Proteasom auch fehlerhaft synthetisierte bzw. falsch gefaltete oder chemisch geschädigte Proteine degradiert. Zellen hämatopoetischen Ursprungs exprimieren sogenannte Immunoproteasomen, die durch drei alternative katalytische Untereinheiten (LMP2, MECL-1 und LMP7) charakterisiert sind. Unter dem Einfluss von Interferonen kommt es auch in nicht-hämatopoetischen Zellen zur de novo Assemblierung von IP. Sie weisen im Vergleich zu Standardproteasomen einen erhöhten Substratumsatz sowie veränderte Schnittpräferenzen auf. Dadurch können Standard- und Immunoproteasomen verschiedene MHC Klasse I-restringierte antigene Peptide generieren. Die vorliegende Arbeit untersucht die Relevanz der LMP2- bzw. der LMP7- Untereinheit im Rahmen der Coxsackievirus B3 Myokarditis. LMP7-/- Mäuse zeigen eine suffiziente CD8+ T Zell Antwort, die zur vollständigen Viruselimination nach der akuten Entzündungsphase beiträgt. Die reguläre Expression pro-inflammatorischer Zytokine und antiviraler Signalwege sowie CVB3-spezifischer IgG-Antikörper spricht gegen eine spezielle Funktion von IP bei der Induktion einer effektiven Immunantwort in diesem Modell. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass der verminderte Einbau aller IP-Untereinheiten in LMP7-defizienten Mäusen mit einer schweren Inflammation und Myokardschädigung einhergeht. Der verringerte Substratumsatz führt zur Akkumulation von polyubiquitinylierten, oxidativ geschädigten Proteinen sowie zur verstärkten Apoptose IP-defizienter Kardiomyozyten und inflammatorischer Zellen. / The standard proteasome is the major ATP-dependent multi-catalytic protein complex that is important for the proteolytic processing of short-lived and regulatory proteins. It also degrades exogenous or improperly synthesized, misfolded, and damaged proteins. Cells of hematopoietic origin predominantly express an alternative variant - the immunoproteasome, which is characterized by three specific catalytically active subunits (LMP2, MECL-1 and LMP7). In non-immune cells, these immunosubunits are also induced and incorporated into newly assembling IPs upon exposure to interferons. As compared to standard proteasomes, IPs display altered cleavage site preferences, resulting in the generation of a different spectrum of antigenic peptides for MHC class I presentation. The present thesis investigates the impact of LMP2- and LMP7 within the context of viral heart disease, making use of the well-established murine model of coxsackievirus B3 infection. LMP7-deficient mice demonstrate a potent CD8+ T cell capacity to control CVB3 infection, resulting in viral clearance after the acute stage of disease. The expression of pro-inflammatory cytokines, innate antiviral mediators, and CVB3-specific IgG antibodies argue against a specific role of IPs in the induction of an effective immune response against CVB3 infection. However, the impaired incorporation of all three immunosubunits in LMP7-deficient hearts coincides with severe inflammation and myocardial tissue damage. Exposure to IFN-γ gives rise to prolonged accumulation of oxidant-damaged, poly-ubiquitylated proteins in IP-deficient cardiomyocytes and inflammatory cells. Along with the restricted degradation of toxic protein aggregates, inflammatory cells and the adjacent myocardium are prone to increased apoptotic cell death.

Die vorliegende Arbeit erforscht die Regulation der Expression von Drebrin; DBN (Developmentally Regulated Brain Protein) in Neuronen. DBN ist ein Protein das Actin bindet und Actin-Filamente bündeln kann. Änderungen der Morphologie der Spines verändern die synaptische Aktivität und Plastizität – wichtigen Prozessen bei der Gedächtnisbildung und Alterung des Gehirns, sowie bei geistigen Störungen bzw. Behinderungen. DBN-Expression im Alter und in einigen neurodegenerativen Krankheiten reduziert ist. Eine schwächere Expression von DBN in Spines geht außerdem mit einem Verlust an synaptischen Verbindungen einher, einem gemeinsamen Merkmal von Alterung und neurologischen Störungen wie der Alzheimer Krankheit. Diese Befunde bildeten die Motivation und Grundlage für meine Erforschung der Produktion und Lokalisierung von DBN. In meinem Projekt, habe ich den Effekt der sequenzspezifischen S647-Phosphorylierung von DBN untersucht. Die Arbeit zeigt, dass diese post-translatorische Modifikation die Stabilität von DBN reguliert. Ich habe FUNCAT-PLA und Puro-PLA für die Visualisierung von de novo synthetisierten Proteinen in situ benutzt. Mittels hochauflösender Fluoreszenz-Hybridisierung konnte ich zeigen, dass DBN nicht nur im Zellkörper sondern auch lokal in den Spines translatiert wird. Meine Resultate bieten eine Grundlage für das Verständnis der Regulierung de DBN-Konzentration in Zellen und ermöglichen die weitere Erforschung der Rolle der S647-Phosphorylierung von DBN für die Morphologie von Spines. Die Arbeit bildet außerdem eine experimentelle Plattform für weitere Studien der Rolle von DBN für Spines, sowohl in Bezug auf Stabilität als auch der synaptischen Funktion und Stabilität. / This thesis studies the abundance of the protein Drebrin; DBN (Developmentally Regulated Brain Protein) in neurons, which is an actin-binding protein capable of bundling actin filaments. Synapses in the mammalian brain are formed on tiny protrusions, called dendritic spines. Changes in spine morphology affect synaptic activity and plasticity, which are processes underlying memory formation. DBN abundance plays an important role in regulating dendritic spine morphology. Cognitive decline and neurodegenerative conditions have been shown to be linked with a decrease in DBN levels. A weakening in the expression of this protein in spines is associated with the loss of synaptic connections, a common feature of ageing and neurological disorders such as Alzheimer''s disease. This evidence was the underlying motivation for studying the localization and turnover of DBN. I studied the effect of the site-specific S647 phosphorylation of DBN and found that such post-translational modification regulates protein stability. For the project, I established several novel techniques in our laboratory, including state-of-the-art methods such as FUNCAT-PLA and Puro-PLA for the visualization of de novo synthesized proteins in situ. My results show that DBN translation occurs not only in somata but also locally in the dendrites and spines. The same observation is true for DBN transcripts, which are present both in the soma and dendrites of neurons. These observations suggest that DBN could play an important role during synaptic plasticity. My results allow the future investigation of the potential role of site-specific phosphorylation of DBN in spine morphology. This PhD thesis represents a contribution to better understanding the regulation of DBN abundance. It also provides an experimental platform for additional investigation about the role of DBN in spine morphology, regarding its stability and its correlation with synaptic maintenance and function.

Der pRB/E2F-Signalweg ist ein zentraler Regulator der Proliferationskontrolle in Säugerzellen, der in fast allen auftretenden Tumoren dereguliert ist. Durch unterschiedliche Mutationen in Komponenten dieses Signalwegs kommt es letzten Endes zu einer erhöhten Aktivität der E2F-Transkriptionsfaktoren und somit zu einer verstärkten Transkription von E2F-Zielgenen in diesen Tumoren. Um die molekularen Mechanismen der Rolle von E2F3 in der Zellzykluskontrolle und der Tumorigenese besser zu verstehen, wurden in dieser Arbeit per GST-Pulldown mit anschließender Massenspektrometrie neue potenzielle Interaktions-partner von E2F3 identifiziert. Ein identifizierter Interaktionspartner war die SNF2-ähnliche Helikase HELLS. HELLS interagiert in vitro und in vivo spezifisch mit der Marked Box-Domäne von E2F3, aber nicht mit anderen untersuchten E2F-Transkriptionsfaktoren, wie durch GST-Interaktionsstudien und Ko-Immunpräzipi-tationsexperimente demonstriert werden konnte. Durch Chromatin-Immunpräzipitation konnte zusätzlich gezeigt werden, dass E2F3 für die Rekrutierung von HELLS an E2F-regulierte Promotoren wie z. B. CDC6 oder p107 verantwortlich ist. Die shRNA-vermittelte Depletion von HELLS führte zu einer stark verminderten Induktion von allen untersuchten E2F-Zielgenen nach Serumstimulation und einem verspäteten Eintritt in die S-Phase der HELLS-depletierten Zellen, was zeigt, dass HELLS essenziell für die Induktion von E2F-Zielgenen ist. Bei der immunhistochemischen Untersuchung der E2F3- und HELLS-Expression in humanen Prostatakarzinomen zeigte sich, dass sowohl E2F3 als auch HELLS in späten aggressiven Stadien dieser Tumore sehr stark exprimiert sind, jedoch nur sehr schwach in den weniger aggressiven Tumoren. Diese Versuche zeigen, dass es sich bei HELLS um einen neuen Bestandteil des pRB/E2F-Signalwegs handelt, der eventuell in der Entstehung gewisser Tumorarten eine Rolle spielt und somit ein neues potenzielles Ziel für neuartige Krebstherapien darstellt. / The pRB/E2F pathway is a key regulator of proliferation in mammalian cells and is commonly mutated in human tumors. These mutations in the components of the pRB/E2F pathway lead to deregulated activity of the E2F transcription factors resulting in increased expression of E2F target genes. To further understand the molecular mechanisms of E2F3 in cell cycle control and its role in tumorigenesis new interaction partners for E2F3 were identified in the course of this thesis with the help of a GST-Pulldown approach coupled to mass spectrometric analysis. One of the identified interaction partners was the SNF2-like helicase HELLS. With the help of GST-interaction studies and Co-Immunoprecipitation assays it could be demonstrated that HELLS interacts specifically with E2F3 via its Marked Box domain but does not bind to the other investigated E2F transcription factors. HELLS could be detected at E2F target genes like p107 and CDC6 in vivo with the help of Chromatin-Immunoprecipitation assays. Furthermore, the forced recruitment of E2F3 to E2F target genes led to an enhanced binding of HELLS to these promotors suggesting that HELLS is recruited to E2F target genes via protein-protein interaction with E2F3. The shRNA-mediated depletion of HELLS led to a strongly reduced induction of E2F target genes and a delay in S-phase entry, showing that HELLS is essential for the induction of E2F target genes. During the immunohistochemical analysis of human prostate cancer specimens it became evident that both E2F3 and HELLS are strongly expressed in the more aggressive late stages but only weakly expressed in the early stages of this tumor type. These findings demonstrate that HELLS is a new component of the E2F/pRB pathway which might play a role in the development of certain tumors and might represent a new target for novel cancer therapies.

Synaptische Vesikel (SV) besitzen abhängig vom Neurontyp unterschiedliche Neurotransmittertransporter. In glutamatergen Neuronen kommen die vesikulären Glutamattransporter (VGLUT)1, VGLUT2 und VGLUT3 vor. GABAerge Neurone besitzen den vesikulären GABA-Transporter (VGAT). Die getrennte Glutamat- und GABA-Speicherung in unterschiedlichen Neuronen dient dem exakten Funktionieren neuronaler Netze. Mitunter setzen glutamaterge Neurone auch GABA frei. Einige entscheidende Proteine GABAerger Nervenendigungen wurden auf dem Protein- und mRNA-Niveau nachgewiesen. GABAerge Transmission glutamaterger Neurone wurde elektrophysiologisch gezeigt. Diese Studie untersucht eine mögliche VGLUT/VGAT-Kolokalisation mittels Immunisolierungen (II) von SV (SP), Neurotransmitteraufnahmeversuchen mit aufgereinigten SV, SP und der elektronenmikroskopischen Postembeddingmethode. II aus dem Rattengehirn zeigen, dass die VGLUT1-SP VGLUT2 und die VGLUT2-SP auch VGLUT1 enthält. Beide VGLUT kommen auf dem selben SV vor. Die VGLUT2-SP beinhaltet VGAT- und die VGAT-SP VGLUT2-tragende SV. SP aus frühen Entwicklungsstadien zeigen bereits eine ausgeprägte vesikuläre VGLUT2/VGAT- Kolokalisation. SV der VGAT-SP akkumulieren GABA und Glutamat. Die Hemmung der VGLUT zeigt ihren unterstützenden Einfluss auf die vesikuläre GABA- und Monoaminaufnahme. Damit moduliert die VGLUT-Aktivität die Neurotransmitterspeicherung in nicht glutamatergen Neuronen. Doppelmarkierung im Postembeddingverfahren zeigen die synaptische VGLUT/VGAT- Kolokalisation in glutamatergen hippokampalen und cerebellären Moosfaserendigungen. Dagegen ist VGAT weder in den nur VGLUT1-positiven cerebellären Parallelfaser- noch in den nur VGLUT2-positiven Kletterfaserendigungen detektierbar. Die cerebellären GABAergen Korbzellenendigungen beinhalten auch VGLUT2. Diese Befunde liefern den morphologischen Beweis für die synaptische GABA/Glutamat-Koausschüttung aus speziellen großen glutamatergen und GABAergen präsynaptischen Endigungen. / Synaptic vesicles (SV) are equipped with a common set of proteins. Dependent on the type of nerve cell SV differ in their neurotransmitter transporters, i.e. the vesicular glutamate transporters (VGLUT) 1 and VGLUT2 in types of glutamatergic neurons and the vesicular GABA transporter (VGAT) in types of GABAergic neurons. The strict separation of glutamate and GABA storage generally guarantees the precise function of neuronal networks. However, GABA may be released by glutamatergic neurons under certain conditions as shown by electrophysiological studies. The project aims to analyse a putative vesicular and synaptic co-localisation of VGLUT and VGAT using immunoisolations, neurotransmitter uptake assays, and post-embedding electron microscopy. Immunoisolations from whole brain of adult rats revealed that VGLUT1 immunoisolates (ii) contain VGLUT2 and VGLUT2-ii also have VGLUT1 indicating the vesicular co-localisation of both VGLUT. VGLUT2-ii harbour in addition VGAT and VGAT-ii also contain VGLUT2. Transporter-specific ii from rat brain at different postnatal levels (P5/15/30) show a pronounced vesicular co-localisation of VGLUT2 and VGAT during these early developmental stages. Transmitter uptake studies show GABA and also glutamate concentrating VGAT-ii. Using the specific inhibitor trypan blue we found that VGLUT activity improves GABA as well as monoamine uptake into SV. Thus VGLUT activity modulates transmitter storage in non-glutamatergic neurons. Post-embedding immunogold double labelling indicates a synaptic co-localisation of VGLUT and VGAT in glutamatergic hippocampal and cerebellar mossy fibre terminals while VGAT was not seen in cerebellar parallel fibre (VGLUT1-positive only) and climbing fibre (VGLUT2-positive only) terminals. Remarkably, cerebellar GABAergic basket cell terminals also contain VGLUT2. These findings provide the morphological evidence for a synaptic co-release of GABA and glutamate from some large glutamatergic and GABAergic terminals.

Viele Bacillus Stämme sekretieren Phytasen, diese katalysieren die Dephosphorylierung von myo-Inositolhexakisphosphat (phytate). Das monocystronische phyC Gen aus dem im Boden lebenden Bacillus amyloliquefaciens FZB45 konnte als Teil des, durch Phosphatmangel induzierbaren, PhoPR-Regulons identifiziert werden. Der Transkriptionsstart des SigmaA-abhängigen Promotors wurde 27 bp upstream von Translationsstart bestimmt. Der Promotor weist jedoch eine ungewöhnliche Struktur auf, da die –35 und die –10 Region durch ein 21 bp Fenster voneinander getrennt sind. Die in vitro Transkriptionsanalyse zeigte, dass PhoP-P für die Initiation der phyC-Transkription notwendig ist. Die PhoP-Bindungsstellen der meisten B. subtilis Promotoren, die durch PhoP aktiviert werden, besitzen mindestens vier TTAACA-ähnliche Sequenzmotive, welche durch 5-6 bp- Intervalle getrennt sind. Die upstream Region von phyC aus B. amyloliquefaciens FZB45 weicht von dieser Struktur ab. Hier konnten nur zwei solcher Motive, die für die Bindung eines PhoP-Dimeres zuständig sind und die Positionen -47 und -35 überlagern, identifiziert werden. Ein weiteres Motiv befindet sich zwischen -13 und –8 und überlappt um eine Base mit der –10 Region. Die Funktionen der drei Bindungsstellen konnten durch DNaseI-Footprinting ermittelt werden. Ein PhoP-Dimer besetzt die –35 Region und dirigiert dabei die RNA-Polymerase wahrscheinlich in Richtung –10 Region. Durch die Bindung von PhoP an die PhoP-Erkennungsstelle bei –10 wird die Transkription gehemmt. Diese PhoP-vermittelte duale Kontrolle des phyC-Promotors scheint bis lang einzigartig für Pho-Regulongene zu sein. Der globale Regulator AbrB konnte als weiterer Repressor des phyC identifiziert werden. Die Bindungsstelle befinden sich upstream von –147 und downsteam von +29, müssen aber in weiteren Experimenten genauer spezifiziert werden. Diese Arbeit stellt als erste die Modelle der phyC-Regulation durch PhoP und AbrB vor. / Several Bacillus strains secrete phytase, an enzyme catalysing dephosphorylation of myo-inositol hexakisphosphate (phytate). The monocistronic phyC (phytase) gene from environmental Bacillus amyloliquefaciens FZB45 was identified as a member of the phosphate-starvation inducible PhoPR regulon. The transcriptional start was determined downstream of a sigmaA-like promoter region located 27 bp upstream of the translation start codon. Inspection of the phyC promoter sequence revealed an unusual structure, since the -35 and -10 region are separated by a window of 21 bp. In vitro transcription analysis established that PhoP-P is necessary to initiate the transcription from phyC promoter. PhoP binding boxes occurring in most B. subtilis promoters activated by PhoP consist of at least four TTAACA-like sequences repeated at intervals of 5-6 bps. The upstream region of the B. amyloliquefaciens FZB45 phyC gene deviates from this general architecture in that there is only one appropriate binding site for the dimeric PhoP protein, which consists of two motives centered at -47 and -35 and separated by five base pairs. A single PhoP binding site is located at -13 to -8, nearly matching the -10 consensus. Functionality of the three PhoP binding boxes was demonstrated by DNaseI footprinting suggesting that a pair of dimeric PhoP molecules cover the -35 region directing the RNA-polymerase to the –10 region. Binding of PhoP at a single PhoP binding site covering the -10 consensus repress the transcription. It seems to be a unique feature of the phyC promoter structure and has not been reported for any other member of the PhoPR regulon, previously. Furthermore an inhibitory effect via AbrB, a global regulator, could be verified. The binding regions could be determine upstream of –147 and downstream of +29, but have to be specify in further experiments. This work presents for the first time the models for the regulation of phyC in Bacillus via PhoP and AbrB.

Nicht nur die mögliche Verwendung von Variolavirus als bioterroristischer Kampfstoff sondern auch das zoonotische Potential pathogener Pockenviren wird als eine erhebliche Gefahr für das öffentliche Gesundheitswesen diskutiert. Zurzeit liegt in der Bevölkerung kein ausreichender Impfschutz vor. Mit Ausnahme der Expositionsprophylaxe steht die Vakzination als einzige Prävention zur Verfügung, von der bekannt ist, dass sie mit erheblichen Impfkomplikationen assoziiert ist. Therapeutische Ansätze sind deshalb von großem Interesse. In dieser Arbeit wurden HEp-2-Zellen mit den Orthopockenviren (OPV) VACV-LE, VACV-MVA-BN, CMLV-CP-19 und Calpoxvirus sowie die Zelllinien 293, A-549, Huh-7 und HSB-2 mit Calpoxvirus infiziert und der Replikationszyklus analysiert. Die Genexpression von Faktoren der Transkription (D7R), der DNA-Replikation (K4L) oder für Strukturproteine (D8L, A56R, A27L) wurde unabhängig vom untersuchten Virus und der Zelllinie gleich reguliert, was auf eine wichtige Rolle während der Virusreplikation hinweist. Ferner wurde ein siRNA-System zur Hemmung der OPV-Gene D7R, K4L, D8L, A56R und A27L etabliert. Die Transkription von D7R, K4L, D8L und A27L wurde in infizierten Zellen effektiv durch spezifisch eingesetzte shRNAs inhibiert und dadurch die Virusreplikation von Calpoxvirus im Vergleich zu den Kontrollzellen 24 und 48 Stunden nach der Infektion gehemmt. Die Inhibition der A27L-Genexpression wurde zusätzlich im Western Blot für Calpoxvirus- und VACV-LE-infizierte 293-Zellen nachgewiesen. A56R wurde weder für die Replikation von Calpoxvirus noch von VACV-LE in der Zellkultur benötigt. Da die Gene D7R, K4L, D8L und A27L essentiell für die Replikation von OPV in der Zellkultur waren, könnten sie potentielle Zielstrukturen für die Entwicklung von antiviralen Substanzen für die Behandlung einer OPV-Infektion darstellen. / Not only the potential use of smallpox in a bioterrorist attack but also the zoonotic potential of other poxviruses infecting animals are discussed to be a public health threat. At present, there is no sufficient protection in the human population provided by vaccination. Prophylactic vaccination was effective but has been associated with serious adverse effects. No proven drug treatment is available. Therefore, therapies and new treatment strategies are greatly needed. In this study HEp-2 cells were infected with the orthopoxviruses (OPV) VACV-LE, VACV-MVA-BN, CMLV-CP-19 and Calpoxvirus. In addition, the cell lines 293, A-549, Huh-7 and HSB-2 were infected with Calpoxvirus alone to determine the OPV replication cycle. Irrespective of the analyzed virus and cell line gene expression was regulated similarly for factors involved in transcription (D7R), DNA replication (K4L) or for structural proteins (D8R, A56R, A27L), indicating an important role in virus replication. Furthermore, a siRNA-system for the inhibition of the OPV genes D7R, K4L, D8L, A56R and A27L was established. It could be shown, that specific shRNAs effectively inhibited transcription of D7R, K4L, D8L and A27L in infected cells and repressed Calpoxvirus replication 24 and 48 hours post infection in comparison to control cells. In addition, the inhibition of A27L gene expression was shown in Western Blot analyses for Calpoxvirus- and VACV-LE-infected 293 cells. A56R is not required for virus replication of Calpoxvirus and VACV-LE in cell culture. Since D7R, K4L, D8L and A27L seem to be essential for OPV replication in cell culture, these OPV genes might serve as potential targets for the development of antiviral substances for the treatment of OPV infections.

Heuschrecken nutzen die akustische Kommunikation zum Auffinden eines geeigneten Paarungspartners. Sie produzieren artspezifische Gesänge, die aus Silben und Pausen festgelegter Dauer bestehen. Den Weibchen dienen diese Gesänge nicht nur zur Erken-nung der Artzugehörigkeit – und somit zur Vermeidung von Hybriden -, sondern dar-über hinaus als Informationsquelle über die Qualität der Männchen. Den Männchen hilft der weibliche Antwortgesang beim Auffinden der Weibchen. Die Attraktivität verschiedener artifizieller Gesangsattrappen für Männchen und Weib-chen wurde in Verhaltensexperimenten untersucht. Es zeigte sich ein starker Zusam-menhang zwischen der Attraktivität und den gewählten Parametern, insbesondere der Pausendauer. Die Reaktionen von auditorischen Neuronen des Metathorax und des Oberschlundganglions auf diese Stimuli wurden charakterisiert. Die durch diese Neuro-ne transportierte Informationsmenge bezüglich der variierten Parameter sowie ihr zeitli-cher Verlauf wurde bestimmt. Durch die Kombination von Verhaltensversuchen und elektrophysiologischen Untersu-chungen an denselben Tieren konnte ein Zusammenhang zwischen Verhalten und Spi-keantworten bei einer aufsteigenden Zelle hergestellt werden. Für diese Zelle wird ein Modell zur Pausendauerdetektion vorgestellt. Hierbei werden mittlere Pausendauern – die für Weibchen attraktiv sind – mit höheren Spikezahlen beantwortet als kurze und lange Pausen. Dies kommt durch unterschiedliche Zeitverläufe von Adap¬tation und Rückkehr aus der Adaptation bei den exzitatorischen und inhibitorischen Eingängen der Zelle zustande. / Grasshoppers use acoustic communication to find a sexual partner. They produce species-specific songs, which consist of syllables and pauses of a fixed duration. The male songs enable the females not only to recognize conspecifics – and thus to avoid hybridization – but also to obtain information about the quality of the males. Males take advantage of the females’ response songs in localizing the female. The attractiveness of various artificial stimuli for males and females was studied in behavioral experiments. A strong correlation between the attractiveness and the chosen parameters - especially the pause duration - could be found. The responseproperties of auditory neurons in the metathoracic ganglion and the supraoesophageal ganglion have been characterized. The transmitted information and its temporal course was determined. By performing behavioral and electrophysiological experiments with the same animals, I found a correlation between behaviour and spike responses in an ascending neuron (AN3). The tuning of this cell for pause duration was modelled as the result of different time courses of adaptation of the cells excitatory and inhibitory inputs. In this model pauses of intermediate duration – which are most attractive to females – generate more action potentials than shorter or longer pauses.

Die Polarisierung von Makrophagen resultiert in einer Vielzahl von Subtypen, z.B. M1 oder M2. In dieser Studie lege ich die Makrophagen-Polarisierung im allergischen Asthma mit Fokus auf microRNA (miRNA) dar. Nach Etablierung von Subtyp–charakteristischen mRNA und miRNA Expressionsprofilen in vitro polarisierter, humaner blutstämmiger Makrophagen wurden diese Profile genutzt, um den Polarisierungsstatus isolierter Lungenmakrophagen in einem Mausmodell des Asthmas zu ermitteln. Es wurden humane blutstämmige Makrophagen in vitro durch IFNg/LPS (M1) bzw. IL4/IL13 (M2) polarisiert. M1-assoziierte Gene waren TNFa, IL6 und IL1b, während in M2 Makrophagen eine Induktion von CD209 und PPARg beobachtet wurde. Herauf-regulierte miRNAs waren z.B. hsa-miR-187-3p, hsa-miR-155-5p und hsa-miR-146a-5p (M1) bzw. hsa-miR-193b-3p und hsa-miR-511-5p (M2). Eine in silico Vorhersage von mRNA/miRNA Interaktionspartnern wurde in einem Luciferase Reportermodell überprüft, das u.a. hsa-miR-187-3p als Regulator von SH2B2 und hsa-miR-187-3p sowie hsa-miR-155-5p als kooperative Regulatoren von LAMP2 bestätigte. Unter physiologischen Bedingungen regulierte hsa-miR-187-3p die SH2B2 mRNA herunter, aber es lag kein Einfluß von hsa-miR-187-3p oder hsa-miR-155-5p auf LAMP2 mRNA oder Protein vor. Weiterhin wurden die miRNA Profile von murinen Makrophagen erhoben, die aus der bronchoalveolären Lavage und aus Lungengewebe gewonnen wurden. Diese Profile wurden in einer vergleichenden Analyse von gesunden Mäusen und Mäusen mit akuter Ovalbumin-induzierter eosinophiler Atemwegsentzündung eingesetzt. In Reaktion auf Ovalbumin regulierte miRNAs waren z.B. mmu-miR-21a-5p und mmu-miR-155-5p (heraufreguliert), sowie mmu-miR-126-3p und mmu-miR-146a-5p (herunterreguliert). Sowohl M1 als auch M2 assoziierte Muster zeigten sich vor allem in der reziproken Regulation von mmu-miR-155-5p (heraufreguliert) und mmu-miR-146a-5p (herunterreguliert). / Macrophage polarization gives rise to a plethora of macrophage subtypes, e.g. M1 or M2. In this thesis, I aim to point out some features of macrophage polarization in allergic asthma with a focus on microRNA (miRNA). The chosen approach started with the establishment of subtype-characteristic mRNA and miRNA profiles of in vitro polarized human macrophages. In a second step, the miRNA patterns were used to interpret the polarization status of isolated lung macrophages from a murine model of asthma. In vitro polarization of human blood-derived macrophages was performed by IFNgLPS (M1) and IL4/IL13 (M2), and global mRNA and miRNA profiling ensued. M1-induced genes included TNFa, IL6 and IL1b, whereas in M2 macrophages, CD209 and PPARg were induced. M1-associated miRNAs were hsa-miR-187-3p, hsa-miR-155-5p and hsa-miR-146a-5p, while hsa-miR-193b-3p and hsa-miR-511-5p were induced in M2 macrophages. In silico prediction of mRNA/miRNA interaction partners was experimentally validated in a luciferase-based reporter assay that confirmed hsa-miR-187-3p as a regulator of SH2B2 and the pair of hsa-miR-187-3p and hsa-miR-155-5p as cooperative regulators of LAMP2. Under physiologic conditions, hsa-miR-187-3p was able to down-regulate SH2B2 transcript, but there was no impact of either hsa-miR-187-3p or hsa-miR-155-5p on LAMP2 mRNA or protein. Furthermore, the miRNA profiles of murine macrophages from the bronchoalveolar lavage fluid and from lung tissue were established and compared between healthy mice and mice with acute Ovalbumin-induced eosinophilic airway inflammation. Individual miRNAs responding to Ovalbumin were e.g. mmu-miR-21a-5p and mmu-miR-155-5p (up-regulated), and mmu-miR-126-3p and mmu-miR-146a-5p (down-regulated). Characteristics of both M1- and M2-associated miRNA patterns were most evident in the concomitant reciprocal expression of mmu-miR-155-5p (up-regulated) and mmu-miR-146a-5p (down-regulated).

MACC1, ein Hauptregulator von Metastasen, ist an zahlreichen Kennzeichen von Krebs beteiligt, einschließlich dereguliertem Metabolismus. Dennoch ist seine Rolle im Krebsstoffwechsel unklar. In der vorliegenden Arbeit wurde eine systematische Analyse von MACC1-getriebenen metabolischen Netzwerken durchgeführt. MACC1 erhöhte die GLUT1 auf Zellmembrane, was zu einer erhöhten Glukoseanreicherung, einem erhöhten Glukosefluss und somit zu einer erhöhten Zellproliferation führte. Außerdem, reduzierte MACC1 den Glutaminfluss unabhängig von der Nährstoffverfügbarkeit. Bei Glucoseentzug erhöhte MACC1 die Pyruvataufnahme und zeigte aber die geringe Auswirkungen auf den Pyruvatfluss. In vivo, MACC1 zeigte erhöhte Aufnahme von 18F-FDG und 18F-Glutamat in Lebermetastasen. Zusammengefasst zeigen diese Ergebnisse, dass MACC1 mehrere Wirkungen auf den Krebs-Metabolismus zeigt, was es attraktiv macht, seine Wirkungen in Krebsmodellen weiter zu untersuchen. Metastasierung ist die Haupttodesursache bei Darmkrebs. Fünfzehn bis zwanzig Prozent der Darmkrebs Patienten im Stadium II entwickeln im Verlauf der Erkrankung Metastasen, jedoch bleiben die Kriterien der Wahrscheinlichkeit mit welcher Patienten von Chemotherapie profitieren werden ungenau. Hier wurde das Potenzial der Plasma-Metabolomik zur Vorhersage von Metachronmetastasen untersucht. Plasma metabolische Profile wurden wesentlich unterschiedlich zwischen nicht-metastasierten und metachron metastasierten Patienten gefunden. Wie Klassifikationsmodelle aus Entscheidungsbäumen und Support-Vektor-Maschinen gezeigt haben die Plasmametaboliten haben die Fähigkeit nicht-metastasierte von metachron metastasierten Darmkrebs Patienten zu unterscheiden, mit einer durschnittlichen Vorhersagegenauigkeit von 0,75 bzw. 0,82 für jede der Methoden, angemessen. Zusammen, zeigen diese Ergebnisse, dass Plasmametaboliten das Potenzial haben, Darmkrebs Patienten gemäß ihrem Metastasierungsrisiko nichtinvasiv zu stratifizieren. / MACC1, a master regulator of metastasis, is involved in most hallmarks of cancer, including deregulated metabolism. Yet, fragmentary data on its role in cancer metabolism exist. Here, a systematic analysis of MACC1-driven metabolic networks by elucidation of cell nutrient preferences, environment dependent alterations of nutrient utilization, metabolic pathway functionality and metabolic tracing using 13C-labeled metabolic substrates had been performed. MACC1 was found to enhance surface GLUT1 thus leading to increased glucose depletion, glucose flux and hence increased cell proliferation. Besides, MACC1 was found to reduce glutamine flux independent of nutrient availability. Upon glucose deprivation MACC1 was found to enhance pyruvate uptake exhibiting minor effects on pyruvate flux. In vivo, MACC1 increased uptakes of 18F-FDG and 18F-glutamate in liver metastatic lesions. Together, these findings demonstrate that MACC1 exhibits multiple effects on cancer metabolism, thus making it attractive to further study its effects in cancer models. Metastasis is the main cause of death from colorectal cancer (CRC). Fifteen to twenty percent of stage II CRC patients develop metastasis during the course of disease, however the criteria of likely benefitting patients from chemotherapy remain imprecise. Here, the potential of plasma metabolomics to predict metachronous metastasis was assessed. Plasma metabolic profiles were shown to be significantly different between non-metastasized and metachronously metastasized CRC patients. As demonstrated by supervised classifications using decision trees and support vector machines plasma metabolites have the power to distinguish non-metastasized from metachronously metastasized CRC patients giving average prediction accuracy of 0.75 and 0.82 for each of the methods, respectively. Together, these results demonstrate that plasma metabolites have the potential to non-invasively stratify CRC patients according to their metastasis risk.

LRP2 wird waehrend der fruehen Embryonalentwicklung hauptsaechlich im Dottersack und im Neuroepithel exprimiert. Der funktionelle Verlust dieses 600 kDa grossen Proteins in Maeusen fuehrt zu Fehlbildungen bei der Vorderhirnentwicklung, die als Holoprosenzephalie bezeichnet werden. LRP2 kommt daher eine wichtige Funktion waehrend der Vorderhirnentwicklung zu. Fuer diese Arbeit wurden Maeuse verwendet, bei denen lrp2 im gesamten Tier oder nur in bestimmten Geweben inaktiviert war. Die Expression von LRP2 im Neuroepithel, nicht aber im Dottersack ist wichtig fuer die korrekte Vorderhirnentwicklung. Das Fehlen des Proteins fuehrte am Tag 9.5 der Embryonalentwicklung zu einer UEberaktivierung des Bmp4 Signalweges im rostralen Telencephalon. Am Tag 10.5 war ein Verlust der shh-Expression in der anterioren entopeduncularen Zone (AEP) zu sehen. Das Fehlen von Shh in der AEP fuehrte zum Verlust von ventralen Oligodendrozyten und Interneuronen. AEhnliche Defekte wurden ebenfalls in Maeusen beschrieben, bei denen der Bmp4 Signalweg verstaerkt ist. Bmp4 bindet in vitro an LRP2. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass LRP2 an der Entwicklung des ventralen Telencephalons beteiligt ist - moeglicherweise indem es die verfuegbare Menge an Bmp4 durch Endozytose reguliert. Die Signalwege, in die LRP2 eingebunden ist, sollten im Zebrafisch weiter untersucht werden. Tiere, denen funktionelles LRP2 fehlte, wurden durch die Injektion von Morpholinos generiert. Injizierte Tiere zeigten Stoerungen bei Resorptionsvorgaengen im Pronephros, was darauf hin deutet, dass die Funktion von LRP2 im Zebrafisch Pronephros und in der Niere der Saeugetiere konserviert ist. Die Expressionsmuster von Markergenen fuer die Vorderhirnentwicklung waren allerdings normal.Vermutlich war die Stoerung der lrp2-mRNA Prozessierung nicht ausreichend, um hier einen Effekt hervorzurufen, da bereits im 1-Zell Stadium genuegend komplett prozessierte maternale lrp2-mRNA fuer die Translation von LRP2 vorhanden war. / LRP2 is mainly expressed in the yolk sac and in the neuroepithelium of the early embryo. Deficiency for this 600 kDa protein in mice results in holoprosencephaly, indicating a role for LRP2 in forebrain development. Mice with a complete or a conditional loss of lrp2 function were used to elucidate the consequences of the lack of LRP2 expression. The presence of LRP2 in the neuroepithelium but not in the yolk sac is crucial for early forebrain development. Lack of the receptor resulted in an increase of Bmp4 signaling in the rostral telencephalon at E9.5. As a consequence, shh expression at E10.5 was lost completely in a ventral region of the telencephalon termed anterior entopeduncular area (AEP). The absence of Shh activity in this area led to the loss of ventrally induced oligodendroglial and interneuronal cell populations in lrp2-deficient mice. Similar dorsalizing effects have also been observed in mice with increased Bmp4 signaling. Taking into account that Bmp4 was found to bind to LRP2 in vitro and in vivo, these results suggest a role for LRP2 in patterning the rostral ventral neural tube, possibly by acting as a clearance receptor for Bmp4. The underlying molecular mechanisms were then further analyzed in the zebrafish. LRP2-deficient animals were generated by injecting Morpholinos that interfered with the splicing of the lrp2-pre-mRNA leading to a deletion of the transmembrane-exon. Injected animals suffered from impaired renal clearance processes, demonstrating the functional conservation of LRP2 in the larval zebrafish pronephros. Brain structures were not affected in these animals and the expression patterns of marker genes for early forebrain development that were changed in the mouse were not changed. Apparently, Morpholino mediated interfering with the splicing of the lrp2-pre-mRNA did not affect the early forebrain formation because properly processed lrp2-mRNA was supplied maternally and sufficient for proper brain formation.