Zellkultursysteme mit Krebszelllinien werden seit Langem zur Untersuchung der Interakti-on zwischen Pathogenen und ihren Wirtszellen eingesetzt. Diese Systeme eignen sich aufgrund der reduzierten Komplexität für die Analyse einzelner Faktoren, spiegeln jedoch nicht den Zustand primärer Zellen oder die komplexe Gewebestruktur wieder. Um die Beschränkungen zu umgehen, wurden in dieser Arbeit neue Modelle etabliert auf der Grundlage von reversibel immortalisierten humanen Primärzellen und ex vivo Kultur von intaktem humanem Eileitergewebe. Infektionen mit dem humanpathogenen Bakterium Chlamydia trachomatis, welches chronische Schmerzen oder Unfruchtbarkeit auslösen kann, wurden in diesen Modellen untersucht. Reversible Immortalisierung wurde mit pri-mären human Eileiterzellen (FT Zellen) und humanen Nabelschnurzellen (HUVEC) durchgeführt. Das System basiert auf lentiviralem Gentransfer und dem Cre-lox-System. HUVEC Zellen wurden mit Kombinationen der Onkoproteine hTERT, SV40T und Bmi1 immortalisiert. Immortalisierung von FT Zellen wurde mit SV40T und Bmi1 erreicht. Eine Analyse der FT Zelllinien zeigte Veränderungen des Karyotyps durch die Immortalisie-rung. Bemerkenswerterweise konnten die Stammzellmarker CD44 und Oct4 in FT Zellen nachgewiesen werden. Ex vivo Gewebekultur humaner Eileiter wurde als stabiles Infekti-onsmodel für Chlamydia trachomatis etabliert. Mittels hochauflösender Konfokal-mikroskopie wurde gezeigt, dass die Infektion mit C. trachomatis tiefgreifende Verände-rungen im Epithel der Mukosa auslöst und zum Verlust der Zelladhäsion und Zellpolarität führt. Ein erhöhter Anteil apoptotischer Zellen wurde nach Infektion mit Serovar D beo-bachtet, einem klinischen Isolat des Genitaltraktes. Dieses Ergebnis steht im Gegensatz zu Infektionen mit dem Laborstamm Serovar L2. Phänotypische Veränderungen in nicht infizierten Zellen weisen auf die Existenz parakriner Signalwege während der akuten In-fektion und Veränderung der epithelialen Homeostase hin. / Cell culture systems with cancer-derived cell lines have long been used to study the interaction between pathogens and their host cells. Due to reduced complexity these systems are convenient for the analysis of single factors; however, they do not represent the condition of primary cells or the complex tissue structure. To circumvent these limitations new models were established in this study on the basis of reversibly immortalized human primary cells and ex vivo culture of intact human fallopian tube tissue. Infections with the human pathogenic bacterium Chlamydia trachomatis, which can lead to chronic pain or infertility, were analyzed in these models. Reversible immortalization was applied to primary human fallopian tube (FT) cells and human umbilical vein cells (HUVEC). This system is based on lentiviral gene transfer and the Cre-lox-system. HUVEC cells were immortalized with a combination of two of the oncoproteins hTERT, SV40T and Bmi1. Immortalization of FT cells was achieved with SV40T and Bmi1. Analysis of FT cell lines revealed changes of the karyotype induced by immortalization. Remarkably, the stem cell markers CD44 and Oct4 were detected in FT cells. Ex vivo tissue culture of human fallopian tubes was established as stable and reliable infection model for Chlamydia trachomatis. Via high resolution confocal analysis the infection with C. trachomatis was discovered to trigger profound changes in the epithelial mucosa, causing loss of cell adhesion and polarity. Interestingly, an increase in the rate of apoptotic cells was observed after infection with serovar D, a clinical genital tract isolate. This finding is in contrast to infections with serovar L2, a laboratory strain. Phenotypic changes in non-infected cells suggest the existence of paracrine signalling during acute infection and change in epithelial homeostasis.

Legionella pneumophila ist ein Gram-negatives, ubiqitär verbreitetes Proteobakterium, das als Auslöser der Legionärskrankheit gilt. Die Ergebnisse dieser Arbeit bestätigen, dass Serin eine wichtige Kohlenstoffquelle für Aminosäuren darstellt und dass L. pneumophila für die Aminosäuren Isoleucin, Leucin, Phenylalanin, Tyrosin, Histidin, Prolin und Valin auxotroph ist. Innerhalb der Replikationsvakuole greift L. pneumophila auf Aminosäuren des Wirts zurück und inkorporiert diese in Proteine. Die untersuchte Spezies besitzt die Fähigkeit zur de novo-Biosynthese von Serin. Die vorliegende Arbeit zeigt zudem erstmals, dass Glukose für die Biosynthese von Aminosäuren sowie Polyhydroxybutyrat (PHB) verwendet wird. Der Entner-Doudoroff-Weg (EDW) kann als Haupt-Katabolismusroute von Glukose identifiziert werden. Ein Deletionsstamm des EDW zeigt gegenüber dem Wildtypstamm in nährstoffarmer Umgebung deutlich verminderte Fitness nach erfolgreicher Replikation innerhalb A. castellanii. Die Glukoamylase GamA wird in dieser Arbeit erstmals als verantwortliches Enzym für die Stärke- und Glykogenhydrolyse von L. pneumophila charakterisiert. Der putative Transkriptionsaktivator YozG bindet sowohl im 5’-DNA-Bereich von gamA als auch im eigenen putativen Promotorbereich und reguliert die Hydrolyseaktivität von GamA. Es werden zudem Argumente für die Hypothese erbracht, dass YozG auch als cis-aktives Element fungiert. Die Biosynthese von Polyhydroxybutyrat (PHB) aus Glukose findet während des spät-exponentiellen Wachstums statt und steigert sich in der stationären Phase. Eine verminderte PHB-Menge im EDW-Deletionsstamm wird als Erklärung für die verminderte Fitness in nährstoffarmer Umgebung diskutiert. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass L. pneumophila neben Aminosäuren auch Glukose sowie die natürlich vorkommenden Glukosepolymere Glykogen und Stärke als Kohlenstoffquellen zur Biosynthese von Aminosäuren und PHB nutzt und dass diese Synthese zur Fitness der Spezies beiträgt. / Legionella pneumophila is a Gram-negative proteobacterium causing Legionnaires’ disease. The results of this study confirm that serine is a carbon source for amino acids and that L. pneumophila is auxotrophic for the amino acids isoleucine, leucine, phenylalanine, tyrosine, histidine, proline, and valine. L. pneumophila uses amino acids of the host cells to incorporate them into proteins. Serine is synthesized de novo. Furthermore, this work demonstrates for the first time that glucose is used for the biosynthesis of amino acids and polyhydroxybutyrate (PHB). The Entner-Doudoroff pathway is identified as the predominant pathway for the catabolism of glucose. In a nutrient-depleted environment, after replication has taken place in A. castellanii, a deletion strain of the Entner-Doudoroff pathway exhibits strongly reduced fitness as compared to the wildtype. The glucoamylase GamA is characterized as the enzyme responsible for the starch and glycogen degrading activity of L. pneumophila for the first time. The putative transcription activator YozG binds to the 5’ region of gamA as well as to his own putative promoter region and regulates GamA activity. Furthermore, arguments are provided to support the hypothesis that YozG also acts as a cis-active element. The biosynthesis of polyhydroxybutyrate (PHB) from glucose starts in the late exponential phase and increases in the stationary growth phase. As an explanation for reduced fitness of the Entner-Doudoroff deletion strain in nutrient-depleted environment, a reduced amount of PHB is proposed. The results of this work prove that L. pneumophila uses not only amino acids but also glucose and the natural glucose polymers starch and glycogen as carbon sources for the biosynthesis of amino acids and PHB and that thereby the fitness of the species is increased.

Zelluläre Seneszenz beschreibt einen terminalen Zellzyklus-Arrest. Nach zellulärem Stress u. a. durch aktivierte Onkogene oder DNA-schädigende Chemotherapie wird Seneszenz induziert und kann so zur Tumorsuppression bzw. zum Behandlungserfolg beitragen. Vor kurzem wurde gezeigt, dass der Transkriptionsfaktor NF-kappaB – welcher bisher vor allem durch seine onkogenen Funktionen mit Krebs in Verbindung gebracht wurde - bei der Seneszenz-assoziierten Zytokinausschüttung mitwirkt und den seneszenzten Phänotyp möglicherweise sogar verstärkt, wodurch NF-kappaB potentiell eine tumorsuppressive Rolle zukäme. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung des NF-kappaB-Signalweges in Seneszenz und Therapie. In der vorliegenden Arbeit zeige ich die deutliche Aktivierung von NF-kappaB nach Therapie-induzierter Seneszenz (therapy-induced senescence, TIS) und erhöhte Expression NF-kappaB-regulierter Zytokine. TIS ist vor allem in vivo mit starker Aktivität des NF-kappaB-Signalweges assoziiert und von selbiger abhängig. Primäre Eµ-myc-transgene Mauslymphome wurden nach ihrer endogenen NF-kappaB-Aktivität klassifiziert bzw. mit inhibierenden und aktivierenden NF-kappaB-Konstrukten modifiziert, welche auch in diffusen großzelligen B-Zell Lymphomen (diffuse large B-cell lymphoma, DLBCL) als natürlich vorkommende Mutationen gefunden wurden. Über einen neuartigen „Cross-Species“-Vergleich wurden Bcl2-hochexprimierende Keimzentrums-B-Zell-DLBCL (germinal center B-cell type, GCB) als klinisch relevante Gruppe identifiziert, welche nach NF-kappaB-Hyperaktivierung signifikant besser auf Therapie ansprach. Diese Ergebnisse zeigen eine kontextspezifische, d. h. von „onkogenen Netzwerken“ abhängige Rolle des NF-kappaB Signalweges unter Chemotherapie. Diese Information könnte für künftige klinische Studien bedeutsam sein, da sie Bedingungen aufzeigt, unter denen NF-kappaB als Vermittler einer erwünschten Therapie-induzierten Seneszenzantwort eher nicht inhibiert werden sollte. / Cellular senescence is a terminal cell-cycle arrest program that is executed in response to cellular stresses, such as activated oncogenes or DNA-damaging anti-cancer chemotherapy, where it serves as a tumor-suppressive mechanism or contributes to treatment outcome, respectively. Recently, transcription factor NF-kappaB which has long been linked to cancer development primarily through its oncogenic functions, has been postulated to participate in a senescence-associated and possibly senescence-reinforcing cytokine response, thereby suggesting a tumor-restraining role for NF-kappaB. The aim of my PhD project was to understand the role of the NF-kappaB pathway in senescence and cancer treatment outcome. In this thesis, I show markedly elevated NF-kappaB activity upon therapy-induced senescence (TIS), associated with strong upregulation of NF-kappaB-controlled cytokines. TIS is associated with and depends on hyper-activated NF-kappaB signaling. By characterization and genetic engineering of primary mouse lymphomas according to distinct NF-kappaB-related oncogenic networks reminiscent of diffuse large B-cell lymphoma (DLBCL) subtypes, Bcl2-overexpressing germinal center B-cell-like (GCB) DLBCL were identified as a clinically relevant subgroup with significantly superior outcome when NF-kappaB is hyperactive. These results demonstrate the context-dependent role of NF-kappaB signaling in cancer therapy and unveil oncogenic scenarios in which NF-kappaB hyperactivity unexpectedly accounts for superior long-term outcome to therapy. This finding has significant ramifications for future clinical trials that aim at inhibiting NF-kappaB activity based on the assumption of its detrimental impact on treatment outcome.

Veränderungen in der lokalen Chromatinstruktur beeinflussen die dynamische Regulation von Genen, welche für die Differenzierung notwendig sind. PU.1 ist ein Master-Transkriptionsfaktor in der Hämatopoese und wird streng reguliert, um ein zelllinienspezifisches Expressionsmuster zu erzielen. Hohe Konzentrationen von PU.1 sind für myeloische Differenzierung erforderlich. In B-Zellen wird PU.1 mittelstark exprimiert und muss aktiv runterreguliert werden, um eine Ausdifferenzierung der multipotenten Vorläuferzellen zu T-Zellen zu ermöglichen. Derzeit ist wenig über die Regulierung von PU.1 in T-Zellen bekannt. Darüber hinaus wurde eine abnormale Expression von PU.1 in verschiedenen Leukämieerkrankungen beobachtet. Mittels eines genome-wide Chromatin-Interaktions-Screens konnten wir einen cis-Repressor mit insulierender Kapazität identifizieren, welcher mittels eines Chromatinloops die Promotoraktivität von PU.1 in T-Zellen, jedoch nicht in myeloischen oder B-Zellen blockiert. Sowie Looping als auch Insulation erfordern die Bindung des Chromatin-Regulatorprotein CTCF. Im Gegensatz zu normalen myeloischen Zellen finden wir, dass Krebszellen aus myeloischen Leukämie Patienten diese T-Zell-spezifische repressive Chromatinstruktur aufweisen, was einen räumlichen Kontakt des Insulator mit dem PU.1 Promotor ermöglicht. Die Ergebnisse dieser Arbeit beschrieben das CTCF gesteuerte „long distance looping“ als ein neuer molekularer epigenetischer Mechanismus, um Transkriptionsfaktor PU.1 in T-Zellen runterzuregulieren, und zeigen zum ersten mal, dass Krebszellen die Chromatinstruktur anderer Zelllinien imitieren können, um die Expression von Differenzierungsgenen zu blockieren. / Alterations in the local chromatin structure orchestrate the dynamic regulation of differentiation promoting genes. PU.1 is a master transcription factor in hematopoiesis. PU.1 gene must be tightly regulated to achieve lineage specific expression pattern. High levels of PU.1 are required for myeloid commitment: it is expressed at intermediate level in B-cells and must be actively silenced to permit T cell development from early multipotent progenitors. However, little is known of how PU.1 is regulated in T-cells. Moreover, aberrant PU.1 expressions have been observed in multiple leukemias. Using a genome-wide chromatin interaction screen we identified a cis-repressor with insulating capacity that undergoes long-distant chromatin looping to block PU.1 promoter activity in T cells but not myeloid or B cells. Looping and repression requires binding of the chromatin regulator protein CTCF. In contrast to normal myeloid cells, we found that cancer cells from myeloid leukemia patients adopt the T cell specific repressive chromatin structure bringing the insulator into spatial contact with the PU.1 promoter. These results identify CTCF controlled long-distant insulator looping as a novel mechanism to silence lineage-opposing transcription factor expression, and reveal that cancer cells can mimic the chromatin confirmation of another lineage to block expression of differentiation driving genes.

Desmosomen sind hochorganisierte Zell-Zell-Verbindungen. Aufgrund ihrer hohen Adhäsivität sind sie für die mechanische Kopplung und strukturelle Stabilität stark beanspruchter Gewebe von essentieller Bedeutung. Die adhäsive interzelluläre Kernstruktur der Desmosomen wird durch die transmembranen Cadherine des Desmocollin und Desmoglein-Typs gebildet. Deren extrazelluläre Domänen stellen den Kontakt zwischen zwei benachbarten Zellen her. Dsc2 ist neben Dsg2 die prädominante Isoform und wird in allen Desmosomen-bildenden Geweben wie auch dem Herzen exprimiert. Ziel der Arbeit war es, die Rolle von Dsc2 bei der Etablierung und Aufrechterhaltung der desmosomalen Adhäsivität und Gewebeintegrität zu untersuchen. Hierfür wurde ein klassisches Knockout-Mausmodell für Dsc2 etabliert und sowohl basal als auch unter Belastungsbedingungen charakterisiert. Unsere Daten demonstrieren, dass der ubiquitäre Knockout keinen Einfluss auf die Morphogenese des Embryos und die postnatale Entwicklung hat. Dsc2-/- -Mäuse waren lebensfähig und wiesen keinen pathologischen Phänotyp auf. Zudem ließen sich in den Herzen adulter Tiere strukturell unveränderte Desmosomen nachweisen. Dahingegen konnte eine verminderte mechanische Beanspruchbarkeit der Dsc2-/- -Herzen aufgezeigt werden. Unter erhöhter Belastung zeigte sich bereits nach wenigen Tagen eine signifikante Reduktion der kardialen Funktion.Die vorliegende Arbeit zeigt somit erstmalig in vivo, dass Dsc2 entgegen der Lehrmeinung nicht essentiell für die Embryonalentwicklung und die Bildung strukturell intakter Desmosomen ist. Anhand des Funktionsverlustes der adulten Knockout-Herzen unter Belastungsbedingungen lässt sich jedoch eine mögliche Rolle von Dsc2 für die Adhäsivität der Desmosomen postulieren. / Desmosomes are highly organized adhesive intercellular junctions providing mechanical strength and structural stability to several tissues such as skin and heart. The adhesive core of desmosomes is formed by the transmembrane glycoproteins desmocollins (Dsc) and desmogleins (Dsg) which link neighbouring cells via interaction with their extracellular cadherin domains. Dsc2 and Dsg2 are the predominant isoforms ubiquitously expressed in all desmosome bearing tissues including the heart. To elucidate the role of Dsc2 for establishment and maintenance of desmosome adhesion and tissue integrity, we generated a constitutive knockout model of the mouse. The effect of gene inactivation was characterized under basal as well as under stress conditions, using two different stress models. Our data demonstrate that Dsc2 is not required for pre- and postnatal development. Dsc2-/- mice were viable and showed no pathological alterations at embryonic or adult stages. Consistently, Dsc2 deficient cardiomyocytes exhibited distinct and ultrastructural well organized desmosomes. However, mutant hearts displayed a decreased stress resistance. Increased mechanical pressure led to a significant reduction of cardiac function in Dsc2-/- animals. In summary, our results demonstrate for the first time in vivo that Dsc2 is not essential for embryonic development and for the establishment and maintenance of distinct and well organized desmosomes. However, the reduced cardiac function in stressed knockout-mice suggests a crucial importance of Dsc2 for desmosomal adhesive strength.

Die Neurone der Hirnrinde sind in Mikroschaltkreisen, Modulen und Arealen organisiert. In dieser Doktorarbeit habe ich die Neurobiologie und Hirnrindenstruktur der Etruskerspitzmaus - ein neues Modelltier für neurobiologische Forschung - und die modulare Struktur des entorhinalen Kortex der Ratte untersucht. Die geringe Größe des Gehirns der Etruskerspitzmaus bietet besondere Vorteile für das Verständnis kortikaler Aktivität von Zellgruppen. Die entorhinale Kortex enthält sowohl gut definierte funktionelle als auch anatomische Module und bietet daher eine einzigartige Gelegenheit für das Studium ihrer Wechselbeziehungen. Die Organisation der Hirnrinde der Etruskerspitzmaus reflektiert die Spezialisierung als schnelle, auf taktile Reize spezialisierte Jäger. Mehrere kortikale Regionen, die ein Drittel des kortikalen Volumens ausmachen, reagieren auf taktile Reize. Eine kortikale Hemisphäre enthält nur etwa eine Million Neuronen. Basierend auf der Zellarchitektur und histochemischen Färbungen haben wir 13 kortikale Regionen definiert - eine große Zahl angesichts der geringen Größe des Spitzmausgehirns. Pyramidenzellnester in Schicht 2 des medialen entorhinalen Kortex sind einfach zu identifizieren und eignen sich als Bezugssystem für die verschiedenen modulären Strukturen dieser Hirnregion. Diese Pyramidenzellen bündeln ihre Dendriten hin zu einem Punkt, der sich mit erhöhten Konzentrationen von präsynaptischen cholinergen Markern überschneidet. Cholinerge Transmission ist ein wichtiger Bestandteil des Theta-Rhythmus und unsere Ergebnisse zeigen, daß Pyramidenzellen im Vergleich zu Sternzellen doppelt so stark Theta-moduliert sind. Da fast alle Gitterzellen stark Theta-moduliert sind, ist anzunehmen dass Pyramidenzellen eine wichtige Rolle für die räumliche Navigation spielen. In dieser Arbeit wurden an der Hirnrinde der Etruskerspitzmaus sowie der entorhinalen Hirnrinde der Ratte modellhaft Struktur-Funktions-Beziehungen in der Großhirnrinde aufgeklärt. / Neurons of the cerebral cortex are collectively organized into microcircuits, modules and cortical areas. Here, I study the neurobiology and cortical structure of the Etruscan shrew - a new model animal for neurobiological research - and the modular structure of the entorhinal cortex of the rat. The small size of the Etruscan shrew''s brain offers particular advantages for understanding cortical activity at the multi-cell level, due to its small number of cortical neurons and its intrinsic advantages for optical imaging approaches. The entorhinal cortex contains well-defined functional and anatomical modules and provides a unique opportunity for studying their interrelation. The organization of the cerebral cortex of the Etruscan shrew reflects their behavioral specialization as fast touch-and-kill hunters. Several cortical areas comprising a third of the cortical volume respond to vibrissal touch. One cortical hemisphere contains only about 1 million neurons. Cytoarchitecture and histochemical staining revealed 13 cortical regions - a large number considering the small size of the shrew''s brain. Pyramidal cell clusters in layer 2 of medial entorhinal are reliably identifiable and thus provide common anatomical framework for entorhinal cortex modularity. These cells form geometrically arranged clusters and bundle their dendrites towards a common point overlapping with presynaptic markers of cholinergic inputs. Cholinergic drive is an important component of theta-rhythmicity which we found to be two-fold stronger in pyramidal than in stellate neurons. Since nearly all grid cells are strongly theta modulated, we suggest that pyramidal cells may play an important role in microcircuits for spatial navigation. In this work, we studied the areal architecture of the Etruscan shrew cortex and the modular architecture of the rat medial entorhinal cortex as contributions towards understanding structure-function relations in the cerebral cortex.

Krebs und Infektionskrankheiten, wie z.B. Influenza, stellen zwei der großen Bedrohungen für die Menschheit dar. Gerade durch den demographischen Wandel sind immer mehr Menschen gefährdet. Mathematische Modelle von Krankheiten decken verschiedene Detailebenen ab -- von epidemologischen Modellen der Virusinfektion bis zu intrazellulären Modellen der Signaltransduktion in einzelnen Krebszellen. Diese Modelle, sofern sie anhand von biologische Daten kalibriert wurden, können sich als sehr nützlich erweisen um Hypothesen zu bisher unbekannten Wechselwirkungen zu generieren, Wirkstoffkandidaten vorherzusagen, und die Funktionsweise von existierenden Wirkstoffen besser zu verstehen. Im Rahmen dieser Arbeit möchte ich mehrere Projekte vorstellen, in denen prädiktive mathematische Modelle dazu benutzt wurden, tiefere Einblicke in die biologischen Prozesse zu gewinnen und die Therapieansätze bei Krebserkrankungen und den damit verbundenen Gesundheitsproblemen zu verbessern. Im ersten Teil geht es um die Bedeutung von gemeinschaftlich entwickelter Software für die Systembiologie. Eine offene und erweiterbare Modellierungssoftware ermöglicht es ständig verbessert zu werden und an die Bedürfnisse der Nutzer angepasst zu werden. Im zweiten Projekt wurden die intrazellulären Prozesse während der frühen Influenza A Infektion untersucht. Durch eine Kombination von biologischen Messungen und mathematischer Modellierung konnte der Abbau von viraler RNA wähernd des Transportes durch das Wirtszellzytoplasma als limitierender Faktor für die erfolgreiche Infektion identifiziert werden. Mit Hilfe eines experimentell modifizierten viralen Hämagglutintin-Proteins mit veränderter pH-Abhängigkeit konnte gezeigt werden, dass sich der Abstand zum Zellkern, in dem das virale Genom freigesetzt wird, vergrößert. Die Modellvorhersage, dass die Infektion dadurch weniger effektiv wird, konnte experimentell bestätigt werden. Im dritten Projekt beschäftigte ich mich mit gesundheitlichen Problemen, die im Zusammenhang mit einer Krebserkrankung und deren Behandlung auftreten können. Chemotherapie oder die Krebserkrankung selbst führt bei vielen Patienten zu einer Blutarmut (Anämie). Diese wird aktuell entweder durch regelmäßige Bluttransfusionen oder durch Verabreichung von sogenannten Erythropoiesis-Stimulating Agents (kurz: ESA, zu Deutsch: Erythropoese-stimulierende Substanzen) behandelt. Mithilfe eines publizierten mathematischen Modells zur ESA-EpoR Interaktion konnten die Bindungseigenschaften verschiedener ESAs charakterisiert und zudem die Anzahl der Bindungsstellen auf unterschiedlichen Zelllinien bestimmt werden. Durch eine Erweiterung des Modells mit einem pharmakokinetischen und -dynamischen Teil konnte die Dosierung für Anämiepatienten retrospektiv verbessert werden. Das letzte Projekt stellt eine computerbasierte Methode zur Analyse und Entschlüsselung der zellulären Zusammensetzung von Tumorproben dar. In den vergangenen Jahren wurde vermehrt eine neue Klasse von Krebsmedikamenten entwickelt, die sich das körpereigene Immunsystem zunutze macht, um den Krebs zu bekämpfen. Das Funktionieren dieser Medikamente hängt jedoch davon ab, ob bestimmte Immunzellen in der Umgebung des Tumors vorhanden sind. Auf Grundlage von Einzelzell RNA-Sequenzierungsdaten konnte eine existierende Methode so erweitert werden, dass nunmehr auch Proben von soliden Tumoren entschlüsselt werden können. Zudem wurden die Einflüsse von verschiedenen Faktoren, wie etwa der Gewebeherkunft oder dem verwendeten Algorithmus, systematisch ausgewertet. Zusammengefasst habe ich in dieser Arbeit dargestellt, wie prädiktive Computermodelle dazu verwendet werden können bestehende Behandlungsansätze zu verbessern und neue Wirkstoffkandidaten zu identifizieren. / Cancer and infectious diseases, such as influenza infection, represent major threats to the human population, especially since demographic change makes more and more people vulnerable. Mathematical modeling of disease covers several layers of detail ranging from epidemiological models for infection spread to cancer-associated signaling within individual cells. These models, when being calibrated to biological data, can provide useful means for generating hypothesis of priorly unknown interactions, predicting drug targets for novel therapeutic substances and for improving the understanding and efficient functioning of existing treatment strategies. In this thesis, I present several projects in which predictive computational models are utilized to gain deeper insights into the biological processes and to improve therapy of cancer and associated health problems. The first part highlights the importance of community-driven software development for systems biology applications. Efficient, yet expandable and open software continuously improves, driven by an active community of users and developers. In the second project, the intracellular processes during the early influenza A infection are investigated. Using a combination of experimental measurements and mathematical modeling, degradation of the viral genome during its diffusion through the cytoplasm could be identified as a limiting factor for a successful infection. By experimentally increasing the pH sensitivity of the viral hemagglutinin protein, the distance of diffusion was increased and the computationally predicted decrease in infectivity could be validated in experiment. The third project deals with cancer-associated health issues and their treatment. Patients suffering from anemia, caused by the cancer itself or as a side-effect of chemotherapy, are treated either with blood transfusions or with an erythropoiesis stimulating agent (ESA). By adapting a published model of ESA-EpoR interaction, not only the biochemical properties of different ESAs could be characterized in silico but also the number of binding sites (i.e. Epo receptors on the cell surface) in different cell lines was accurately determined. The model was extended by a pharmaco-kinetic and -dynamic part. The combined ESA-EpoR-PK/PD model could be utilized to retrospectively optimize the dosing regimen of patients suffering from anemia. In the last project, a computational method for analyzing and deciphering the cellular composition of bulk tumor samples is presented. Only recently, a new class of anti-cancer drugs was introduced recruiting the body’s own immune system to combat malignant tissue. However, the efficient functioning of these immunotherapeutical drugs heavily depends on the presence of specific immune cells in the tumor micro-environment. Based on single-cell RNA sequencing data, an existing method for computational deconvolution could be adapted for data from solid tumor tissue and its performance was benchmarked. Taken together, in this thesis I present approaches how predictive computational models can be utilized to render more efficient existing treatment strategies.

Die heterogene Gruppe der Myopathien kann sowohl die Funktion des Muskels beeinflussen, als auch andere Organsysteme. Erworbenen Muskelerkrankungen sind theoretisch behandelbar, jedoch stehen zumeist nur sehr unspezifische Behandlungsoptionen zur Verfügung, während für vererbte Formen bisher keine kausalen Therapiemöglichkeiten bekannt sind. In dieser Arbeit wurden drei verschiedene Muskelerkrankungen untersucht. Gemeinsam ist ihnen ein jeweils charakteristischer Einstrom von Entzündungszellen, wobei die Zusammensetzung des Zellinfiltrates (z.B. Lymphozyten oder Makrophagen) bei den verschieden Erkrankungen unterschiedlich war. Weiterhin unterscheidet sich das zugrunde liegende Zytokinmilieu für die einzelnen untersuchten Entitäten. Daher war es Ziel der Arbeit, die genauen Interaktionen zwischen den Immunzellen zu untersuchen, sowie die charakteristischen Phänomene der Erkrankungen (Hypoxie, Entzündung und Fibrose). Nekrotisierende Myopathien können sowohl durch eine immun-vermittelte Genese, als auch durch Kontakt mit toxischen Substanzen ausgelöst werden und beide Subgruppen können klar durch morphologische Kriterien, als auch durch spezielle Immunaspekte unterschieden werden. Makrophagen waren hier die vorherrschende Zellpopulation und im gesamten Muskel verteilt. Patienten mit Dermatomyositis dagegen zeigten ein typisches perifaszikuläres Atrophiemuster und hypoxische Effekte, wobei beide Phänomene deutlich ausgeprägter bei juvenilen, als bei adulten Patienten vorkamen. Erbliche Myopathien (z.B. Muskeldystrophie Duchenne) können ebenfalls entzündliche Infiltrate aufweisen und die Entwicklung von Fibrose in der Skelettmuskulatur ist dabei ein Hauptkriterium der Muskelfaserdegeneration. Ein neu entwickelter computer-basierter Algorithmus wurde genutzt, um diese Entwicklung zu quantifizieren. Die Menge an Bindegewebe steigt mit dem Alter der Patienten, während bei älteren Patienten außerdem ein fettgewebiger Umbau ein wichtiger Aspekt der Pathologie war. / The heterogeneous group of myopathies can affect the skeletal muscle or other organ systems and comprise a huge number of different entities. Acquired myopathies are potentially treatable, but there are often only unspecific treatment options, while there is no causative cure for inherited forms of myopathies. In this work, three different entities were analyzed, which all share common aspects of the immune response, but also feature distinct immunological aspects as well. They have an inflammatory part in common, which is mainly regulated by influx of immune cells. However, the composition of these cellular infiltrates (e.g. lymphocytes or macrophages) was varying between the diseases. In addition, the respective cytokine milieu was highly specific in the examined entities. Thus, the aim of the study was to precisely examine interactions between immune cells, and analyze characteristic pathological phenomena (hypoxia, inflammation and fibrosis). Necrotizing myopathies have an immune-mediated background or showed a toxic aetiology and both sub-groups can be distinguished by their morphological characteristics and certain immune aspects. Here macrophages are the predominant cell population and are spread throughout the muscle. Analyses of patients suffering from dermatomyositis showed a typical perifascicular pattern of atrophy, as well as effects of hypoxia and the described features are in general more pronounced in juvenile dermatomyositis than in the adult form. Inherited myopathies (e.g. Duchenne muscular dystrophy) harbor significant inflammatory infiltrates as well and development of fibrosis was a major feature of skeletal muscle degeneration. A computer-based algorithm was used to quantify fibrosis. The amount of connective tissue increased with the age of patients, while at late stage of disease fatty transformation was an additional important issue.

Etwa 25 % der Nierenzellkarzinome (RCC) weisen bei Diagnosestellung bereits Metastasen auf. Aufgrund der schlechten Prognose des metastasierten RCC besteht ein dringender Bedarf an neuen Therapieformen sowie an prognostischen und diagnostischen Markern. microRNAs (miRNAs) bieten sich dabei als vielversprechende molekulare Biomarker an. Für den klarzelligen RCC-Subtypen (ccRCC) wurde bereits ein umfangreiches miRNA Expressionsprofil erstellt, mit dem ccRCC-relevante, vorwiegend herunterregulierte miRNAs identifiziert werden konnten. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass die Expression der miR-141 und miR-145 in RCC-Zelllinien durch epigenetische Mechanismen gehemmt ist und die Promotorbereiche dieser miRNAs stark methyliert vorliegen. In RCC-Zellen konnte eine tumorsuppressive Wirkung dieser miRNAs durch Hemmung der Migration (beide) und Invasion (miR-141) nachgewiesen werden. Durch die gleichzeitige Überexpression der beiden miRNAs kam es zu einer kooperativen Wirkung und so zu einer verstärkten Hemmung der Zellmigration. Weitere Untersuchungen konnten eine Reihe neuer onkogener Targets der miR 141 und miR 145 identifizieren. Dabei zeigte sich ein kooperativer Effekt durch Kombination beider miRNAs auf die Expression der Targets HS6ST2 und LOX. Die Targets LOX und MAP4K4 waren in ccRCC Gewebe auf mRNA-Ebene stark überexprimiert im Vergleich zum umliegenden Normalgewebe. Bei der anschließenden Tissue-Mikroarray-Analyse der Expression auf Proteinebene zeigte sich zudem ein prognostisches Potenzial der Targets LOX und MAP4K4 für das Gesamtüberleben von ccRCC Patienten. Diese Daten verdeutlichen den enormen Einfluss von epigenetisch dysregulierten miRNAs und deren spezifischen Targets auf tumorassoziierte Prozesse. Zudem bietet das Netzwerk aus Epigenetik, miRNAs und deren jeweiligen Targets nicht nur eine Reihe von diagnostischen und prognostischen Möglichkeiten, sondern liefert auch viele Ansatzpunkte für die Entwicklung von neuen therapeutischen Strategien. / Approximately 25 % of diagnosed renal cell carcinoma (RCC) have already metastasized. Due to poor prognosis of metastatic RCC, there is an urgent need for new therapies and prognostic and diagnostic markers to identify high-risk patients. Here microRNAs (miRNAs) might be promising new molecular biomarkers. For the clear cell RCC subtype (ccRCC) a comprehensive miRNA expression profile was already established. In this profiling several ccRCC-associated, predominantly down-regulated miRNAs were identified. In the present study, epigenetic mechanisms were identified to play a significant role in the down regulation of miR-141 and miR-145 in RCC cell lines. In addition, a strong methylation of the corresponding promoter regions was detected at molecular level. In RCC cells a tumor suppressive effect of these miRNAs was shown by decreasing migration (both) and invasion (miR-141) and furthermore, co overexpression of both miRNAs resulted in a cooperative effect with increased inhibition of cell migration. Several new oncogenic targets of miR-141 and miR-145 were identified by further investigations. Here the two miRNAs again showed a cooperative effect, as demonstrated by a significantly increased inhibition of HS6ST2 and LOX expression. In ccRCC tissue the expression of LOX and MAP4K4 was strongly enhanced on mRNA level compared to normal tissue. In the subsequent tissue microarray analysis of protein expression, LOX and MAP4K4 showed a prognostic impact for the overall survival of patients with ccRCC. These results illustrate a huge impact of epigenetically dysregulated miRNAs and of their specific targets on tumor-associated processes. Furthermore, the network of epigenetics, miRNAs and their respective targets will offer a number of diagnostic and prognostic capabilities, but will also provide many opportunities for the development of new therapeutic strategies.

In dieser Arbeit identifizierte und quantifizierte ich zunächst mehrere Isolationsbarrieren zwischen den nah verwandten Feldheuschreckenarten Chorthippus biguttulus und C. mollis (Kapitel 2). Meine Ergebnisse deuten auf eine wichtige Rolle von chemischen Signalen bei der reproduktiven Isolation zwischen diesen Arten hin. Durch die Kombination von verschiedenen Ansätzen untersuchte ich die ultimaten und proximaten Ursachen von chemischen Signalen auf das Fortpflanzungsverhalten. Im dritten Kapitel zeigte ich, dass die kutikulären Kohlenwasserstoff Profile (CHC) von C. biguttulus und C. mollis art- und geschlechtsspezifisch sind. Mit Hilfe eines RNA-seq Ansatzes untersuchte ich transkriptionelle Unterschiede in Kandidatengenen, die für die Divergenz in den CHC Profilen zwischen den Arten und den Geschlechtern verantwortlich sein könnten. Ein solches Gen zeigte artspezifische Expression und trägt möglicherweise zur reproduktiven Isolation zwischen den Arten bei. Darüber hinaus fand ich Expressionsunterschiede zwischen den Geschlechtern in vier Kandidatengenen. Zwei von diesen Genen zeigten eine erhöhte Expression in Männchen, was eventuell in Verbindung mit dem höheren Anteil von dimethyl-verzweigten Kohlenwasserstoffen in Männchen steht. Ich fand keine Hinweise für positive Selektion in den Kandidatengenen, was vermuten lässt, dass die Unterschiede in CHC Profilen durch transkriptionelle Unterschiede entstehen. In Kapitel 4 erforschte ich mit Hilfe eines Bioassays, wie sich verschiedene CHC Signale auf das Balzverhalten von Männchen auswirkten. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass der Genfluss zwischen C. biguttulus und C. mollis durch verschiedene Barrieren unterbrochen ist und dass diese Feldheuschrecken multimodale Kanäle im Paarungsverhalten verwenden. Zusätzlich lassen meine Ergebnisse eine zentrale Rolle von kutikulären Kohlenwasserstoffen in der reproduktiven Isolation beider Arten und in der Artbildung vermuten. / In this thesis, I first conducted several experiments to identify and quantify reproductive isolation at multiple stages in the life history of the closely related species Chorthippus biguttulus and C. mollis (chapter 2). My results indicated a crucial role of chemical cues in the maintenance of species isolation. I combined multiple approaches to examine the ultimate and proximate causes of chemical cues on reproductive behavior in these species. In chapter 3, I demonstrated that the cuticular hydrocarbon (CHC) profiles of C. biguttulus and C. mollis provide species- and sex-specific cues. I used a RNA-seq approach to examine transcriptional differences of candidate genes, which might cause the divergence in CHC profiles between species and sex. One candidate gene showed species-specific transcriptional differences and may contribute to reproductive isolation. In addition, four candidate genes were differentially expressed between the sexes. Two of them exhibited a strong male-biased expression, which may be linked to higher proportions of dimethyl-branched CHCs in males. I found no evidence for positive selection acting on these genes, suggesting that differences in CHC profiles are presumably mediated at transcriptional level. In chapter 4, I developed a bioassay to determine if female CHCs act as chemical cues that induce courtship behavior in males. In summary, this thesis demonstrated that various reproductive isolating mechanisms reduce the gene flow between C. biguttulus and C. mollis and that in these species the courtship display consists of multimodal signals. In addition, my results suggest a key role of chemical cues in reproductive isolation and speciation.