In the present study numerical methods are employed within the framework of multiscale modeling. Quantum mechanics and finite element method simulations have been used in order to calculate thermoelastic properties of ceramics. At the atomic scale, elastic constants of ten different ceramics (Al2O3, alpha- and beta-SiC, TiO2-rutile and anatase, AlN, BN, CaF2, TiB2, ZrO2) were calculated from the first principles (ab-initio) using the density functional theory with the general gradient approximation. The simulated elastic moduli were compared with measured values. These results have shown that the ab-initio computations can be used independently from experiment to predict elastic behavior and can provide a basis for the modeling of structural and elastic properties of more complex composite ceramics. In order to simulate macroscopic material properties of composite ceramics from the material properties of the constituting phases, 3D finite element models were used. The influence of microstructural features such as pores and grain boundaries on the effective thermoelastic properties is studied through a diversity of geometries like truncated spheres in cubic and random arrangement, modified Voronoi polyhedra, etc. A 3D model is used for modeling the microstructure of the ceramic samples. The measured parameters, like volume fractions of the two phases, grain size ratios and grain boundary areas are calculated for each structure. The theoretical model is then varied to fit the geometrical data derived from experimental samples. The model considerations are illustrated on two types of bi-continuous materials, a porous ceramic, alumina (Al2O3) and a dense ceramic, zirconia-alumina composite (ZA). For the present study, alumina samples partially sintered at temperatures between 800 and 1320 C, with fractional densities between 58.4% and 97% have been used. For ZA ceramic the zirconia powder was partially stabilized and the ratio between alumina and zirconia was varied. For these two examples of ceramics, Young’s modulus and thermal conductivity were calculated and compared to experimental data of samples of the respective microstructure. Comparing the experimental and simulated values of Young’s modulus for Al2O3 ceramic a good agreement was obtained. For the thermal conductivity the consideration of thermal boundary resistance (TBR) was necessary. It was shown that for different values of TBR the experimental data lie within the simulated thermal conductivities. In the case of ZA ceramic also a good agreement between simulated and experimental values was observed. For smaller ZrO2 fractions, a larger Young’s modulus and thermal conductivity was observed in the experimental samples. The discrepancies have been discussed by taking into account the effect of pressure. Considering the dependence of the thermoelastic properties on the pressure, it has been shown that the thermal stresses resulting from the cooling process were insufficient to explain the discrepancies between experimental and simulated thermoelastic properties. / In der vorliegenden Arbeit wurden im Rahmen einer Multiskalen-Modellierung quantenmechanische und Finite-Elemente-Simulationen verwendet, um thermoelastische Eigenschaften keramischer Materialien zu untersuchen. Auf atomarer Skala wurden die elastischen Konstanten von zehn unterschiedlichen Keramiken berechnet: Al2O3, alpha- und beta-SiC, TiO2-Rutil und Anatas, AlN, BN, CaF2, TiB2, ZrO2, wobei die Dichtefunktionaltheorie mit der verallgemeinerten Gradientennäherung verwendet wurde. Die simulierten elastischen Konstanten wurden mit gemessenen Werten verglichen. Diese Ergebnisse haben gezeigt, dass die quantenmechanischen Berechnungen unabhängig vom Experiment verwendet werden können, um elastisches Verhalten vorauszusagen. Außerdem stehen sie als Grundlage für das Modellieren der strukturellen und elastischen Eigenschaften der komplexeren keramischen Kompositen zur Verfügung. Um makroskopische Eigenschaften keramischer Komposite aus den Eigenschaften der beteiligten Phasen zu simulieren, wurden 3D Finite Elemente Modelle benutzt. Der Einfluss von Mikrostrukturmerkmalen, wie Poren und Korngrenzen, auf die thermoelastischen Eigenschaften wurde in verschiedenen Geometrien wie z.B. abgeschnittene Kugeln in kubischer und zufälliger Anordnung oder Voronoi-Polyeder studiert. 3D-Modelle wurden auch für das Modellieren der Mikrostruktur experimenteller Proben benutzt. Parameter, wie der Volumenanteil der beteiligten Phasen, die Korngrößenverhältnisse und die Korngrenzflächenanteile wurden für jede Struktur gemessen. Das theoretische Strukturmodell wurde dann variiert, um es an die geometrischen Daten der experimentellen Proben anzupassen. Das Modell wurde an zwei Materialtypen, einer porösen Keramik, Aluminiumoxid (Al2O3) und einer dichten Keramik, einem Komposit aus Aluminiumoxid und Zirkonoxid (ZA) angewendet. Für die vorliegende Arbeit wurden die Al2O3 Proben teilgesintert, bei Temperaturen zwischen 800 und 1320 C, mit Dichten zwischen 58.4% und 97%. Für die ZA Keramik wurde das ZrO2 Pulver partiell stabilisiert und das Verhältnis zwischen Al2O3 und ZrO2 verändert. Für diese zwei Keramiken wurden der Young Modul und die Wärmeleitfähigkeit errechnet und mit den experimentellen Daten verglichen. Der Young Modul der Al2O3 Keramik zeigte eine gute Übereinstimmung zwischen experimentellen und simulierten Werten. Für die Wärmeleitfähigkeit wurde die Berücksichtigung des Wärmewiderstands an Korngrenzen notwendig. Es zeigte sich, dass die experimentellen Daten für den Wärmewiderstand mit dem simulierten Wert kompatibel sind. Im Fall der ZA-Keramik wurde bei höheren ZrO2 - Volumenanteilen ebenfalls eine gute Übereinstimmung zwischen simulierten und experimentellen Werten des Young-Moduls und der Wärmeleitfähigkeit beobachtet. Bei kleineren ZrO2 -Volumenanteilen wurden jedoch ein größerer Young-Modul und eine größere Wärmeleitfähigkeit in den experimentellen Proben beobachtet. Um diese Unterschiede zu erklären, wurde der Einfluss des Drucks auf die thermoelastischen Eigenschaften berechnet. Es wurde gezeigt, dass die thermischen Spannungen, die aus dem Abkühlungsprozess resultieren, nicht ausreichen, um die Unterschiede zwischen experimentellen und simulierten Eigenschaften zu erklären.

Trotz intensiver Forschung und des Global-Eradication-of-Malaria-Programms der WHO in den 1950er Jahren zählt Malaria neben AIDS und Tuberkulose auch heute immer noch zu den bedeutendsten Infektionskrankheiten weltweit. Aufgrund rasch zunehmender Resistenzentwicklung der Erreger gegen gängige Prophylaxe- sowie Therapiepräparate und dem Fehlen eines Impfstoffs sterben jährlich bis zu 3 Mio. Menschen an Malaria. Seit vor etwa 2 Jahrzehnten das wissenschaftliche Interesse an transmissionsblockierenden Vakzinen gegen den Malariaerreger erwachte, rückten sexualstadienspezifische Oberflächenproteine in den Fokus der Impfstoffforschung. Im Zuge der vollständigen Sequenzierung des P.-falciparum-Genoms wurde bei dem Screenen nach Genen, die multiple tier- oder bakterienähnliche, adhäsive, extrazelluläre Domänen kodieren, die PfCCp-Familie identifiziert. Ihre 6 Mitglieder besitzen eine bemerkenswerte Vielfalt an hoch konservierten, adhäsiven Modulen, die eine Beteiligung an Protein-Protein-, -Polysaccharid- oder -Lipid-Interaktionen vermuten lassen. Die Multiadhäsionsdomänenproteine wurden aufgrund des gemeinsamen LCCL-Moduls PfCCp1 bis PfCCp5 benannt. Dem sechsten Mitglied, PfFNPA, fehlt zwar die namensgebende Domäne, doch die ausgeprägte Ähnlichkeit zu PfCCp5 führte zur Integration des Proteins in die PfCCp-Familie. Die Charakterisierung der ersten 3 Mitglieder zeigte, dass PfCCp1, PfCCp2 und PfCCp3 sexualstadienspezifisch exprimiert werden und in der parasitophoren Vakuole reifer Gametozyten lokalisiert sind. Immunfluoreszenzstudien ließen außerdem erkennen, dass die Proteine während der Gametenbildung partiell freigesetzt werden und in einer matrix-ähnlichen Struktur Exflagellationszentren umgeben. In KO-Studien erwiesen sich PfCCp2 und PfCCp3 zusätzlich als essentielle Faktoren für die Migration reifer Sporozoiten aus den Mitteldarmoozysten in die Speicheldrüsen der Mücken. Damit erfüllen sie die 2 grundlegenden Kriterien für Komponenten transmissionsblockierender Vakzine: eine sexual-stadienspezifische Expression und essentielle Funktion während der Parasitenentwicklung in der Mücke. Aufgrund dieser viel versprechenden Daten wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit die Analyse der PfCCp-Familie durch funktionale Charakterisierung von PfCCp4 sowie Interaktionsstudien an den PfCCp-Proteinen fortgesetzt. Die Expressionsanalysen mittels RT-PCR, Western Blot und Immunfluoreszenzstudien ergaben für PfCCp4 ebenfalls eine sexualstadienspezifische, Plasmamembran-assoziierte Expression innerhalb der parasitophoren Vakuole reifer Gametozyten. Die Expression beginnt bereits in Gametozyten des Stadium I und erfolgt hauptsächlich in Makrogametozyten. Im Gegensatz zu PfCCp1, PfCCp2 und PfCCp3 wird PfCCp4 jedoch homogen verteilt exprimiert. Während der Gametogenese wird PfCCp4 nicht freigesetzt, sondern verbleibt an der Oberfläche von Makrogameten. Es ist zudem das einzige Mitglied der PfCCp-Familie, dessen Expression im Zuge der Ookinetenreifung wieder aufgenommen wird. KO-Studien durch Membranfütterungen von Anopheles-Mücken lassen allerdings darauf schließen, dass PfCCp4 keine essentielle Funktion bei der Parasitenentwicklung ausübt. Der Verlust von PfCCp4 beeinträchtigte weder die Fertilisation noch die Bildung, Reifung oder Migration von Ookineten, Oozysten oder Sporozoiten. PfCCp4 kann somit nicht als Kandidat transmissionsblockierender Vakzine betrachtet werden, obwohl es mit den viel versprechenden Kandidaten Pfs230 und Pfs48/45 interagiert, wie funktionelle Analysen nativer PfCCp-Proteine mittels Ko-Immunpräzipitation ergaben. Weitere Ko-Immunpräzipitationsstudien identifizierten Interaktionen innerhalb der PfCCp-Familie, wie bereits die Ko-Lokalisation und ko-abhängige Expression von PfCCp1, PfCCp2 und PfCCp3, ihre Freisetzung bei der Gametogenese und die matrixähnliche Verteilung um Exflagellationszentren vermuten ließen. In Affinitätschromatographiestudien unter Verwendung rekombinanter PfCCp-Proteine konnte gezeigt werden, dass es sich dabei um direkte Interaktionen handelt, an denen besonders die LCCL- und die SR-Domäne beteiligt zu sein scheinen. In Zelladhäsionsstudien konnte außerdem eine Bindungsaffinität ausgewählter rekombinanter PfCCp-Proteine an Makrogameten beobachtet werden. Insgesamt bestätigen diese Daten unsere Hypothese, dass PfCCp-Proteine unter Beteiligung weiterer sexualstadienspezifischer Proteine während der Gametozytenreifung und Gametogenese Proteinkomplexe ausbilden. In zukünftigen Studien gilt es einerseits, ausgewählte PfCCp-Proteine durch transmissionsblockierende Experimente in ihrem Potential als Impfstoffkomponenten zu evaluieren. Andererseits nimmt die funktionale Charakterisierung der Proteinkomplexe während der Gamogonie eine zentrale Rolle ein, um ihre Funktion in der Sexualphase von P. falciparum zu klären und die Beteiligung der PfCCp-Proteine an der Regulation dieses komplexen Lebenszyklus zu verstehen. / Despite intense research and the global eradication of malaria program of the WHO in the 1950’s, malaria is among AIDS and tuberculosis still one of the major infectious diseases worldwide. Rapidly increasing resistance of the pathogen against common treatment, and the persistent lack of a vaccine against malaria lead to a death toll of up to three million people annually. Since the scientific interest in transmission blocking strategies against P. falciparum awoke two decades ago, sexual stage-specific surface proteins became an important focus of antimalarial vaccine research. Especially, proteins containing multiple adhesion domains are regarded as promising candidates for subunits of transmission blocking vaccines due to their possible involvement in parasite-parasite or parasite-host interactions. Following the completion of the P. falciparum genome sequence and its screening for multiple animal- or bacterial-like, extracellular adhesion domains, the PfCCp protein family had been identified. It consists of six members with a striking variety of highly conserved adhesive modules, which were predicted to be involved in protein-protein, protein-polysaccharide or protein-lipid binding. These multidomain adhesion proteins were named PfCCp1 through PfCCp5 due to their common LCCL-domain. Though PfFNPA, the sixth member, lacks this domain, its strong similarity to the PfCCp5 architecture warranted its integration into the PfCCp family. The characterization of the first three family members showed, that PfCCp1, PfCCp2 and PfCCp3 are specifically expressed within the parasitophorous vacuole of mature gameto-cytes. Studies via immunofluorescence assays revealed, that they are partly released during emergence and surround exflagellation centers extracellularly in a matrix-like pattern. Moreover, PfCCp2 and PfCCp3 were shown in knockout experiments to be essential for the transition of sporozoites from the midgut oocysts to the salivary glands of the mosquito. Thus, they fulfil two basic criteria for prospective components of transmission blocking vaccines: sexual stage-specific expression and an essential role for the parasite development within the mosquito. Based upon this promising data the present thesis dealt with further analyses of the PfCCp family via functional characterization of PfCCp4 and interaction studies of the PfCCp proteins. The expression analysis of PfCCp4 using RT-PCR, Western Blot and immunofluorescence assays showed that it is also expressed in association with the plasma membrane within the parasitophorous vacuole of mature gametocytes. Expression starts as early as stage I of gametocytogenesis and is mainly restricted to macrogametocytes. In contrast to PfCCp1, PfCCp2 and PfCCp3, PfCCp4 is not expressed in a punctuated pattern but is distributed homogenously, and instead of being released during emergence it remains on the surface of macrogametes. In addition, PfCCp4 is the only PfCCp member that resumes expression during ookinete maturation. Knockout experiments revealed in membrane feedings of Anopheles mosquitoes that PfCCp4 plays no essential role in the parasite development. The lack of PfCCp4 neither affected fertilization nor formation, maturation or migration of ookinetes, oocysts or sporozoites. Thus, PfCCp4 does not display any potential as a candidate for transmission blocking vaccines, though it interacts with the promising candidates Pfs230 and Pfs48/45, as functional characterizations of native PfCCp proteins showed via co-immunoprecipitation assays. Further co-immunoprecipitation experiments revealed protein-protein interactions within the PfCCp family, as the co-localization data had suggested, supported by the co-dependent expression of PfCCp1, PfCCp2 and PfCCp3, their release during emergence and their matrix-like surrounding of exflagellation centers. Affinitychromatography studies on recombi-nant PfCCp proteins demonstrated, that these interactions are direct interactions, which appear to be mediated predominantly by the LCCL- and SR-domains. Cell adhesion assays revealed in addition a prominent binding affinity of select recombinant PfCCp proteins to macrogametes. Taken together, this data support our hypothesis of protein complex formation mediated by the members of the PfCCp family and other sexual stage-specific proteins during the sexual development of P. falciparum. Future studies aim on one hand at the evaluation of the potential of select PfCCp proteins as vaccine subunits by transmission blocking assays. On the other hand, another focus will be the characterization of the proposed protein complexes to gain deeper insight into their function during sexual development, and to understand the role of the PfCCp proteins in the regulation of the intricate life cycle of the human malaria pathogen P. falciparum.

Marine Schwämme (Phylum Porifera) sind sessile Invertebraten, deren Biomasse bis zu 60% aus Mikroorganismen bestehen kann. Während die mikrobielle Diversität in Schwämmen in den letzten Jahren recht gut beschrieben wurde, weiß man noch sehr wenig über mögliche Funktionen und Interaktionen zwischen Schwamm-assoziierten Mikroorganismen mit ihren Wirten. Das Ziel dieser Promotionsarbeit war es, den Prozess der mikrobiellen Nitrifikation im bakterienhaltigen Mittelmeerschwamm Aplysina aerophoba nachzuweisen und im Kontext der Symbiose näher zu untersuchen. Die Nitrifikation beschreibt die zweistufige Oxidation von Ammoniak zu Nitrit und weiter zu Nitrat und wird von bestimmten Mikroorganismen zur Energiegewinnung durchgeführt. Um dieser Fragestellung nachzugehen, wurden physiologische Untersuchungen an lebenden Schwämmen während Freilandexkursionen nach Rovinj (Kroatien) durchgeführt. Frisch gesammelte Schwämme wurden zu unterschiedlichen Jahreszeiten in experimentellen Aquarien jeweils über einen Zeitraum von über 24 Stunden gehältert. Die Konzentrationen von Ammonium, Nitrit und Nitrat wurden in Zeitintervallen mittels photometrischer Nachweise gemessen und die Aufnahme- und Exkretionsraten berechnet. Nitrit wurde in keinem der Experimente messbar ausgeschieden. Ammonium, als natürliches Stoffwechselendprodukt mariner Schwämme, wurde von A. aerophoba in Raten ausgeschieden, die saisonal variabel waren. Im Frühjahr wurde keine Ammonium-ausscheidung beobachtet während die Exkretionsrate zum Sommer hin stetig anstieg. Nitrat, welches natürlicherweise nur durch mikrobielle Nitrifikation entstehen kann, wurde saisonunabhängig konstant ausgeschieden. Ammoniumaufnahme-Experimente zeigten auf, dass Ammonium im Frühjahr rasch aufgenommen wurde und dass Ammonium die Nitratexkretionsrate bis zu vierfach stimulierte, wohingegen im Sommer keine Ammoniumaufnahme und keine Stimulation der Nitratexkretion stattfanden. Durch Zugabe des spezifischen Inhibitors der Nitrifikation, Nitrapyrin, konnte die Nitratexkretion in A. aerophoba vollständig gehemmt werden. Im Gegensatz zu bakterienhaltigen Schwämmen zeigten sogenannte bakterienfreie Schwämme erwartungsgemäß keine Nitratausscheidung. Das 16S rRNA- und das amoA-Gen wurden als molekulare Marker verwendet, um nitrifizierende Mikroorganismen in Schwämmen phylogenetisch zu identifizieren. Es konnten zahlreiche 16S rRNA-Gene aus insgesamt sechs Schwammarten inklusive Aplysina aerophoba amplifiziert und dem marinen Nitrosospira Cluster 1 zugeordnet werden. Aus A. aerophoba konnten auch Nitrosospira amoA-Gensequenzen gewonnen werden. Archaeale 16S rRNA- und amoA-Gensequenzen wurden ebenfalls aus A. aerophoba gewonnen, wobei die 16S rRNA-Gene mit anderen aus Schwämmen stammenden Sequenzen ein Schwamm-spezifisches Cluster innerhalb der Crenarchaea Gruppe I.1A bildeten. Unter Verwendung spezifischer Fluoreszenz-markierter 16S rRNA Sonden konnten den Nitrosospira Cluster 1 und Crenarchaea Gruppe 1 zugehörige Zellen innerhalb des mikrobiellen Konsortiums aus A. aerophoba nachgewiesen werden. Basierend auf der geschätzten Menge nitrifizierender Mikroben in der Schwammmesohylmatrix und den Nitratexkretionsraten wurde eine zellspezifische Ammoniakoxidationsrate von 1,6 fmol Zelle-1 h-1 errechnet. Der Nachweis von 16S rRNA- oder funktionellen Genen des anaeroben mikrobiellen N-Kreislaufs in A. aerophoba verlief negativ. Darüber hinaus wurde eine in vorherigen Arbeiten aus dem mit A. aerophoba assoziierten mikrobiellen Konsortium erstellte Metagenombank auf das Vorhandensein von funktionellen (amoA) Nitrosospira- und Crenarchaea-Genen untersucht. Aus der Sequenzierung des archaealen Metagenomklons 58F6 resultierte die Sequenz des kompletten AMO-Operons eines möglicherweise Schwamm-spezifischen Crenarchaeoten. Diese Ergebnisse liefern erste funktionelle Einblicke in die komplexen Stoffflüsse und Wechselwirkungen zwischen Schwämmen und den mit ihnen assoziierten mikrobiellen Konsortien. Aufgrund dieser Arbeit wurde ein Modell des Stickstoffkreislaufs in A. aerophoba erstellt, welches die Mikroorganismen mit möglichen Stoffwechselfunktionen in dem Wirtsschwamm verknüpft. Diese Arbeit trägt zu dem Informationsstand über die Interaktionen zwischen Schwämmen und Mikroorganismen bei und leistet einen Beitrag zur Aufklärung des Stickstoffkreislaufs in A. aerophoba. / Marine sponges (phylum Porifera) can harbor large amounts of microorganisms which can contribute up to 60% of the sponge biomass. While the microbial diversity has been well described in the last decade, there is only little known about possible functions and metabolic interactions of these microbes with their hosts. The aim of this Ph.D. thesis was to assess and investigate the potential for microbial nitrification in the Mediterranean high microbial abundance sponge (HMA) Aplysina aerophoba. Nitrification consists of the two-step oxidation of ammonia to nitrite and subsequently to nitrate and is carried out by certain microbes for energy purposes. Physiological experiments with living sponges were performed during several expeditions to Rovinj (Croatia). Freshly sampled sponges were incubated in experimental aquaria for more than 24 hours during different seasons. Concentrations of ammonium, nitrite and nitrate were determined in time intervals using colorimetric assays and the excretion- and uptake rates were determined. Nitrite was not excreted in any of the incubation experiments. Ammonium as the natural metabolic waste product of marine sponges was excreted by A. aerophoba and the excretion was seasonally variable. During spring ammonium excretion was not observed, but the excretion rates increased towards the summer. Nitrate which is solely produced by microbial nitrification was excreted constantly and independent of the season. Ammonium uptake experiments proved that ammonium was taken up rapidly in spring and nitrate excretion was stimulated up to 4-fold. During summer no ammonium uptake by A. aerophoba was observed and nitrate excretion was not stimulated. Addition of the specific inhibitor of nitrification, nitrapyrin, resulted in the complete inhibition of nitrate excretion. In contrast to high microbial abundance sponges, nitrate was not excreted by low microbial abundance sponges as expected. The 16S rRNA gene as well as the amoA gene was used as molecular markers to phylogenetically identify microbial nitrifiers in sponges. Numerous 16S rRNA gene sequences representing the marine Nitrosospira cluster 1 were obtained from six sponge species including Aplysina aerophoba. Nitrosospira amoA genes and archaeal 16S rRNA and amoA gene sequences were also amplified from Aplysina aerophoba. The archaeal 16S rRNA gene sequences formed a sponge-specific sub-cluster within the Crenarchaea group I.1A together with other, exclusively sponge-derived sequences. Using fluorescently-labeled 16S rRNA probes targeting the Nitrosospira cluster 1 and the Crenarchaea group 1, their presence was confirmed in A. aerophoba mesohyl. Based on nitrifier abundance in sponge tissues as estimated by FISH and nitrate excretion rates, a cell specific ammonia oxidation rate of 1.6 fmol cell-1 h-1 was calculated. No 16S rRNA or functional genes representing microbes of the anaerobic part of the N-cycle were obtained from A. aerophoba. Furthermore, a previously constructed metagenomic library containing DNA from A. aerophoba associated microbial consortia was screened for clones harboring functional (amoA) genes from Nitrosospira and Crenarchaea. Sequencing of the archaeal clone 58F6 resulted to a complete AMO operon of a possible sponge specific crenarchaeote. The results of this dissertation thesis provide first insights into the complex nitrogen fluxes and interactions between sponges and their associated microbial consortia. Based on this study, a model of N-cycle was postulated for A. aerophoba which links microbial diversity with possible metabolic functions. This study contributes significantly to sponge-microbial interactions and adds new information about the nitrogen cycle in A. aerophoba and its associated microorganisms.

Die Lamina ist ein Netzwerk aus Lamin-Proteinen und befindet sich unterhalb der inneren Kernmembran. Die Lamine A/C, die zu den Typ V Intermediärfilamenten gehören, spielen eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der strukturellen Integrität des Zellkernes sowie der Chromatinorganisation, der Transkription, der DNA-Replikation, der Differenzierung und der Genomstabilität. In den letzten Jahren wurden über 200 verschiedene Mutationen im Lamin A/C kodierenden LMNA Gen gefunden, die mehr als 10 unterschiedliche Krankheiten, die so genannten Laminopathien, auslösen können. Zu diesen Laminopathien zählen unter anderem die Emery-Dreifuss-Muskeldystrophie (EDMD) und das Progerie-Syndrom. Die Mutation LMNA S143F In dieser Arbeit wurde zunächst die Punktmutation LMNA S143F, die in der N-terminalen Domäne des Lamin A/C lokalisiert ist, näher untersucht. Diese Mutation ist der Auslöser von einzigartigen phänotypischen Merkmalen einer frühen Myopathie sowie einer Progerie. Strukturelle Analysen mit dem Elektronenmikroskop ergaben, dass die primären dermalen Fibroblasten der Laminopathie-Patientin morphologisch veränderte Zellkerne hatten. In Abhängigkeit von S143F Lamin A/C konnte in den Patientenfibroblasten eine abnormale Lokalisation der Kernproteine Nesprin2 Giant und den kürzeren Nesprin2-Isoformen nachgewiesen werden. Darüber hinaus konnten wir beobachten, dass eine reduzierte Expression von Nesprin2 Giant eine Rolle bei der Ausprägung der morphologischen Kerndeformationen spielte. Patientenzellen, die Nesprin2 Giant in hohem Maße exprimierten, zeigten keine Deformationen des Zellkerns und eine normale Verteilung verschiedener Kernproteine. FRAP-Analysen in vivo und biochemische Proteinextraktionsstudien des S143F-Lamin A/Cs in vitro zeigten eine verringerte Mobilität und Dynamik, sowie eine reduzierte Löslichkeit von S143F Lamin A/C gegenüber wildtypischem Lamin A/C. Die Mutation LMNA S143F liegt im Außenbereich der coiled-coil-Struktur des Lamins. Dadurch führt der Austausch der neutralen AS Serin durch die große hydrophobe AS Phenylalanin nicht zu einer Störung in der Dimer-bildung, sondern zu einer Beeinflussung der Formierung zu Protofilamenten bzw. höheren Strukturen. Dies konnte durch in vitro Untersuchungen von rekonstituierten Parakristallen aus S143F Lamin A/C dargestellt werden, die eine Veränderung des transversalen Bänderungs-musters aufwiesen. Zusammengenommen zeigen die Resultate, dass die Mutation LMNA S143F die Lamin-A-Polymerisation beeinflusst und dadurch die Dynamik und Mobilität der Typ A-Lamine beeinträchtigt. Außerdem konnte erstmals nachgewiesen werden, dass das Nesprin2 Giant Protein eine essentielle Rolle in der Pathogenese von Laminopathien einnimmt, indem es die Struktur des Zellkerns verstärkt und als struktureller „Gegenspieler“ zu Lamin A/C fungiert. Die Mutation LMNA R545C Die Punktmutation LMNA R545C, die in der C-terminalen Domäne des Lamin A/C lokalisiert, ist Auslöser eines sehr gravierenden Phänotyps der autosomal dominanten Form der Emery- Dreifuss-Muskeldystrophie (AD-EDMD). Strukturelle Analysen ergaben, dass die primären Myoblasten des EDMD-Patienten morphologisch veränderte Zellkerne haben. Ein Vergleich von deformierten Kernen aus Zellen mit verschiedenen Laminopathie-auslösenden Mutationen wie LMNA R545C, LMNA S143F und LMNA R377H zeigten allerdings, dass die untersuchten Mutationen nicht immer zu gleichen abnormalen Phänotypen der Kernmorphologie, sondern zu divergenten Ausprägungen der morphologischen Kernveränderungen in Patientenzellen führten. Immunfluoreszenzanalysen ergaben, dass auch die Proteine Lamin A/C und Emerin in den Patientenzellen eine fehlerhafte Verteilung aufwiesen und „Honigwabenmuster“ ausbildeten. Interessanterweise konnte auch eine vom Alter der Zellen abhängige Akkumulation der 20S-Untereinheit des Proteasoms in kleine nukleäre Foci beobachtet werden. Diese Foci kolokalisierten weitgehend mit den promyelotischen Leukämie-Körperchen (PML). In den Patientenmyoblasten war der CDK-Inhibitor p21 stark angereichert, was ein Hinweis auf eine Beeinträchtigung der proteasomalen Funktion ist. Nach Kultivierung der Patientenmyoblasten in Minimalmedium zeigten diese eine eingeschränkte Fähigkeit zur ex-vivo Differenzierung zu Myotuben. Dementsprechend war die Expression des Myogenese-spezifischen Transkriptionsfaktors Myogenin, sowie des Proliferationmarkers hypophosphoryliertes Retinoblastoma-Protein in Patientenmyoblasten nicht korrekt induziert. Zusammengenommen weisen diese Daten darauf hin, dass auch die Mutation LMNA R545C Einfluss auf die Kernarchitektur und -Proteinverteilung, die Chromatinorganisation, Gen-expression und Funktion des Proteasoms einnimmt. Darüber hinaus beeinträchtigte die Mutation LMNA R545C die Fähigkeit zur korrekten Proliferation und Differenzierung der Myoblasten, welches eine potentielle Rolle in der Pathogenese von Laminopathien einnimmt. / The nuclear lamina is a network of lamin polymers underlying the inner nuclear membrane. The lamins A/C, which are type V intermediatefilaments, are involved in the organisation of chromatin, gene regulation, DNA-replication, differentiation and the integrity of the genome. In recent years more than 200 mutations in the lamin A/C coding LMNA gene were discovered, which cause more than 10 genetic diseases, collectively termed as laminopathies. These laminopathies include the Emery-Dreifuss-muscular dystrophy (EDMD) and the progeria syndrome. The mutation LMNA S143F First we observed the S143F lamin A/C point mutation, located in the N-terminal domain of the lamin A/C. This mutation causes a phenotype combining features of myopathy and progeria. Structural analyses revealed that patient dermal fibroblast cells had dysmorphic nuclei containing numerous blebs and lobulations. The lamin S143F organization was altered, showing intranuclear and nuclear envelope aggregates and often presenting a honeycomb appearance. Subject to the S143F lamin A/C, there is a reduced expression and an altered distribution of nesprin2 giant and the shorter nesprin2 isoforms in patient fibroblasts. A subpopulation of mutant cells, however, expressing the nesprin2 giant isoform, did not show an overt nuclear phenotype. By contrast, nesprin2 giant deficient cells reveal an aberrant nuclear phenotype and a mislocalization of LAP2α and the transcriptional active form of the RNA-Polymerase II. More detailed analyses of the S143F lamin A/C structure by FRAP-analysis in vivo and biochemical extraction studies in vitro revealed that S143F lamin is less dynamic and dissoluble compared to wildtype lamin A/C. The LMNA S143F mutation occupies the surface of the coiled-coil-structure of the lamin A/C. Thus, the structural topology and particularly the substitution by a bulky, hydrophobic amino acid do not affect the lamin A/C dimer structure but rather perturb intermolecular interactions. This was confirmed by in vitro analysis of reconstituted paracrystals of lamin A/C, which exhibited an altered transversal stratification-pattern. Beyond that, another question was, whether there is a formation of heteropolymers of wildtype and S143F lamin A/C and a formation of homopolymers in vivo. BIFC-analysis confirmed that wildtype and mutated lamins had the capacity to form heteropolymers and homopolymers in vivo. Moreover, the wildtype homopolymers and the lamin A/C-heteropolymers localized correctly in the nuclear envelope. In contrast, the formation of the S143F lamin A/C homopolymers influenced their correct localization in the nuclear envelope and lead to an aberrant nuclear morphology. The mutation LMNA R545C Myoblasts of patients developing a serious form of the autosomal dominant Emery-Dreifuss muscular dystrophy (AD-EDMD) in response to the R545C lamin A/C point mutation, located in the C-terminal domain, have been analyzed. Structural analyses revealed that subpopulations of these patient myoblast precursor cells had nuclear structural defects as lobulations, whose frequency increased with cell passages in culture. This overt phenotype was compared to other dysmorphic nuclei from laminopathy-causing mutations like LMNA S143F or LMNA R377H. These analyses pointed out, that each mutation leads to a specific nuclear phenotype. Immunofluorescence microscopy showed that the organisation of both lamin A/C and its inner nuclear membrane partner emerin were altered, showing a honeycomb appearance too. Furthermore, our data showed for the first time that in an EDMD context, a progressive accumulation of the 20S proteasomal core subunits into foci that largely colocalized with promyeolocytic leukemia bodies (PML) was obvious, as cells age in culture. Moreover, the impairment of proteasome function, as pointed out by p21 nuclear accumulation, may contribute to the high index of premature cellular senescence we observed in patient cells. Another signal concerning the premature senescence was the accumulation of heterochromatin in late passages and the one- to twofold increase of the nuclear volume of the patient myoblasts. When transferred into low serum medium, patient myoblasts expressing R545C mutated lamin A/C were deficient for ex-vivo differentiation into myotubes. Accordingly, the myogenesis transcription factor myogenin and the hypophosphorylated retinoblastoma-protein were not induced properly in patient myoblasts. These data suggest that the LMNA R545C mutation also affected the nuclear envelope architecture and the distribution of nuclear proteins, chromatin organization, gene expression and the proper function of the proteasome. Furthermore, the LMNA R545C mutation impaired both proliferation and differentiation capacities of myoblasts precursors as part of the pathogenesis of the AD-EDMD.

CD9 und andere Mitglieder der Tetraspaninfamilie sind an der strukturellen Organisation und der Plastizität der Plasmamembran beteiligt. Dabei inhibiert mAK K41, ein spezifischer CD9-Antikörper, die Hundestaupe-induzierte Zell-Zellfusion und die Virusfreisetzung, während die MV-induzierte Zell-Zellfusion nicht beeinflusst wird. So ist die extrazelluläre Domäne des Hämagglutinin-Proteins von CDV diejenige, die die Empfindlichkeit der Zell-Zellfusion gegenüber dem CD9-Antikörper verursacht, die aber selbst nicht an das CD9-Molekül bindet. Diese Erkenntnisse ließen vermuten, dass strukturelle Veränderungen an der Plasmamembran der Grund für die Hemmung sind bzw. räumliche Expressionsmuster des Rezeptors involviert sein könnten. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass mAK K41 das Konformationsepitop der großen extrazellulären Domäne (LEL) von CD9 erkennt, die nachweislich über ß1-Integrin mit verschiedenen Signalwegen im Innern in Kontakt steht. Die Bindung dieser Domäne induziert folglich eine schnelle Umlagerung und ein Clustern der CD9-Moleküle bis zur Bildung von netzähnlichen Strukturen an den Kontaktstellen zweier Zellen. Durch konfokale und rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen konnten mikrovilli-ähnliche Ausstülpungen aufgedeckt werden, die von beiden Seiten aneinander liegender Zellen gebildet werden. Nach einer Zeitspanne von 2 h bis 20 h bildeten diese CD9-haltigen Ausstülpungen feine, mehrere µm lange Mikrovilli aus, die sich in einer Art Geflecht miteinander vernetzten und mikrovilli-artige Reißverschlussstrukturen bildeten. Weiterhin konnte eine starke Kolokalisierung des Ewi-F-Proteins vor und nach der Antikörperinkubation gezeigt werden, sowie eine partielle Kolokalisierung mit ß1-Integrin. Im Vergleich konnten MV-Proteine innerhalb der CD9-haltigen Netzstrukturen beobachtet werden, während CDV-Proteine komplett aus diesen ausgeschlossen wurden. Somit ist die Ausgrenzung der viralen Fusionsmaschinerie von CDV von den CD9-Clustern sowie die physikalische Trennung von den Zellkontakten wohl die Erklärung für die Inhibition der Virus-induzierten Zell-Zellfusion durch mAK K41. Da experimentell keine kausale Verbindung zwischen der Induktion der CD9-haltigen Cluster und bestimmten Signalwegen gezeigt werden und auch kein Beweis hervorgebracht werden konnte, dass die Grundlage der Netzstrukturen durch die Umlagerung des Zytoskeletts entsteht, scheint die Interaktion des Antikörper selbst die treibende Kraft für die Strukturbildung zu sein (Singethan et al., 2008). Zusammenfassend ist zu sagen, dass die Ergebnisse die Relevanz des CD9-Moleküls in gesunden und pathogenen Zell-Zellfusionsprozessen unterstreichen und eindeutig zeigen, dass CD9 die Zellfusion von CDV steuern kann, indem es den Zugang der Fusionsmaschinerie zu den Zellgrenzen reguliert. Das Nipah-Virus (NiV) ist ein hochpathogenes Paramyxovirus, das in Schweinen eine Erkrankung des Respirationstrakts und in Menschen eine schwere fiebrige Enzephalitis mit hohen Mortalitätsraten verursacht. Da es noch keine Vakzine bzw. antivirale Medikamente gegen dies Erkrankung gibt, war die Entwicklung kleiner inhibitorischer Moleküle notwendig. Für das Masern-Virus (MV) wurden bereits kleine Inhibitoren, wie Ox-1, AM-2 und AS-48 entwickelt, die in die Bindungstasche des MV F-Proteins passen und so die Membranfusion verhindern. Basierend auf struktureller Ähnlichkeiten der Paramyxovirus F-Proteine konnte ein Testsystem mit F- und H- oder G-exprimierenden Vektoren entwickelt werden, indem eine Gruppe von Chinolon-Derivaten sowie mehrere andere Substanzen auf ihre Fähigkeit untersucht wurden, die eine MV-, CDV- oder NiV-spezifische Fusion zu hemmen. Dazu wurde zuerst die Zytotoxizität aller Substanzen bewertet, um anschließend ihre Hemmungsaktivität in Zell-Zellfusion-Assays zu untersuchen. So inhibierten zwei Substanzen, QED15B - 12 und QED15A - 12, aus der Gruppe der Chinolon-Derivate die NiV-induzierte Synzytienbildung in Hüllprotein-Transfektions- und Infektions-Assays. Bei molekularen Untersuchungen der Bindungstasche des NiV F-Proteins wurde die hemmende Aktivität beider Chinolon-Derivate bestätigt. So konnte eine hervorragende Wechselwirkung und strukturelle Paßform für die Protein-Bindetasche identifiziert werden und deren Interaktion bewiesen werden. Somit konnte die Substanzklasse der Chinolone als Inhibitoren gegen die NiV-Fusion identifiziert und der Mechanismus der Interaktion mit der Bindetasche als Grund für die inhibierende Wirkung aufgeklärt werden (Niedermeier S. und Singethan K. et al., 2008 zur Veröffentlichung eingereicht). Dabei sind diese Chinolon-Derivate mit ihrer Struktur, die völlig verschieden von den meisten aktiven Molekülen gegen die Masern-induzierte Zellfusion sind, eine vielversprechende neue Verbindungsstruktur, auf der weitere Entwicklungen neuer Inhibitoren und antiviraler Agentien aufgebaut werden können. Letztlich sollte ein Testsystem für Untersuchungen der Dengue-Virus… / Members of the tetraspanin family including CD9 contribute to the structural organization and plasticity of the plasma membrane. K41, a CD9-specific mAb, inhibits canine distemper virus (CDV) induced cell-to-cell fusion and virus release, whereas measles virus (MV) induced cell-to-cell fusion is not affected. The extracellular domain of the viral haemagglutinin (H) of CDV determines the susceptibility of cell-cell fusion to certain CD9-antibodies, however does not itself bind to CD9. This suggested that structural alterations of the plasma membrane influencing the activity and/or spatial expression pattern of receptors are involved. In the present thesis we found that K41, which recognizes a conformational epitope on the large extracellular loop (LEL) of CD9, induces rapid relocation and clustering of CD9 in net-like structures especially at contact areas between two cells. The high resolution analyses by confocal and electron microscope revealed that CD9 clustering is accompanied by the formation of microvilli-like protrusions that are formed from both sides of adjacent cell surfaces. After about 2 h to 20 h the protrusions are forming more and more structures like microvilli zippers. While the cellular CD9-associated protein EWI-F is co-clustering with CD9 at cell contact areas after and before mAb K41 treatment, the ß1-integrin can only partially be found within the CD9 structures built at the cell interfaces. In contrast viral proteins in infected cells were differentially affected by the treatment of mAb K41. While MV envelope proteins were detected within the microvilli zippers, the CDV proteins were displaced and excluded from CD9 clusters. The exclusion of the viral fusion machinery and its physical separation from cell contact areas explains the inhibition of virus-induced cell-cell fusion by K41. Since we have no experimental support that signal transduction and remodeling of the cytoskeleton may drive the clustering, it is more likely that the antibody interaction on the cell surface is the driving force (Singethan et al., 2008). Although it is known that LEL is interacting with ß1-Integrin and inducing signaling pathways within the cell, it was not possible to find any evidence for the involvement of any signaling pathway.The findings underscore the relevance of the tetraspanin CD9 for healthy and pathogenic cell-to-cell fusion processes and clearly show that CD9 can regulate cell-cell fusion by controlling the access of the fusion machinery of CDV to cell contact areas. Nipah virus (NiV), a highly pathogenic paramyxovirus, causes a respiratory disease in pigs and severe febrile encephalitis in humans with high mortality rates. There is no vaccine and no antiviral treatment available until now. Small molecule inhibitors, like Ox-1, AM-2 or AS-48, fitting into a pocket of the measles virus (MV) F protein and preventing membrane fusion have been designed earlier. Based on the structural similarity of viral fusion (F) proteins within the family Paramyxoviridae, we tested a library of quinolone derivatives and several other small molecules in a NiV, CDV and MV envelope protein-based fusion assay. The cytotoxicity of all substances was evaluated and they were tested for their ability to inhibit cell-to-cell fusion induced by the three mentioned viruses. The most active molecules, QED15A-12 and QED15B-12, inhibiting the syncytium formation induced by transfection of pCz-CFG5-NiV-F and -G and infection with NiV, revealed aan active quinolone-type compound structure, which is different from the most active molecules against MV induced cell fusion. In conclusion, this study revealed a class of promising compounds fitting into a protein cavity of the NiV F protein and inhibiting NiV-induced cell-cell fusion (Niedermeier S. and Singethan K. et al., 2008 submitted for publication). Finally we had the aim to establish a test system for investigations of the Dengue-Virus envelope protein induced virus-cell fusion using DENV-E pseudotyped retroviral particles. This should open an experimental way to develop small inhibitory peptides and molecules against the Dengue E-protein, which mediates the fusion of the viral membrane with the cellular membrane, working under BSL-2 conditions. As there is not sufficient information about intermediate conformational stages of the class II fusion proteins during the fusion process, similarities to the class I proteins should help to develop highly active antiviral peptides inhibiting this process. Although cloning of DENV-3-E-cDNA in the pCG-eGFP vector lead to a high expression of the E-protein, the test system based on pseudotyped retroviral particles could not be established. Even though there were used several different modification strategies like exchanging 3´protein tails in order to get a protein with a tail of the envelope protein of MuLV, which should lead to a better packaging into the pseudotyped particle system based on MuLV…

Die vorliegende Dissertation beschreibt detaillierte biochemische und biophysikalische Untersuchungen von rekombinanten Porinen aus den beiden pathogenen Bakterien Nocardia farcinica und Vibrio cholerae sowie von nativen Porinen aus drei Streptomyces Arten. Für die beiden pathogenen Vertreter sind bereits impermebable Zellwandstrukturen beschrieben worden (Daffe et al., 1993; Rodriguez-Torres et al., 1993). Für Streptomyces Arten ist keine vergeichbare, definierte äußere Zellwandbarriere bekannt. Im Fall von S. griseus konnten dennoch undefinierte, kovalente Lipidverknüpfungen mit der Peptidoglykanschicht nachgewiesen werden (Kim et al., 2001). Daher besteht die Notwendigkeit des Transports von Nährstoffen und anderer Moleküle auch bei Streptomyces Arten durch porenformende Proteine, so genannte Porine. Unter Porinen versteht man wassergefüllte Kanäle, die in zwei Klassen unterteilt werden können: allgemeine Diffusionsporen und substratspezifische Porine. Allgemeine Diffusionsporen filtern entsprechend der molekularen Masse der gelösten Substrate und weisen ein lineares Verhältnis zwischen Translokationsrate und Substratkonzentrationsgradient auf. Dagegen kann der Transport bestimmter Substanzen durch spezifische Porine mit einer Substrat-Bindestelle im Kanal durch die Michaelis-Menten-ähnliche Kinetik beschrieben werden. Diese Kanäle ermöglichen den schnellen Influx bestimmter Klassen von Substraten. / This thesis describes detailed biochemical and biophysical investigations of recombinant porins of both pathogenic bacteria Nocardia farcinica and Vibrio cholerae besides native porins of three Streptomyces strains. For both pathogenic strains used in this work impermeable cell-wall structures have already been described (Daffe et al., 1993; Rodriguez-Torres et al., 1993). However, there is little known about cell-wall composition in Streptomyes strains yet. It was shown that Streptomyces griseus contains lipids that are covalently linked to the peptidoglycan layer (Kim et al., 2001). Therefore it is conceivable that the transport of nutrients and other molecules across the outer membrane of Streptomyces strains is also enabled by pore-forming proteins, so called porins. Porins are water-filled channels which can be subdivided into two different classes, general diffusion pores and substrate-specific porins. General diffusion pores sort mainly according to the molecular mass of the solutes and show a linear relation between translocation rate and solute concentration gradient. Specific porins with a substrate-binding site inside the channel exhibit Michaelis-Menten-like kinetics for the transport of certain solutes and are responsible for the rapid uptake of different classes of solutes.

Der Prozess von der Entdeckung und Entwicklung eines potentiellen Arzneistoffs bis zu dessen Zulassung ist extrem kosten‐ und zeitintensiv und eine Vielzahl dieser Stoffe kann aufgrund toxischer Nebenwirkungen in präklinischen Studien nicht weiterentwickelt werden. Dabei ist die Niere eines der Hauptziele von Xenobiotika‐induzierter Organtoxizität, jedoch ist eine frühe Detektion von Nierenschäden schwierig. Den derzeitig verwendeten klinischen Parameter, wie Blutharnstoff (BUN) und Serumkreatinin fehlt es an Sensitivität und Spezifität, da sie Fremdstoff‐induzierte Toxizität meist erst aufzeigen, wenn schon ein erheblicher Teil der Nierenfunktion beeinträchtigt ist. Daher ist es notwendig, empfindlichere und zuverlässigere Biomarker zu identifizieren und zu validieren, welche kleinste Nierenschädigungen früher als traditionelle Parameter erkennen. In den letzten Jahren wurden in der Literatur aber auch von verschiedenen Projekten eine Reihe neuer gen‐basierender und Urinbiomarker (Kim‐1, Clusterin, Lipocalin‐2, Timp‐1) identifiziert. Ziel dieser Dissertation war es die Aussagekraft dieser Marker im Vergleich zu traditionellen Endpunkten, einschließlich klinische Chemie und Histopathologie an Gewebe‐, Urin‐ und Serumproben von männlichen Ratten, welche mit Modellsubstanzen für Nephrotoxizität (Aristolochiasäure und Gentamicin) oder nephrotoxischen Arzneistoffkandidaten (PredTox Projekt) behandelt wurden, mittels qRT‐PCR, Immunhistochemie und ELISA zu untersuchen. Zusammenfassend kann man sagen, dass die Effekte auf Ebene der Gen‐ und Proteinexpression generell sehr gut mit den histopathologischen Veränderungen korrelieren. Sie konnten meist früher oder in niedrigeren Dosierungen als die traditionellen Nierenmarker BUN und Serumkreatinin detektiert werden. Eine erhöhte Expression und Exkretion von Kim‐1 zeigte sich in allen Studien als eine der frühesten Antworten auf Schädigung der proximalen Tubuli und stellt somit den empfindlichsten Biomarker dar. Die erhöhte Ausscheidung von Clusterin konnte teilweise vor einer veränderten Gen‐ und Proteinexpression im Gewebe detektiert werden und unterstützen die Verwendung von Clusterin als nicht‐invasiven Biomarker. Obwohl eine gesteigerte Exkretion von Lipocalin‐2 sehr früh nach Schädigung des proximalen Tubulus detektiert werden konnte, ist diese nicht spezifisch für einen Nierenschaden. Dennoch könnte die vermehrte Expression/Ausscheidung von Lipocalin‐2 als frühe Antwort auf eine Entzündung oder einen Gewebeschaden eine sinnvolle Ergänzung der routinemäßigen Testung auf Toxizität darstellen. Ebenfalls konnte ein dosis‐ und zeitabhängiger Konzentrationsanstieg von einem Großteil der potentiellen Biomarker des „WideScreen™ Rat Kidney Toxicity Panels 1 and 2“ im Urin beobachtet werden. Da jedoch die potentiellen Biomarker unterschiedliche Empfindlichkeiten besitzen und unter Umständen auch vom Mechanismus der Toxizität von Verbindungen abhängen, erscheint eine Kombination von verschiedenen Biomarkern zur frühzeitigen Erkennung von proximalen Nierenschäden sowie zur Verlaufskontrolle von Nierenerkrankungen sinnvoll. Durch die einfache Probenahme und leichte Bestimmung ist die Messung der neuen potentiellen Nierenbiomarker im Urin neben der Bestimmung der traditionellen Parameter der klinischen Chemie sowie der Histopathologie sinnvoll für die Identifizierung von Nierenschädigungen in präklinischen Studien. / The discovery and development of new drugs is very costly and time‐consuming and the rate of drug failure due to late‐breaking findings in preclinical toxicity studies is high. The kidney is a major target of xenobiotic induced organ toxicity but early detection of renal damage or minor effects on renal function is challenging due to the functional reserve of the kidney. Current clinical pathology parameters of nephrotoxicity such as blood urea nitrogen (BUN) and serum creatinine are relatively insensitive and non specific, revealing kidney damage not until 70‐80 % of the renal epithelial mass has been lost. There is a clear need for the identification and validation of more sensitive and reliable biomarkers, which are indicators of minimal kidney damage rather than impaired kidney function. Recently a range of novel gene‐based and urinary kidney biomarker (Kim‐1, clusterin, lipocalin‐2 and Timp‐1) was identified from literature and various colloraborative projects. The aim of this work was to investigate the performance of these markers compared to traditional endpoints, such as clinical chemistry and histopathology in tissue, urine and serum samples collected from studies, in which male Wistar rats were treated either with model compounds of nephrotoxicity (aristolochic acid and gentamicin) or drug candidates (PredTox) using qRT‐PCR, immunohistochemistry and ELISA. In summary, effects on marker gene and protein expression generally correlated well with the renal histopathology alterations and were frequently detected at earlier time‐points or lower doses than the traditional clinical parameters BUN and serum creatinine. Overexpression and enhanced urinary excretion of Kim‐1 was one of the earliest responses to proximal tubule damage and might be seen as the most sensitive marker of nephrotoxicity. Furthermore, urinary Clusterin was increased before changes in gene and protein expression or even histopathological alterations were evident, confirming urinary clusterin as a sensitive, non‐invasive marker for renal injury. Although changes in urinary lipocalin‐2 occurred very early after proximal tubule damage, lipocalin‐2 may not specific for kidney injury. However, its rapid response to inflammation and tissue damage in general may reinforce its use in routine toxicity testing. A dose‐ and time‐dependent increase in most of the novel urinary biomarkers was evident using the “WideScreen™ Rat Kidney Toxicity Panels 1 and 2”. Due to the the variable sensitivity of a single biomarker, a combination of many different biomarkers to detect kidney injury appears to be useful. Concerning of the easy sampling and measurement, the additional determination of potential urinary biomarkers of nephrotoxcity next to the traditional clinical chemistry parameters and histopathological changes is helpful to identify kidney damage at early time‐points.

Zusammenfassung: Wie früher schon gezeigt, wird der L-Typ Ca2+-Kanal durch eine induzierbare, myokardspezifische Überexpression der neuronalen Stickstoffmonoxidsynthase (nNOS) inhibiert. Gleichzeitig bewirkt diese Überexpression eine verminderte kardiale Kontraktilität1 (Burkard N. et al. (2007). Circ Res 100, 32-44). nNOS interagiert mit vielen verschiedenen Kompartimenten und Kanälen innerhalb der Zelle. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass eine nNOS Überexpression nach Ischämie-Reperfusion kardioprotektiv wirkt. Dieses wird durch eine Inhibition der Mitochondrienfunktion und durch eine Verminderung der reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) ermöglicht. In einer früheren Arbeit wurde der Effekt der induzierbaren und myokardspezifischen Überexpression von nNOS unter physiologischen Bedingungen am transgenen Tiermodell untersucht. Diese Arbeit beschäftigt sich nun mit der Überexpression von nNOS unter pathophysiologischen (Ischämie-Reperfusion) Bedingungen. Ein Ischämie-Reperfusions-Schaden bewirkt bei Wildtyp-Mäusen, sowie bei transgener nNOS Überexpression eine Anreicherung von nNOS in den Mitochondrien. Elektronenmikroskopische Aufnahmen von Mausmyokard haben gezeigt, dass bei Überexpression nNOS zusätzlich in den Mitochondrien lokalisiert ist. Diese Translokation von nNOS in die Mitochondrien ist abhängig von HSP90. Ischämie- Reperfusionsexperimente an isolierten Mäuseherzen zeigten einen kardioprotektiven Effekt der nNOS Überexpression (30min post ischemia, LVDP 27.0±2.5mmHg vs. 45.2±1.9mmHg, n=12, p<0.05). Dieser positive Effekt konnte bei der Bestimmung der Infarktgröße bestätigt werden. nNOS überexprimierende Mäuse hatten eine kleinere Infarktgröße nach Ischämie-Reperfusion (36.6±8.4 relative % vs. 61.1±2.9 relative %, n=8, p<0.05). Die Überexpression von nNOS bewirkte ebenfalls einen signifikanten Anstieg des mitochondrialen Nitrit-Levels, begleitet von einer Verminderung der Cytochrom C Oxidase Aktivität (72.0±8.9units/ml in nNOS overexpressing mice vs. 113.2±17.1units/ml in non-induced mice, n=12, p<0.01), was zu einer Hemmung der Mitochondrienfunktion führt. Dementsprechend war der Sauerstoffverbrauch (gemessen an isolierten Herzmuskelstreifen) schon unter basalen Bedingungen beinNOS Überexpression vermindert (0.016±0.0015 vs. 0.024±0.006ml[O2] x mm-3 x min-1, n=13, p<0.05). Außerdem war die ROS Konzentration in Herzen von nNOS überexprimierenden Mäusen signifikant vermindert (6.14±0.685 vs. 14.53±1.7μM, n=8, p<0.01). Die Zugabe von verschiedenen Inhibitoren, Western Blot- und Aktivitätsuntersuchungen zeigten schließlich, dass diese niedrigere ROS Konzentration durch eine verminderte Xanthin Oxidoreduktase Aktivität hervorgerufen wurde. Zusammenfassend hat diese Arbeit gezeigt, dass eine induzierbare und myokardspezifische Überexpression von nNOS unter pathophysiologischen Bedingungen (Ischämie-Reperfusion) kardioprotektiv wirkt. Zusätzlich zu der Verminderung des myokardialen Ca2+-Überschusses nach Reperfusion könnte dieser protektive Effekt durch eine Hemmung der Mitochondrienfunktion bedingt sein, schließlich wird der Sauerstoffverbrauch schon unter basalen Bedingungen reduziert / Summary: I previously demonstrated that conditional overexpression of the neuronal nitric oxide synthase (nNOS) inhibited L-type Ca2+-channels and decreased myocardial contractility1 (Burkard N. et al. (2007). Circ Res 100, 32-44). However, nNOS has multiple targets within the cardiac myocyte and it is possible that interesting biological functions of this protein remain to be elucidated. In this study, I showed that nNOS overexpression has a cardioprotective effect after ischemia-reperfusion injury by inhibiting mitochondrial function and reducing the generation of reactive oxygen species (ROS). The effect of conditional nNOS overexpression in cardiac myocytes in ischemiareperfusion injury was assessed. Ischemia-reperfusion injury in WT mice resulted in nNOS accumulation in the mitochondria. Similary, transgenic nNOS overexpression caused nNOS abundance in mitochondria. Electron microscopy of mouse myocardium from nNOS overexpressing mice showed that after induction of its expression, nNOS is additionally localised in mitochondria. nNOS translocation into mitochondria was dependent on HSP90. Ischemia-reperfusion experiments in isolated hearts showed a cardioprotective effect of nNOS overexpression (30min post-ischemia, LVDP 27.0±2.5mmHg in non-induced animals vs. 45.2±1.9mmHg in nNOS overexpressing mice, n=12, p<0.05). Consistently with this finding, in vivo the infarct size within the area at risk was significantly decreased in nNOS overexpressing mice compared to non-induced animals (36.6±8.4 relative % vs. 61.1±2.9 relative %, n=12, p<0.05). nNOS overexpression also caused a significant increase in mitochondrial nitrite levels accompanied by a decrease of cytochrome c oxidase activity (72.0±8.9units/ml in nNOS overexpressing mice vs. 113.2±17.1units/ml in non-induced mice, n=12, p<0.01) resulting in an inhibition of mitochondrial function. Accordingly, O2-consumption (MVO2) in isolated heart muscle stripes was decreased in nNOS overexpressing mice, already under resting conditions (0.016±0.0015 vs. 0.024±0.006ml[O2] x mm-3 x min-1, n=13, p<0.05). Additionally, this study showed that the ROS concentration was significantlydecreased in hearts of nNOS overexpressing mice compared to non-induced animals (6.14±0.685 vs. 14.53±1.7μM, n=8, p<0.01). Application of different inhibitors, Western Blot analysis and activity assays showed that the lower ROS concentration in nNOS overexpressing mice was caused by inhibition of the xanthine oxidoreductase (XOR) activity by the increased abundance of nNOS expression. In summary, this study demonstrated that the conditional transgenic overexpression of nNOS resulted in myocardial protection after ischemia-reperfusion injury. Besides reduction of myocardial Ca2+-overload after reperfusion this might be caused by inhibition of mitochondrial function through nNOS, which reduced myocardial oxygen consumption already under baseline conditions (Burkard N. conditionally accepted by

The novel refrigerant 2,3,3,3‐tetrafluoropropene (HFO‐1234yf) as well as the novel foam blowing and precision cleaning agent trans‐1‐chloro‐3,3,3‐trifluoropropene (trans‐HCFO‐1233zd) are both chlorofluorocarbon replacements with low GWPs and a short atmospheric life time. Whereas the hydrofluoroolefin HFO‐1234yf has no negative effect on stratospheric ozone due to the lack of chlorine in its structure, the hydrochlorofluoroolefine trans‐HCFO‐1233zd exhibits a very low potential for ozone depletion (ODP). This is approximately 100 times lower than the ozone depletion potential of precursor compounds such as 1,1,2‐trichloro‐1,2,2‐trifluoroethane (CFC‐113). Principle aims of this thesis were to investigate the unknown metabolism of the new solvent trans‐HCFO‐1233zd and to further investigate a possible biotransformation based toxicity of HFO‐1234yf observed in rabbits. Therefore study specimens of different in vitro and in vivo studies with trans‐HCFO‐1233zd and HFO‐1234yf were analyzed for metabolites using 19FNMR spectroscopy, LC‐MS/MS spectrometry and GC/MS spectrometry. Metabolites were identified by comparison with purchased or synthesized standard substances. Excretion kinetics of the predominant metabolites were determined by LC‐MS/MS quantification,inorganic fluoride was determined by potentiometry. Moreover cytochrome P‐450 2E1 and 3A4 liver enzyme activities were measured in a multi‐exposure study with HFO‐1234yf. ... / Das neue Kühlmittel 2,3,3,3‐Tetrafluoropropen (HFO‐1234yf) und das neue Treib‐ und Reinigungsmittel trans‐1‐Chlor‐3,3,3‐trifluorpropen (trans‐HCFO‐1233zd) sind Chlorfluorkohlenstoff‐Ersatzstoffe mit sehr geringem Treibhauspotenzial und kurzer atmosphärischer Lebensdauer. Während HFO‐1234yf keinerlei negative Auswirkungen auf den Abbau der Ozonschicht hat, schädigt trans‐HCFO‐1233zd diese aufgrund eines Chloratoms in seiner Struktur. Durch die erhöhte Abbaurate von trans‐HCFO‐1233zd in niedrigeren Luftschichten, wird im Vergleich zu seinen Vorgängersubstanzen (z.B. 1,1,2‐Trichlor‐1,2,2‐trifluorethan, CFC‐113) jedoch ein weitaus geringerer Ozonabbau in der Stratosphäre gewährleistet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Metabolismus von HFO‐1234yf und trans‐HCFO‐1233zd in In‐vitro‐ und In‐vivo‐Versuchen charakterisiert. Hierfür wurde das gewonnene Probenmaterial mittels 19F‐NMR‐Spektroskopie, LC‐MS/MS‐Spektrometrie und GC/MSSpektrometrie auf Fluor‐Metabolite untersucht und diese durch Vergleichsmessungen mit Standardsubstanzen identifiziert. Die Quantifizierung der Hauptmetabolite und des anorganischen Fluorids in Urin und Plasma erfolgte mittels LC‐MS/MS‐Analyse bzw. mittels Potentiometrie. In einer Mehrfachexpositionsstudie mit HFO‐1234yf wurde zudem die Aktivität der Cytochrom‐P450‐Enzyme 3A4 und 2E1 in gewonnenem Leber‐ und Herzgewebe ermittelt. ...

Die Mesophyllzellen vollentwickelter Blätter stellen den Hauptort der Photosynthese höherer Pflanzen dar. Diese autotrophen Zellen (source-Gewebe) produzieren einen Überschuss an Kohlenstoff-Assimilaten, die für die Versorgung anderer heterotropher Gewebe und Organe, wie z.B. Früchten oder Wurzeln (sink-Gewebe), genutzt werden. Das Langstrecken-Transportsystem höherer Pflanzen, das Phloem, transportiert die Photoassimilate durch den gesamten Pflanzenkörper. Der zwischen source- und sink-Geweben herrschende hydrostatische Druckunterschied wird von osmotisch aktiven Substanzen generiert und treibt den Massenstrom in diesem Gefäßsystem an. Der nicht-reduzierende Zucker Saccharose stellt in den meisten höheren Pflanzen die Haupttransportform der photosynthetisch hergestellten Kohlenstoffverbindungen im Phloem dar. Protonen-gekoppelte Saccharosetransporter reichern Saccharose im Phloemgewebe mit einer 1000-fach höheren Konzentration (bis zu 1M), verglichen zum extrazellulären Raum, an. Aufgrund dieser einzigartigen Fähigkeit üben diese Carrier eine essentielle Rolle in der Phloembeladung aus und gewährleisten so die Versorgung der gesamten Pflanze mit Photoassimilaten. Saccharosetransporter können diese Energie-aufwändige Aufgabe nur durch eine enge Kopplung des zeitgleichen Transports von Saccharose und Protonen bewerkstelligen. Molekulare Einblicke in diesen physiologisch außerordentlich wichtigen Prozess der Zuckertranslokation sind jedoch bis heute immer noch sehr lückenhaft. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Saccharosetransporter ZmSUT1 aus Mais im heterologen Expressionssystem der Xenopus Oozyten exprimiert. ZmSUT1 generiert in Oozyten ungewöhnlich hohe Ströme im µA-Bereich, was diesen Zuckertransporter für präzise elektrophysiologische Messungen geradezu prädestiniert. Erste elektrophysiologische Messungen zur Substratspezifität zeigten, dass der synthetische Süßstoff Sucralose kein Substrat für ZmSUT1 darstellt. Darüber hinaus gelang es, Sucralose als kompetitiven Inhibitor der Saccharose-induzierten Transportströme von ZmSUT1 zu identifizieren. Die Verwendung dieses Saccharose-Derivats ermöglichte es, den Transportmechanismus in einzelne Schritte zu zerlegen und diese zu quantifizieren. Durch hochauflösende elektrophysiologische Messungen konnten transiente Ströme in der Abwesenheit jeglichen Substrats detektiert werden, die jedoch in der Anwesenheit sättigender Saccharosekonzentrationen erloschen. Diese sogenannten presteady-state Ströme (Ipre) zeichneten sich durch eine schnelle und eine langsame Komponente in der Relaxationskinetik der Ströme aus. Ipre konnten mit dem Binden der Protonen an den Transporter innerhalb des elektrischen Feldes der Membran in Verbindung gebracht werden. Somit führte die Analyse der presteady-state Ströme zur Aufklärung des ersten Schritts - dem Binden der Protonen - im Transportzyklus von ZmSUT1. Interessanterweise reduzierte der kompetitive Inhibitor Sucralose die langsame Komponente der presteady-state Ströme in Abhängigkeit von der Sucralosekonzentration, während die schnelle Komponente von Ipre unbeeinflusst blieb. Um dieses Verhalten erklären zu können und einen weiteren Schritt im Transportzyklus von ZmSUT1 zu studieren, wurde die Methode der Spannungsklemmen-Fluorometrie zur Untersuchung der Konformationsänderung von ZmSUT1 etabliert. Tatsächlich gelang es, zum ersten Mal die intramolekulare Bewegung eines pflanzlichen Transportproteins zu visualisieren. Detaillierte Analysen zeigten, dass die Konformationsänderungen von ZmSUT1, unabhängig von Saccharose, mit einer schwachen pH-Abhängigkeit auftraten. Interessanterweise wurde die Beweglichkeit des Transporters durch die Applikation des kompetitiven Inhibitors Sucralose deutlich reduziert. Dieser Effekt deutet, zusammen mit dem Sucralose-induzierten Verschwinden der langsamen Komponente der Ipre darauf hin, dass Sucralose den Transporter in seiner auswärts-gerichteten Konformation arretiert. Somit repräsentiert die Zugänglichkeit der extrazellulären Protonenbindestelle und folglich die Konformationsänderung den Geschwindigkeits-bestimmenden Schritt im Reaktionszyklus von ZmSUT1. Zusammenfassend gelang es in dieser Arbeit, das Binden der Protonen und den Zusammenhang mit der Bewegung des Proteins, von einer auswärts-gerichteten in eine einwärts-gerichtete Konformation, aufzuklären. Mit der Hilfe der Erkenntnisse aus dieser Arbeit konnte ein mechanistisches Modell für den Transportzyklus von ZmSUT1 entwickelt werden, anhand dessen alle Ergebnisse schlüssig erklärt und diskutiert werden konnten. / Higher plants produce carbohydrates via photosynthesis in mesophyll cells of their leaves. These autotrophic cells export the excess of photoassimilates (source-tissue) to supply heterotrophic tissues, such as fruits and roots (sink-tissues), with carbon compounds. According to the Munch hypothesis, osmolytes generate the hydrostatic pressure difference between the source- and sink-tissues that drives the mass flow within the phloem vasculature. In most higher plants the non-reducing disaccharide sucrose represents the main mobile carbohydrate. Proton-driven sucrose transporter play a pivotal role in loading the phloem vessels for long distance transport of sucrose throughout the entire plant body. The strongly hyperpolarized plant membrane potential and the exceptional ability of sucrose carriers to accumulate sucrose quantities of more than 1 M in phloem cells, indicate that plants evolved transporters with unique functional properties. The transporter protein can achieve this task only because proton and sucrose transport are tightly coupled to each other. The knowledge about individual steps in the transport cycle of sucrose carriers is, however, still fragmentary. Within the scope of this work, the sucrose transporter ZmSUT1 from maize was expressed in the heterologous expression system of Xenopus oocytes. ZmSUT1 was found to mediate sucrose-induced proton currents in the µA range, predestinating this carrier for precise electrophysiological measurements of kinetic parameters in Xenopus oocytes. A basic electrophysiological characterization revealed that ZmSUT1 do not transport the synthetic sweetener sucralose but is competitively inhibited by this sucrose derivate. Having this tool in hands, individual steps of the ZmSUT1 transport cycle were dissected and quantified with sophisticated electrophysiological and fluorescence-based methods. Thereby transient currents in the absence of any substrate, which disappeared in the presence of saturating sucrose quantities, could be measured. These so-called presteady-state currents were composed of a fast and a slowly decaying current component and could be associated with the binding of protons to a binding site at the transporter within the electrical field of the membrane. Thus, the study of presteady-state currents allowed us to individually characterize the first step in the transport cycle of ZmSUT1 – the binding of protons to ZmSUT1. Interestingly, the slow current component disappeared in the presence of the competitive inhibitor sucralose. To understand this behavior and to elucidate conformational rearrangements within the carrier associated with the transport of sucrose, we visualized movements of ZmSUT1 using the voltage clamp fluorometry technique. Indeed, we for the first time were able to monitor conformational changes of a plant transport protein. Detailed analysis revealed that conformational changes of ZmSUT1 occur in the absence as well as in the presence of its substrate. However, upon application of the inhibitor sucralose the movements of the ZmSUT1 proteins were markedly reduced. This fact, taken together with the disappearance of the slow presteady-state component, let us conclude that sucralose seem to lock ZmSUT1 in its outward-facing conformation. The rate-limiting step of the reaction cycle is determined by the accessibility of the extracellular proton binding site and thus by conformational changes of the ZmSUT1 protein. Taken together our studies resolved the first step in the reaction cycle of a plant sucrose transporter - the binding of protons to the carrier - and its interrelationship with the alternating movement of the protein. Based on these results a mechanistic transport model of plant sucrose transporters was drawn and discussed.