This thesis gives insights into the real-time dynamics of several free carbenes and radicals on a femtosecond and nanosecond time scale. The experiments were performed with radicals, singlet carbenes and triplet carbenes of various sizes. Several neutral excited states as well as the ionic ground state were characterized. Despite the relevance of such reactive intermediates in almost all chemical reactions, only relatively little experimental information on such systems is found in the literature. This is linked to the experimental challenge of producing such species under isolated conditions. The intermediates are formed from precursor molecules under interaction- free conditions by supersonic jet flash pyrolysis. The precursor molecules were synthetically designed to show clean thermal dissociation into one specific intermediate. A large variety of spectroscopic techniques was applied to study the intermediates. Each method augments the results of the other methods. This enabled to successfully approach the main goal of this thesis: to understand the excited-state dynamics of organic intermediates. The excited states were found to deactivate rapidly to the hot ground state. The observed fast decay is presumably linked to coupled electronically excited states and relaxation takes place by internal conversion or conical intersections. Further reactions then take place on the ground state surface. Absorption spectra, photodissociation dynamics, photoelectron spectra, ionization potentials, excited-state lifetimes and dissociative photoionization were elucidated by the measurements. Pulsed and continuous light sources were used over a large spectral range (UV, Vis, VUV). A well-defined amount of energy was deposited into the molecule. After internal conversion has taken place, a microcanonical ensemble of reactive intermediates can be studied. This data helps to understand the energetics and reaction channels of intermediates. Velocity map imaging enabled to monitor the pyrolysis efficiency in real time by analyzing photoion images. This observation facilitates clean intermediate generation. Experimental results were compared to quantum chemical calculations to aid the interpretation as well as to test the performance of theoretical approaches. Hydrocarbon radicals and carbenes are regarded as benchmark systems for computational methods due to their several low-lying electronic states and open-shell electronic configuration. The experimental data can help to identify and understand the contributions of the examined intermediates to the chemistry of high energy environments (e. g., hydrocarbon cracking reactors, interstellar space and combustion chambers). Here increased numbers of hydrocarbon intermediates are often present and usually have a strong impact on the overall reaction mechanism. Such environments contain in general a complex mixture of several different intermediates. The more spectroscopic and dynamic properties of each isolated intermediate are known, the easier it is to identify it among multiple components and to understand how it contributes to the overall reaction mechanism. Electronic excitation can take place by radiation, particle collisions or thermally at very high temperatures. How excited states influence the reaction mechanisms is still a matter of currant research. / Diese Arbeit gibt Einblicke in die Dynamik angeregter Zustände von mehreren isolierten Carbenen und Radikalen. Experimente wurden an verschieden großen Radikalen, singlet Carbenen und triplet Carbenen durchgeführt. Angeregte elektronische Zustände, Grundzustände von Radikal-Kationen und die Photodissoziations-Dynamik des Grundzustandes wurden charakterisiert. Obwohl beinahe alle chemischen Reaktionen über reaktive Intermediate ablaufen, ihnen Schlüsselrollen bei Verbrennungsprozessen zugesprochen werden und sie in hohen Konzentrationen in interstellaren Medien vorkommen, sind viele dieser Spezies unzureichend charakterisiert. Dies liegt hauptsächlich am hohen experimentellen Aufwand, der zur sauberen Herstellung und Untersuchung von Intermediaten nötig ist. Die Intermediate in dieser Arbeit wurden mittels Supersonic-Jet- Flash-Pyrolysis generiert. Mit dieser Technik konnten die hoch reaktiven Moleküle konserviert und unter isolierten Bedingungen spektroskopisch untersucht werden. Hierfür wurden spezielle Vorläufermoleküle synthetisch hergestellt und auf ihre saubere thermische Zersetzung hin getestet und optimiert. Die Intermediate wurden mit einer Reihe von spektroskopischen Methoden untersucht, die sich auf eine hervorragende Art und Weise ergänzten. Das Hauptziel der Dissertation konnte somit erfolgreich abgeschlossen werden und das Verhalten angeregten Zustände einiger wichtiger Intermediate verstanden werden. Die Zustände relaxieren auf einer Femtosekunden-Zeitskala zum heißen Grundzustand. Die schnelle Deaktivierung ist allerWahrscheinlichkeit nach auf eine Kopplung der elektronisch angeregten Zustände zurückzuführen. Die Relaxation erfolgt über interne Konversion und konische Durchschneidungen. Photochemische Reaktionen laufen anschließend vom heißen Grundzustand aus ab. Zusätzlich konnten viele Charakteristika der Intermediate untersucht werden: Absorptionsspektren, Photochemie, Photoelektronenspektren, Ionisierungsenergien und dissoziative Photoionisation. Für die Untersuchungen wurde, über einen breiten spektralen Bereich (UV,Vis,VUV), hauptsächlich frequenz- und zeitaufgelöste Laser-Spektroskopie eingesetzt. Nachdem die Moleküle zum Grundzustand relaxiert waren, konnte die Dynamik eines mikrokanonischen Ensembles von reaktiven Intermediaten untersucht werden. Diese Untersuchungen helfen die Energetik und Reaktionskanäle der Intermediate zu verstehen. Zusätzlich wurden Messungen mit Synchrotron- Strahlung und TPEPICO-Spektroskopie durchgeführt; vorwiegend um die IPs der Spezies zu bestimmen wurde diese Technik angewandt. Velocity-Map-Imaging wurde zusammen mit der Radikalquelle erprobt. Ergänzend zu zeitaufgelösten Photoelektronenspektren konnten mit dieser Methode neue Wege zur Optimierung der Radikalerzeugung aufgezeigt werden. Die Effizienz der Pyrolyse konnte anhand der Photoionen-Images in Echtzeit verfolgt werden. Dies vereinfacht die Darstellung reaktiver Intermediate. Die experimentellen Daten wurden mit quantenchemischen Rechnungen verglichen, um die Interpretation zu erleichtern. Des Weiteren weisen Intermediate häufig eine komplexe elektronische Struktur auf und können somit zum evaluieren quantenmechanischer Methoden verwendet werden. Die erarbeiteten experimentellen Daten können helfen die spektroskopisch untersuchten Intermediate in komplexen Reaktionsgemischen zu erkennen und ihre dynamische Rolle darin besser zu verstehen. Je mehr Information über einzelne isolierte Intermediate bekannt ist, desto einfacher können ihre Beiträge differenziert aufgeschlüsselt werden. Eine erhöhte Anzahl von Intermediaten wird vor allem an Orten mit hoher Energiedichte beobachtet (z.B. im interstellaren Raum und in Motoren). Elektronisch angeregte Zustände der Moleküle können hier durch Teilchenstöße, Strahlung oder sogar thermisch bei sehr hohen Temperaturen angeregt werden. Wie elektronisch angeregte Zustände Reaktionsmechanismen beeinflussen können, ist noch Stand aktueller Forschung.

Osteoporose ist einer der häufigsten Knochenerkrankungen im fortschreitenden Alter und zählt, aufgrund der damit verbundenen hohen direkten und indirekten Behandlungskosten, zu einer der zehn wichtigsten volkswirtschaftlichen Krankheiten. Die Behandlung der Osteoporose ist langjährig und umfasst eine medikamentöse Therapie auf der Basis einer „knochengesunden“ Lebensweise hinsichtlich Ernährung und Bewegung. Im Rahmen von Untersuchungen zur Linderung von postmenopausalen Beschwerden, zeigte ein Extrakt der Pflanze Cimicifuga racemosa Potential zu osteoprotektiver Wirksamkeit und rückte somit in den Fokus für eine mögliche Anwendung in der Therapie und Prophylaxe von Osteoporose. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher, in enger Zusammenarbeit mit der Bionorica SE, welche für die Aufreinigung und Fraktionierung des Pflanzenextraktes zuständig war, und mit der Arbeitsgruppe um Prof. Wuttke, welche parallele Rattenstudien durchführte, Methoden anzuwenden, mit denen osteoprotektive Wirksamkeiten nachgewiesen und auf einzelne Fraktionen des Extraktes limitiert werden können. ... / Osteoporosis is one of the most common bone diseases in advancing age and is, due to the associated high direct and indirect costs of treatment, one of the ten most important economic diseases. The treatment of osteoporosis lasts for many years and covers a drug therapy based on a "bone-healthy" lifestyle regarding diet and exercise. As part of investigations for the relief of postmenopausal symptoms Cimicifuga racemosa showed potential to osteoprotective effectiveness and thus the focus places special emphasis to the potential application in the treatment and prevention of osteoporosis. The aim of the present study was therefore, in close cooperation with the Bionorica SE, which was responsible for the purification and fractionation of the plant extract and the research group of Professor Wuttke, which conduct parallel rat studies, to investigate methods which demonstrate osteoprotective efficacies and may be limited to individual fractions of the extract. ...

The widely used chemical acrylamide (AA) has been classified as a probable human carcinogen. This classification was based on positive results in rodent carcinogenicity studies as well as on a number of in vitro mutagenicity assays. In 2002, AA was discovered to be formed during the preparation of starch-containing foods. According to the latest FDA exposure assessment (2006), the average daily intake has been estimated from AA levels in foodstuffs and from nutritional habits to be around 0.4 µg/kg b.w. with a 90th percentile of 0.95 µg/kg b.w.. In children and adolescents however, the daily AA intake is about 1.5 times higher, due to lower body weight and differing consumption patterns. Apart from the diet, humans may be exposed to AA during the production or handling of monomeric AA, from AA residues in polyacrylamides, and from cigarette smoke. After oral administration, AA is readily absorbed and distributed throughout the organism. AA is metabolized to the reactive epoxide glycidamide (GA) via the CYP 450 isoenzyme CYP 2E1. Both, AA and GA are conjugated with glutathione. After enzymatic processing, the mercapturic acids N-Acetyl-S-(2-carbamoylethyl)-L-cysteine (AAMA) as well as the regioisomers N-Acetyl-S-(2-carbamoyl-2-hydroxyethyl)-L-cysteine (GAMA) and N-Acetyl-S-(1-carbamoyl-2-hydroxy-ethyl)-L-cysteine (iso-GAMA) are excreted with urine. An additional pathway for the metabolic conversion of GA is the epoxide hydrolase mediated hydrolysis to the diol compound glyceramide. Following administration of AA at doses exceeding the daily dietary intake by a factor of 1000 - 6000 to human subjects, a new urinary metabolite was found, which could be identified as the S-oxide of AAMA (AAMA-sulfoxide). In general, data from animal studies are used for risk assessment of (potential) human carcinogens. However, inter-species differences in toxicodynamics or toxicokinetics, e.g. in biotransformation may lead to under- or overestimation of human risk. The objective of this work was to establish a highly specific and sensitive analytical method to quantify the major urinary metabolites of AA. Other aims apart from measurements concerning the human background exposure were the evaluation of biotransformation and toxicokinetics of AA in humans and rats after oral administration of 13C3-AA. The obtained data was intended to help avoid linear extrapolation from animal models for future risk assessments of AA carcinogenicity. / Die weitverbreitete Chemikalie Acrylamid (AA) wurde als möglicherweise krebserregend im Menschen eingestuft. Diese Klassifizierung beruhte auf positiven Ergebnissen aus Kanzerogenitätsstudien in Nagern sowie einer Reihe von in vitro Mutagenitätstests. Im Jahr 2002 wurde entdeckt, dass AA während der Zubereitung von stärkehaltigen Nahrungsmitteln entsteht. Nach den neuesten Expositionsabschätzungen der FDA (2006) wurde auf der Basis von AA-Gehalten in Lebensmitteln und Ernährungsgewohnheiten eine tägliche Aufnahme von etwa 0.4 µg/kg KG (Körpergewicht) errechnet. Die 90. Percentile lag bei 0.95 µg/kg KG. In Kindern und Heranwachsenden ist die tägliche AA Aufnahme jedoch um etwa Faktor 1.5 höher. Dies beruht auf einem vergleichsweise geringeren Körpergewicht und anderen Ernährungsvorlieben (175). Außer über die Nahrung können Menschen während der Produktion oder Verarbeitung von monomerem AA, über Rückstände in Polyacrylamiden und über Zigarettenrauch gegenüber AA exponiert sein. Nach oraler Gabe wird AA schnell resorbiert und im ganzen Organismus verteilt . AA wird über das Cytochrom P450 Isoenzym CYP 2E1 in das reaktive Epoxid Glycidamid (GA) umgewandelt. Sowohl AA als auch GA binden an Glutathion. Nach enzymatischer Verstoffwechslung werden die Mercaptursäuren N-Acetyl-S-(2-carbamoylethyl)-L-cystein (AAMA) sowie die Regioisomere N-Acetyl-S-(2-carbamoyl-2-hydroxyethyl)-L-cystein (GAMA) und N-Acetyl-S-(1-carbamoyl-2-hydroxyethyl)-L-cystein (iso-GAMA) mit dem Urin ausgeschieden. Ein weiterer Weg für die metabolische Umwandlung von GA ist die durch Epoxidhydrolase katalysierte Hydrolyse zum Diol Glyceramid. Nach der Verabreichung von AA an Menschen in Dosen, die die tägliche Aufnahme über die Nahrung um das 1000 bis 6000-fache überschritten, wurde ein neuer Metabolit im Urin entdeckt, der als das S-oxid von AAMA identifiziert werden konnte. Im Allgemeinen werden Daten aus Tierstudien für die Risikobewertung von (möglichen) Kanzerogenen im Menschen verwendet. Spezies-Unterschiede bezüglich der Biotransformation können demzufolge zu Unter- oder Überbewertung des Risikos für den Menschen führen. Das Ziel dieser Arbeit war es, eine hochspezifische und empfindliche analytische Methode für die Quantifizierung der wichtigsten Metaboliten von AA im Urin zu entwickeln. Neben Messungen bezüglich der Hintergrundbelastung im Menschen sollten Biotransformation und Toxikokinetik von AA in Menschen und Ratten nach oraler Gabe von 13C3-AA bestimmt werden. Die gewonnenen Daten sollten dazu beitragen, lineare Extrapolation ausgehend von Tiermodellen für zukünftige Risikoabschätzungen zu vermeiden.

Aus früheren Untersuchungen ist bekannt, dass Fleischerzeugnisse höhere Gehalte an polychlorierten Biphenylen (PCB) und polychlorierten Dibenzo-p-dioxinen bzw. polychlorierten Dibenzofuranen (PCDD/F) aufweisen als das unverarbeitete Fleisch selbst. Aufgrund dessen war es Ziel dieser Arbeit, mögliche Kontaminationsquellen für diese Substanzen in Fleischerzeugnissen zu finden. Als Einstieg in die Thematik wurden Bratwurstproben auf ihren WHO-PCB- und WHO-PCDD/F-TEQ untersucht. Dabei hat man auch Produktionsgeräte für Fleischerzeugnisse auf ihr Potential geprüft, diese mit den genannten Substanzen zu kontaminieren. Bei den weiteren Arbeiten wurde besonderes Augenmerk auf die Untersuchung von verschiedenen Gewürzen und Gewürzextrakten gelegt. Wiesen Gewürze Kontaminationen mit den genannten Stoffen auf, wurde möglichen Ursachen nachgegangen. Eine weitere, wichtige Fragestellung war in diesem Zusammenhang, ob und in welchem Ausmass PCBs und Dioxine durch die Extraktion der Gewürze mit organischen Lösemitteln bzw. überkritischem CO2 in den Extrakt übergehen können. Die Bestimmung der WHO-PCDD/F- bzw. WHO-PCB-TEQ in Gewürzen erfolgte nach einem von uns speziell für Gewürze entwickeltem, aufwendigem Clean-Up mittels Kapillargaschromatographie und anschließender hochauflösender Massenspektrometrie (HRGC-HRMS). Die Abtrenn- und Aufreinigungsschritte umfassten (i) Gefriertrocknung, (ii) Homogenisation mit Zusatz an internem Standard, (iii) Separierung mittels beschleunigter Lösemittelextraktion; (iv) verschiedene nacheinander geschaltete Flüssigchromatographie-Schritte (Gelpermeation; Florisil; schwefelsaures Kieselgel; Aktivkohle). Zusammenfassend lässt sich an Einzelergebnissen festhalten: - Aufgrund der Untersuchung von Bratwurstproben (aus einem Zeitraum von zwei Jahren) waren betriebsspezifische Ursachen wie Betriebseinrichtungen - z.B. veraltete Geräte oder ähnliches - für eine Kontamination von Fleischerzeugnissen mit PCB oder Dioxinen nicht grundsätzlich auszuschließen. Sie sind aber wenig wahrscheinlich. - Lediglich bei der Verwendung von über 40 Jahre alten Geräten ergab sich eine Tendenz zur Kontamination von Fleischerzeugnissen mit PCB, aber nicht mit Dioxinen. - Bei der Untersuchung von Gewürzen wurde festgestellt, dass Blattgewürze tendenziell höhere PCB- und Dioxingehalte aufweisen als andere Gewürzarten. - Weder das Erntejahr noch der Erntezeitpunkt (unterschiedliche Wachstumsstadien) sind ausschlaggebend für eine stark variierende Kontamination mit den Analyten. - Bei Aufschlüsselung der einzelnen Proben nach deren Herkunft zeigte sich, dass eine Kontamination standortspezifisch hervorgerufen werden kann. - Die Trocknung (in verschiedenen Varianten) und weitere bei Blattgewürzen gängige Verarbeitungsschritte sind aufgrund der erzielten Ergebnisse als Ursache für die höheren PCB- bzw. Dioxingehalte in Blattgewürzen auszuschließen. - Die Untersuchung von Gewürzextrakten zeigte, dass bei einer CO2-Extraktion PCB und Dioxine zu einem geringeren Grad im Extrakt angereichert werden, als dies bei einer Fest-Flüssigextraktion mit organischen Lösemitteln der Fall ist. Insgesamt betrachtet, kann die Verwendung von naturbelassenen, höchstens getrockneten Gewürzen zu keiner derartigen Kontamination von Fleischerzeugnissen mit PCB oder Dioxinen führen, dass die damit hergestellten Produkte aufgrund einer Überschreitung der gesetzlichen Höchstwerte beanstan¬det werden würden. In einem Rechenmodell ließ sich zeigen, dass bei der Herstellung von Fleisch-erzeugnissen die Verwendung von Gewürzextrakten, die mit organischen Lösungsmitteln hergestellt wurden, einen höheren Eintrag an PCB und Dioxinen im fertigen Fleischerzeugnis hervorruft als dies bei entsprechender Produktion mit naturbelassenen Gewürzen (bei üblichen Einsatzmengen) der Fall ist. Bei Flüssig-CO2-Extrakten hingegen fand im Vergleich zu naturbelassenen Gewürzen ein geringerr Eintrag an PCB und Dioxinen statt. / Previous investigations have already shown that meat products contain higher levels of polychlorinated biphenyls (PCB) and polychlorinated dibenzo-p-dioxines or polychlorinated dibenzo-furanes (PCDD/F) than row meat itself. Hence, the aim of this work was to find out potential sources of the contamination with these substances in meat products. We started our project with the analysis of sausages (Bratwurst) determining the content of WHO-PCB- and WHO-PCDD/F-TEQ. In addition, we checked the meat products manufacturing equipments, in order to evaluate their potential to contaminate the products with the mentioned environmental pollutants. Thereafter, we focused our work on the analysis of different spices and spices extracts. If contamina-tion of the spices with the organohalogen compounds occurred, the reasons had to be found out. Another important question was to clarify, whether or at which extent a crossing over of PCBs and dioxins occurs by the extraction of spices using solvent or supercritical CO2 extraction, respectively. The determination of WHO-PCB- and WHO-PCDD/F-TEQ in spices was carried out employing an extensive clean-up, specifically developed by us for spices, by high resolution gas chromatography and subsequent high resolution mass spectrometry (HRGC-HRMS). Separation and enrichment of the target compounds were achieved by a number of liquid chromatographic steps, i.e. (I) lyophilising the sample material; (ii) homogenisation and addition of an internal standard; (iii) liquid chromatography (gel permeation; florisil; sulphuric acid silica gel; active charcoal). Following results and conclusions can be summarized: - Based on the analyses of sausages (of a two-years period) company-specific reasons for a contamination with PCB or dioxins cannot be excluded. But in fact, these reasons (such as installations and meat products manufacturing equipments) are considered to be less probable. - Old equipments, 40 or more years old, appeared to be able to contaminate the processed meat products with PCB, but not with dioxins. - Results obtained by our studies of spices revealed the tendency that herbs show a higher PCB and dioxin content than other types of spices. - Neither the harvesting year nor the harvesting time (different growth stages) seem to determine the high variability observed in the contents of the contaminants. - Classifying the results according to their provenance, the location was found to be a key factor. - The different manufacturing processes, including the critical drying phase, were excluded as a source of contamination with PCB and dioxins in herbs. - CO2-extraction of spices showed reduced levels on PCB and dioxins in comparison with those observed after conventional extraction using organic solvents. Summarizing, we can affirm that the use of spices, genuine or dried, in the manufacturing of meat products does not increase the levels of PCB or dioxins in such a way that they would exceed the legal requirements. Using a mathematical model we showed that the PCB and dioxin levels are higher than using genuine spices, when in the manufacturing of meat products spice extracts obtained by a conventional extraction method with organic solvents are used. The PCB and dioxins levels in meat products were lower when spice CO2-extracts were used instead of genuine spices.

Hochporöse Kohlenstoffaerogele, die über den Sol-Gel-Prozeß auf der Basis von Resorzin und Formaldehyd hergestellt werden, sind Werkstoffe mit beeindruckenden physikalischen Eigenschaften. Leider werden bisher nur geringe Mengen an Kohlenstoffaerogelen produziert und aus Kostengründen auf günstigere Materialien mit vergleichsweise schlechteren Eigenschaften zurückgegriffen. Um diesen Nachteil zu nivellieren lag die Motivation der vorliegenden Arbeit in der Entwicklung neuer Syntheserouten für Kohlenstoffmaterialien mit nanoskaliger Morphologie, wobei insbesondere auf kostengünstige Edukte und/oder einfache Prozessierung zurückgegriffen werden sollte. Als in Frage kommende Eduktsysteme wurden Zucker, sowie Hydroxybenzol-Formaldehyd-Derivate ausgewählt. Die hergestellten Kohlenstoffe wurden hauptsächlich mit Elektronenmikroskopie, Gassorption und Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) charakterisiert. Um Fehlinterpretationen der experimentellen Daten für das neue Materialsystem zu vermeiden, war ein umfangreiches Wissen zu den Charakterisierungsmethoden und den diesen zugrundeliegenden physikalischen Prinzipien notwendig. Kohlenstoffpulver basierend auf sphärischen Resorzin-Formaldehyd Suspensionen und Sedimenten bilden eine völlig neue Möglichkeit zur Erzeugung von Kohlenstoffnanokugeln. Im Rahmen dieser Arbeit wurde deshalb systematisch der Bereich der Syntheseparameter im RF-System zu den nicht-monolithischen Parametersätzen hin vervollständigt. Anhand der bestimmten Daten konnte diese Stoffklasse umfassend und detailliert charakterisiert und interpretiert werden. Die Partikelgröße hängt im Wesentlichen von der Katalysatorkonzentration und in geringerem Maße von der Eduktmenge in der Startlösung ab. Die ermittelte untere Grenze der Partikelgröße aus stabilen kolloidalen Dispersionen beträgt ca. 30 nm. Größere Partikel als 5 µm konnten trotz Modifikation der Syntheseroute nicht erzeugt werden. Eine Abschätzung über den Aggregationsgrad der Kohlenstoffpulver wurde durchgeführt. Eine Beimischung von Phenol verringert in diesem System zum einen die Partikelgröße und erzeugt zunehmend nicht-sphärische Strukturen. Die aus Gassorption, SAXS und dynamischer Lichtstreuung (DLS) ermittelten Partikelgrößen stimmen gut überein. Bei der Pyrolyse schrumpfen die Partikel auf 84% des Ausgangswerts (Partikeldurchmesser). Ein Fokus dieser Arbeit lag in der Herstellung poröser Kohlenstoffe mit Phenol und Formaldehyd (PF) als Eduktbasis und unterkritischer Trocknung (Kohlenstoffxerogele). Um die Bandbreite der Eigenschaften der resultierenden Kohlenstoffxerogele zu erweitern, wurden zahlreiche Modifikationen der Syntheseparameter und im Herstellungsprozeß durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, daß im Eduktsystem Phenol-Formaldehyd in wäßriger Lösung mit Na2CO3 als basischem Katalysator prinzipiell poröse Xerogele herstellbar sind; allerdings verhindert eine ungewöhnliche Gelierkinetik (Flockenbildung statt Sol-Gel-Übergang) eine umfassende Interpretation des Systems, da die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse nicht gewährleistet ist. Bei Phenol-Formaldehyd in wäßriger Lösung und NaOH als Katalysator kommt es meist zu einem Kollabieren des Gelnetzwerks während der Trocknung. Lediglich bei hohem Formaldehydüberschuß zeigt sich ein enger Bereich, in dem Xerogele mit geringer Dichte (rhomin = 0,22 g/cm3) und relevantem Mesoporenvolumen von bis zu 0,59 cm3/g synthetisierbar sind. Die interessanteste Kombination im PF-System ergibt sich mit HCl als Katalysator und n-Propanol als Lösungsmittel. Hier sind hochporöse Kohlenstoffxerogele mit geringen Dichten (rhomin = 0,23 g/cm3) und für Xerogele sehr hoher Mesoporosität von bis zu Vmeso = 0,85 cm3/g möglich. Damit ist es im Rahmen dieser Arbeit erstmals gelungen über konvektive Trocknung homogene hochporöse Xerogel-Formkörper auf PF-Basis zu synthetisieren. Aus der Überwachung des Sol-Gel-Prozesses mit Detektion der Soltemperatur konnten wichtige Erkenntnisse über exo- und endotherme Vorgänge gewonnen werden. Zudem zeigt die Zeitabhängigkeit der Soltemperatur Gemeinsamkeiten für alle untersuchten Hydroxybenzol-Formaldehyd-Systeme. So kann der Gelpunkt der Ansätze zuverlässig und auch reproduzierbar anhand eines zweiten lokalen Temperaturmaximums ermittelt werden, welches mit einer Gelpunktsenthalpie korreliert wird. Damit ist auch eine Prozeßkontrolle, z.B. für die Kombination mit Partikeltechnologien, möglich. Die zugrundeliegenden Strukturbildungsmechanismen, Sol-Gel-Prozeß einerseits und Trocknung andererseits, wurden in-situ mittels SAXS beobachtet und anhand der gewonnenen Daten diskutiert und bewertet. Eine vollständige Adaption des etablierten und akzeptierten Bildungsmechanismus von RF basierten Aerogelen (Partikelbildung aus Kondensationskeimen und Partikelwachstum) für das PF-System wird ausgeschlossen. Vielmehr scheint bei den untersuchten PF-Systemen auch eine Mikrophasenseparation als konkurrierender Prozeß zur Partikelbildung von Relevanz zu sein. / Highly porous carbon aerogels derived via the sol-gel-process based on the precursors resorcinol and formaldehyde are materials with impressive physical properties. In principle, they are suited for many applications (e.g. thermal insulations, components in electrochemical devices). Unfortunately, up to now, there are only small amounts of carbon aerogels available. Due to cost efficiency, cheaper materials with less favourable properties compared to carbon aerogels are used. To compensate for this disadvantage, the motivation for this work was the development of new synthesis routes for carbon materials with nanostructured morphology, applying in particular cheap precursors and/or simple processing. As precursor systems, sugar as well as hydroxybenzene-formaldehyde-derivatives were chosen. The produced carbons were characterised in particular by electron microscopy, gas sorption and small-angle X-ray scattering (SAXS). To avoid misinterpretation of the experimental data of the new materials system, extensive knowledge concerning the characterization methods and their underlying physical principles are essential. Carbon powders based on spherical particles derived from suspensions and sediments of resorcinol-formaldehyde (RF) solutions establish a completely new possibility to generate carbon nanospheres. Within the framework of this thesis the range of the synthesis parameters of the RF-system towards the non-monolithic parameter sets was therefore systematically completed. These materials were characterized and interpreted extensively and in detail by using the derived experimental data. The particle size depends essentially on the catalyst concentration rather than on the amount of precursors in the initial solution. The lower limit particle size derived from stable colloidal suspensions is about 30 nm. Larger particles than 5 µm could not be synthesized, even when modifying the synthesis route. An estimate for the level of aggregation of the carbon powders was determined. Admixing of phenol decreases the particle size in this system and generates increasingly non-spherical structures. The evaluated particle sizes derived from gas sorption, SAXS and dynamic light scattering (DLS) are in good agreement with each other. During pyrolysis, the particles shrink to 84% of the initial value (particle size). One goal of this work was the synthesis of porous carbons with phenol and formaldehyde (PF) as precursors and subcritical drying (carbon xerogels). To extend the possible properties of the resulting carbon xerogels, several modifications of the synthesis parameters as well as in the production process were conducted. The results show, that with the precursors phenol-formaldehyde in aqueous solution using Na2CO3 as catalyst, porous xerogels can in principle be synthesized. However, the unusual gelation kinetics (flake forming instead of sol-gel-transition) prevents a detailed interpretation of this system, because the reproducibility of the results can not be ensured. With the system phenol and formaldehyde in aqueous solution using NaOH as catalyst, the gel network mostly collapses during drying. Only with excess formaldehyde a range in the synthesis parameters exists, where xerogels with low density (rhomin = 0,22 g/cm3) and relevant mesopore volume of up to 0,59 cm3/g can be synthesized. The most interesting combination of PF is with HCl as catalyst and n-propanol as solvent. With this system, highly porous carbon xerogels with low densities (rhomin = 0,23 g/cm3) and for xerogels high mesoporosity of up to Vmeso = 0,85 cm3/g can be synthesized. Hence, within the framework of this thesis highly porous monolithic xerogels based on PF as precursors in combination with subcritical drying have been successfully synthesiszed for the first time. Monitoring of the sol-gel-process by detection of the sol temperature provided important information about exo- and endothermal reactions. Moreover, the temperature dependence of the sol shows similarities for all investigated hydroxybenzene-formaldehyde combinations. The gelling point of the precursor systems can be reproduced reliably by determining a second local maximum of the sol temperature, which can be correlated with an enthalpy of gelation (second order process). By this way, a process control is possible, e.g. for the combination with particle technologies. The basic mechanisms of structure formation, i.e. the sol-gel-process on the one hand and the subcritical drying on the other hand were monitored in-situ by SAXS and discussed on the base of the obtained data. A complete adaptation of the established and accepted structure formation mechanism of RF based aerogels (forming and growing of particles by) can be ruled out for the PF-system. Moreover, microphase separation seems to be a relevant competing process for the particle forming in the PF-system.

Das Glioblastom ist mit einem Anteil von 20% an allen hirneigenen Tumoren der häufigste und bösartigste primäre intrakranielle Tumor. Trotz multimodalem Therapiekonzept, das operative Resektion, Strahlen- und Chemotherapie verbindet, haben Patienten eine Prognose von im Mittel nur 14,6 Monaten. Sein aggressives Wachstum zieht eine Vaskularisierung nach sich, die jedoch nicht in ausreichendem Maße die Sauerstoffversorgung des Tumorgewebes sicherstellen kann. Studien mit Messelektroden zeigten einen deutlich reduzierten Sauerstoffpartialdruck im Tumor im Vergleich zum umliegenden Hirngewebe. Dieses hypoxische Milieu löst genetische Alterationen und adaptive Veränderungen der Proteinexpression aus, die eine Selektion besonders aggressiver Tumorzellen bewirkt. Für eine bessere prognostische Einschätzung sowie als zukünftige therapeutische Ziele zur Erhöhung der Response auf Chemo- und Strahlentherapie ist es von großem Interesse, solche Faktoren als mögliche Hypoxiemarker aufzufinden. In dieser Arbeit wurden die Proteine HIF-1α, CAIX, VEGF, EPO und NDRG1 auf mRNA- und Proteinebene in den Glioblastomzelllinien GaMG, U251 und U373 auf eine Veränderung ihrer Expression unter hypoxischen Bedingungen untersucht. Ausmaß (5% O2, 1% O2 und 0,1% O2) und Dauer (1 h, 6 h und 24 h) der Hypoxie wurde variiert. Anschließend wurde über 24 h und 48 h eine Reoxygenierung durchgeführt. Auch wurden Expressionsuntersuchungen an Gewebeproben von Normalhirnen, Astrozytomen WHO Grad II und Glioblastomen vorgenommen. Die Verwendbarkeit von GAPDH als Marker für diese Analysen wurde durch Experimente sichergestellt, die dessen mRNA und das Protein als nicht durch Hypoxie oder Malignisierung reguliert nachwiesen. Wir bestätigten die Rolle von HIF-1α als Mediator der hypoxischen Zellantwort. Während die mRNA konstant blieb, wurde das Protein unter hypoxischen Bedingungen hochreguliert. Dies zeigte auch, dass unser experimentelles Setting funktionierte. NDRG1, CA-IX sowie EPO wurden unter Hypoxie sowohl auf mRNA-, als auch Proteinebene hochreguliert und blieben unter Reooxygenierung stabil. In Glioblastomen waren diese Gene auf mRNA-Ebene bedeutend stärker exprimiert als in niedriggradigen Astrozytomen. HIF-1α, NDRG1, CA-IX sowie EPO können also in humanen Glioblastomzellen als Hypoxiemarker dienen und möglicherweise auch eine prognostische und therapeutische Bedeutung haben. / Glioblastomas, making up 20 % of all brain tumours, are the most common and most malignant primary intracranial tumours. Multimodal treatment with surgery, chemotherapy, and radiotherapy currently gives patients a median survival time of only 14.6 months. Glioblastomas’ aggressive growth induces vascularization that is, however, inadequate to ensure normoxic conditions in the tumour tissue. Oxygen electrode measurements have shown significantly reduced pO2 in tumour tissue compared to surrounding brain tissue. Resulting hypoxia-induced genetic alterations and adaptive changes in protein expression lead to increased selection of aggressive tumour cells. As putative hypoxia markers, regulating factors are of interest for more accurate prognosis and as therapeutic targets in order to increase response to chemotherapy and radiotherapy. This work examines the proteins HIF-1α, CA-IX, VEGF, EPO, and NDRG1 in glioblastoma cell lines GaMG, U251, and U373 for changes in mRNA and protein expression under hypoxic conditions. Under our protocol, varying levels of hypoxia (5 % O2, 1 % O2, 0.1 % O2) and exposure (1, 6, and 24 h) were used. Subsequently, cells were reoxygenated for 24 and 48 hours, respectively. Expression analysis was done on normal brain tissue, WHO grade II astrocytoma, and glioblastoma. GAPDH was used as a marker for these analyses, its expression invariance on the mRNA and protein levels with respect to hypoxia as well as malignancy having been experimentally verified. We have identified HIF-1α as a mediator of cell responses to hypoxia. With stable mRNA expression, protein expression levels were elevated under hypoxic conditions, confirming the validity of the experimental setup. Hypoxic NDRG1, CA-IX, and EPO levels were elevated (mRNA and protein) and remained stable under reoxygenation. Expression of mRNA was significantly higher in glioblastoma than in low-grade astrocytoma. We conclude that HIF-1α, NDRG1, CA-IX, and EPO may be used as hypoxia markers in human glioblastoma cells and may be relevant for prognosis and therapy.

Attention deficit/hyperactivity disorder (ADHD), one of the most frequent childhood-onset, chronic and lifelong neurodevelopmental diseases, affects 5 - 10% of school – aged children and adolescents, and 4% of adults. The classified basic symptoms are - according to the diagnostic system DSM-VI - inattentiveness, impulsivity and hyperactivity. Also daily life of patients is impaired by learning problems, relationship crises, conflicts with authority and unemployment, but also comorbidities like sleep - and eating problems, mood - and anxiety disorders, depression and substance abuse disorders are frequently observed. Although several twin and family studies have suggested heritability of ADHD, the likely involvement of multiple genes and environmental factors has hampered the elucidation of its etiology and pathogenesis. Due to the successful medication of ADHD with dopaminergic drugs like methylphenidate, up to now, the search for candidate genes has mainly focused on the dopaminergic and - because of strong interactions - the serotonergic system, including the already analyzed candidate genes DAT1, DRD4 and 5, DBH or 5-HTTLPR. Recently, DNA copy number changes have been implicated in the development of a number of neurodevelopmental diseases and the analysis of chromosomal gains and losses by Array Comparative Genomic Hybridization (Array CGH) has turned out a successful strategy to identify disease associated genes. Here we present the first systematic screen for chromosomal imbalances in ADHD using sub-megabase resolution Array CGH. To detect micro-deletions and -duplications which may play a role in the pathogenesis of ADHD, we carried out a genome-wide screen for copy number variations (CNVs) in a cohort of 99 children and adolescents with severe ADHD. Using high-resolution aCGH, a total of 17 potentially syndrome-associated CNVs were identified. The aberrations comprise four deletions and 13 duplications with approximate sizes ranging from 110 kb to 3 Mb. Two CNVs occurred de novo and nine were inherited from a parent with ADHD, whereas five are transmitted by an unaffected parent. Candidates include genes expressing acetylcholine-metabolising butyrylcholinesterase (BCHE), contained in a de novo chromosome 3q26.1 deletion, and a brain-specific pleckstrin homology domain-containing protein (PLEKHB1), with an established function in primary sensory neurons, in two siblings carrying a 11q13.4 duplication inherited from their affected mother. Other genes potentially influencing ADHD-related psychopathology and involved in aberrations inherited from affected parents are the genes for the mitochondrial NADH dehydrogenase 1 alpha subcomplex assembly factor 2 (NDUFAF2), the brain-specific phosphodiesterase 4D isoform 6 (PDE4D6), and the neuronal glucose transporter 3 (SLC2A3). The gene encoding neuropeptide Y (NPY) was included in a ~3 Mb duplication on chromosome 7p15.2-15.3, and investigation of additional family members showed a nominally significant association of this 7p15 duplication with increased NPY plasma concentrations (empirical FBAT, p = 0.023). Lower activation of the left ventral striatum and left posterior insula during anticipation of large rewards or losses elicited by fMRI links gene dose-dependent increases in NPY to reward and emotion processing in duplication carriers. Additionally, further candidate genes were examined via Matrix assisted laser desorption/ionization time of flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS). This method enables the analysis of SNPs directly from human genomic DNA without the need for initial target amplification by PCR. All these findings implicate CNVs of behavior-related genes in the pathogenesis of ADHD and are consistent with the notion that both frequent and rare variants influence the development of this common multifactorial syndrome. The second part of this work concentrates on MLC1, a gene associated with Megalencephalic leukoencephalopathy with subcortical cysts, located on chromosome 22q13.33. To get more insight in the disease itself, a targeting vector for a conditional knockout mouse was constructed using homologous recombination. Furthermore, MLC1 has been suggested as a risk gene for schizophrenia, especially the periodic catatonia subtype. An initially identified missense mutation was found to be extremely rare in other patient cohorts; however, a recent report again argued for an association of two intronic MLC1 SNPs with schizophrenia and bipolar disorder. A case-control study of these polymorphisms as well as SNPs in the transcriptional control region of MLC1 was conducted in 212 chronic schizophrenic patients, 56 of which suffered from periodic catatonia, 106 bipolar patients, and 284 controls. Both intronic and promoter polymorphisms were specifically and significantly associated with periodic catatonia but not schizophrenia or bipolar disorder in general. A haplotype constructed from all polymorphisms was also associated with periodic catatonia. The MLC1 variation is associated with periodic catatonia; whether it constitutes a susceptibility or a modifier gene has to be determined. / Aufmerksamkeitsdefizit/Hyperaktivitätssyndrom (ADHS) ist eine bereits im Kindesalter beginnende, chronische und lebenslängliche psychische Krankheit, die zu 5 - 10% Kinder und Jugendliche sowie zu 4% Erwachsene betrifft. Die klassifizierten Grundsyndrome sind laut dem diagnostischen System DSM-IV Unaufmerksamkeit, Impulsivität und Hyperaktivität. Auch der Alltag der Patienten ist aufgrund von Lernschwierigkeiten, Konflikten in der Beziehung, Autoritätsproblemen und Arbeitslosigkeit beeinträchtigt. Zudem werden häufig Komorbiditäten wie Schlaf- und Essprobleme, Stimmungs- und Angsterkrankungen, Depressionen sowie Alkohol- und Drogenmissbrauch beobachtet. Obwohl Zwillings- und Familienstudien auf die Vererbbarkeit von ADHS hinweisen, erschweren mehrere Gene und Umweltfaktoren die Aufklärung der Ätiologie und Pathogenese. Aufgrund der erfolgreichen Behandlung von ADHS mit dopaminergen Medikamenten wie Methylphenidat liegt der Fokus bei der Suche nach neuen Kandidatengenen hauptsächlich beim dopaminergen und, aufgrund der starken Interaktionen, beim serotonergen System, einschließlich der bereits analysierten Gene DAT1, DRD4 und 5, DBH oder 5-HTTLPR. Copy Number Changes sind in die Entstehung einer Vielzahl von Krankheiten mit einer Störung der Entwicklung des zentralen Nervensystems impliziert. Die Analyse von chromosomalen Deletionen oder Duplikationen durch Array Comparative Genomic Hybridization (Array CGH) hat sich als eine erfolgreiche Strategie herausgestellt, um krankheitsassoziierte Gene zu identifizieren. Diese Arbeit ist der erste systematische Screen für den Nachweis von chromosomalem Ungleichgewicht bei ADHS mit Hilfe von Array CGH. Um Mikrodeletionen und -duplikationen zu entdecken, die in der Pathogenese von ADHS eine Rolle spielen könnten, haben wir einen genomweiten Screen für Copy Number Variations (CNVs) an einer Gruppe mit 99 an ADHS erkrankten Kindern und Jugendlichen durchgeführt. Durch Hochauflösungs-Array CGH wurden insgesamt 17 potentielle Syndrom assoziierte CNVs identifiziert. Diese Aberrationen beinhalten vier Deletionen und 13 Duplikationen mit einer Größe von etwa 100 kb bis zu 3 Mb. Zwei CNVs sind de novo, neun wurden von einem ebenfalls an ADHS erkrankten Elternteil vererbt und fünf von einem nicht betroffenen Elter übertragen. Kandidatengene sind u. a. die Acetylcholin metabolisierende Butyrylcholonesterase (BCHE), welche de novo in einer Deletion auf Chromosom 3q26.1 auftritt, und das Gehirn spezifische Pleckstrin homology domain-containing Protein (PLEKHB1) mit einer bekannten Funktion in den primären sensorische Neuronen, welches von der an ADHS erkrankten Mutter an zwei Geschwister in einer 11q13.4 Duplikation vererbt wurde. Weitere Gene, die möglicherweise die Psychopathologie von ADHS beeinflussen und von einem betroffenen Elternteil in einer Aberration vererbt wurden, sind die Gene für die mitrochondriale NADH Dehydrogenase 1 Alpha Subcomplex Assembly Factor 2 (NDUFAF2), die Gehirn spezifische Phosphodiesterase 4D Isoform 6 (PDE4D6) und der neuronale Glukosetransporter 2 (SLC2A3). Das Gen, welches Neuropeptid Y (NPY) codiert, wurde in einer ~3 Mb großen Duplikation auf Chromosom 7p15.2-15.3 gefunden. Eine Untersuchung zusätzlicher Familienmitglieder zeigte eine nominell signifikante Assoziation dieser 7q15 Duplikation mit einer gesteigerten NPY Plasmakonzentration (empirischer FBAT, p = 0.023). Zusätzlich wurden weitere Kandidatengene durch Matrix-unterstützte Laser-Desorption/Ionisation-Massenspektrometrie (MALDI-TOF MS) untersucht. Diese Methode ermöglicht die Analyse von SNPs direkt von der humanen genomischen DNS ohne vorherige Target Amplifikation durch PCR. All diese Ergebnisse schließen CNVs von verhaltensverbundenen Genen in die Pathogenese von ADHS mit ein und stimmen außerdem mit der These überein, dass sowohl häufige wie auch seltene Variationen die Entwicklung dieses häufig auftretenden, multifaktoriellen Syndroms beeinflussen. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit dem Gen MLC1, das mit „Megalenzephaler Leukoenzephalopathie mit subkortikalen Cysten“ assoziiert und auf Chromosom 22q13.33 lokalisiert ist. Um mehr Einblick in diese Krankheit zu erlangen wurde ein spezieller Zielvektor für eine konditionale Knockout Maus durch homologe Rekombination erstellt. Zusätzlich wird angenommen, dass MLC1 ein Risikogen für Schizophrenie sein könnte, v. a. für den periodisch katatonischen Subtyp. Eine früher identifizierte Missense Mutation wurde extrem selten in anderen Patientenkohorten gefunden. Ein kürzlich veröffentlichter Bericht hingegen plädiert für eine Assoziation von zwei intronischen MLC1 SNPs mit Schizophrenie und manisch-depressiver Erkrankung. Eine Fall-Kontroll-Studie über diese Polymorphismen sowie über die SNPs der transkriptionalen Kontroll-Region von MLC1 wurde an 212 chronischen Schizophrenie-Patienten durchgeführt, von denen 56 an periodischer Katatonie leiden und 106 manisch-depressiv waren, sowie an 284 Kontrollen. Sowohl die intronischen Polymorphismen als auch die der Promotorregion waren spezifisch und signifikant mit periodischer Katatonie assoziiert, allerdings nicht mit Schizophrenie oder manisch-depressiver Erkrankung im Allgemeinen. Ein Haplotyp aus allen Polymorphismen konnte ebenfalls mit periodischer Katatonie assoziiert werden. Diese MLC1 Variation scheint somit mit periodischer Katatonie verknüpft zu sein. Ob es ein Suszeptibilitäts- oder ein Modifikatorgen darstellt, muss allerdings noch genauer bestimmt werden.

Das Masernvirus (MV) ist ein negativ-strängiges RNA-Virus aus der Familie der Paramyxovi-ridae und zählt immer noch zu den häufigsten Todesursachen bei Kindern in Entwicklungs-ländern. Nach dem Eintritt in den Körper führt eine Infektion von CD150-exprimierenden B- und T-Lymphozyten sowie dendritischen Zellen (DCs) und Monozyten bzw. Makrophagen zu einer systemischen Infektion. Viele Mitglieder der Familie der APOBEC-Proteine („apolipoprotein B mRNA editing enzyme, catalytic polypeptide-like proteins“), u. a. auch APOBEC3G, werden als Teil der angeborenen Immunantwort in diesen Zellen und infizierten Geweben exprimiert. In früheren Studien wurde bereits gezeigt, dass diese Proteine durch ihre RNA-bindenden Eigenschaften und ihre Fähigkeit zur Desaminierung von Cytosin zu Uracil zu einer Inhibition von verschiedenen Retroelementen und Retroviren, wie beispielsweise den „long interspersed nuclear elements 1“ und dem humanen Im-mundefizienz-Virus (HIV) führen. Das Ziel dieser Arbeit war es, mögliche antivirale Mechanismen von humanem APOBEC3G gegen das MV als Vertreter der negativ-strängigen RNA-Viren zu identifizieren. Hierzu wurden rekombinante MV-Wildtyp und -Impfstämme, sowie APOBEC3G-überexprimierende Vero-Zelllinien verwendet. Es zeigte sich, dass die Replikation des verwendeten rekombinanten Masern Wildtyp- und Impfvirus durch humanes APOBEC3G inhibiert wird. Diese Inhibition äußerte sich in einer reduzierten Synzytienbildung, einer mindestens 50 %igen Reduktion viral-exprimierter Proteine, sowie in einer 90-99 %igen Reduktion der auf APOBEC3G-exprimierenden Zellen entstandenen viralen Titer. Durch Sequenzanalysen konnte festgestellt werde, dass es zu einem Anstieg von 0,2 auf 0,95 unspezifischer Mutationen pro 1.000 Basenpaaren in MV-Transkripten kam, deren Muster mit dem in Kontrollzellen vergleichbar war, wohingegen typische C zu U(T) bzw. G zu A Hypermutationen nicht auftraten. Eine Kolokalisation von humanem APOBEC3G mit MV-spezifischen Proteinen konnte ebenfalls nicht eindeutig beobachtet werden. Es zeigte sich allerdings, dass APOBEC3G an virale RNA binden konnte. Außerdem wurde APOBEC3G in aufgereinigten viralen Partikeln um etwa den Faktor 4 angereichert. Versuche mit einem MV-Minireplikon-System ergaben, dass APOBEC3G eine Inhibition der viralen RNA-abhängigen RNA-Polymerase bewirkt, vermutlich aufgrund der Fähigkeit des Proteins an virale RNA zu binden. Immunfluoreszenzfärbungen mit mutierten APOBEC3G-Proteinen haben auch in die-ser Arbeit erneut belegt, dass der RNA-bindenden Desaminase-Domäne bei der zellulären Lokalisation des Proteins eine besondere Rolle zukommt, da einige Mutationen innerhalb dieses Bereiches zu einem hohen Verlust der Proteinexpression sowie zu einer Ansammlung der mutierten Proteine am rauen endoplasmatischen Retikulum führen. Die in dieser Arbeit gezeigte Inhibition der Replikation von MV durch humanes APO-BEC3G lässt eine generelle antivirale Aktivität von Mitgliedern der APOBEC-Familie gegen negativ-strängige RNA-Viren vermuten, welche auf der Fähigkeit des Proteins beruht RNA zu binden. Weitere Untersuchungen bezüglich der Inhibition anderer Vertreter der Mononegavirales durch verschiedene APOBEC-Proteine könnten Aufschluss über die beteiligten Mechanismen geben. / Measles virus (MV) is a negative-strand RNA virus which belongs to the family Para-myxoviridae and remains one of the leading causes of morbidity and mortality in the develop-ing world. Following entry of MV into the body, infection of CD150-positive B- and T-cells as well as dendritic cells and monocytes/macrophages leads to a systemic infection. Members of the APOBEC-protein family (apolipoprotein B mRNA editing enzyme, catalytic polypeptide-like proteins), such as APOBEC3G, are expressed in these cells and infected tissues and form an important component of the innate immune response to viral infections. A number of studies have previously demonstrated that these proteins are able to inhibit various retroelements and retroviruses, such as long interspersed nuclear elements 1 and human immunodeficiency virus (HIV). This inhibition is based on their ability to bind RNA and to deaminate cytosine to uracil. The goal of this thesis was to identify possible antiviral mechanisms of human APOBEC3G against MV as an example for negative-strand RNA viruses. This was achieved through the use of recombinant wild-type and vaccine strains of MV and Vero cell lines overexpressing APOBEC3G. We could show that the replication of recombinant wild-type and vaccine strains of MV was inhibited by APOBEC3G, resulting in a 50 % reduction in the expression of viral proteins and syncytia formation, and a 90 to 99 % reduction in viral titers produced following infection of APOBEC3G expressing cells. Sequence analysis revealed that random mutations in viral transcripts increased from 0.2 to 0.95 mutations per 1000 bp and that the pattern of mutations was similar to that in control cells. Although typical C to U(T) or G to A hypermutations and co-localization of APOBEC3G and MV-specific proteins were not observed, APOBEC3G was able to bind viral RNA and was found to be enriched approximately 4-fold in viral particles. Further studies with a MV-specific minireplicon-system revealed that APOBEC3G led to an impairment of the viral RNA-dependent RNA-polymerase, probably due to the ability of the protein to bind RNA. Immunofluorescence immunostaining of mutated APOBEC3G-proteins showed that the RNA binding deaminase domain plays an important role in determining the cellular localization of the protein. Amino-acid changes in this domain led to a considerable loss of protein expression and to accumulation of the mutated proteins at the rough endoplasmic reticulum. The inhibition of MV replication described here suggests a general antiviral activity of members of the APOBEC family against negative-strand RNA viruses, based on the ability of these proteins to bind RNA. Further examinations including other members of the Mononegavirales may provide novel insights into the underlying mechanisms leading to inhibition of viral replication.

Die vorliegende Arbeit beschäftigte sich mit der Wirkung von Antidepressiva auf K2P-Kanäle. Sie stellen wie spannungsabhängige Ca2+, Na+ und K+-Kanäle als neuronale Ionenkanäle aufgrund ihrer Expressionsmuster und physiologischen Eigenschaften potentielle Zielproteine für Antidepressiva dar. Darum werden K2P-Kanäle in heterologen Expressionssystemen von klinisch verabreichten Antidepressiva inhibiert. Die K2P-Kanäle TREK-1, TASK-1 und THIK-1 zeigten sich in dieser Arbeit alle sensitiv auf das Antidepressivum Fluoxetin, welches die Kaliumströme der Kanäle unterschiedlich stark inhibierte. Hierbei lieferten die vorliegenden Untersuchungen den Nachweis, dass TREK-1 auf Fluoxetin am meisten, THIK-1 am wenigsten sensitiv reagiert. Der humane TREK-1 wird durch Fluoxetin in den Expressionssystemen Oozyten und HEK-Zellen zu fast 80% inhibiert, wobei bei der humanen Zelllinie nur ein Zehntel der vorher eingesetzten Antidepressivakonzentration für die gleiche Inhibition des Auswärtsstroms notwendig war. Die vorliegende Arbeit weist Inhibitionen des Kanals bei einer Fluoxetinkonzentration von 1 µM nach, was der Serumkonzentration von depressiven Patienten entspricht. Zudem wird TREK-1 durch die Antidepressiva Maprotilin, Mirtazapin, Citalopram, Doxepin und Venlafaxin inhibiert, wobei letzteres kaum eine Wirkung zeigt. Alle verwendeten Antidepressiva nutzen die gleichen Angriffspunkte am Kanalprotein, da es bei einer Koapplikation mit einem weiteren Antidepressivum oder Benzodiazepin zu keiner Inhibitionsverstärkung kommt. Die Interaktion zwischen Antidepressivum und Kanalprotein verläuft mit großer Wahrscheinlichkeit direkt und ohne „second-messenger-Wege“. Hierbei konnten die porenformende Region und der C-Terminus des Kanals als Interaktionspartner ausgeschlossen werden. Der Mechanismus der alternativen Translations-Initiaton generiert zwei unterschiedliche Proteinprodukte aus einem TREK-1 Transkript, eine lange Version des Proteins mit 426 Aminosäuren und zusätzlich eine kurze Version mit 374 Aminosäuren, welcher die ersten 52 N-terminalen Aminosäuren fehlen. Die Fluoxetin-Sensitivität von TREK-1 [N52] verringert sich um 70%. Dies verdeutlicht, dass die ersten 52 Aminosäuren essentiell zur TREK-1 Interaktion mit Antidepressiva beitragen. / The study at hand is about the effect of antidepressants on K2P-channels. As neuronal ion-channels like voltage-gated Ca2+, Na+ and K+-channels, the K2P-channels constitute a potential target for antidepressants because of their tissue expression and physiological characteristics. Clinically prescribed antidepressants inhibit the K2P-channels in heterologous expression systems for that reason. In our experiments the K2P-channels TREK-1, TASK-1 and THIK-1 were sensitive to the antidepressant Fluoxetine, which inhibited the potassium current in different ways. The study provides evidence that TREK-1 reacts to Fluoxetine most sensitively whereas THIK-1 reacts least. The humane TREK-1 is inhibited up to 80% by Fluoxetine in expression systems oocytes and HEK-cells, in which only a tenth of the antidepressant concentration induced the same current inhibition. Our experiments showed already a channel block already at 1 µM Fluoxetine concentration, which is conform to the antidepressant serum concentration of depressive patients. Furthermore TREK-1 is inhibited by the antidepressants Maprotiline, Mirtazapine, Citalopram, Doxepin and Venlafaxine, whereas the last one showed least effects. The used antidepressants occupy the same targets at the channel protein, because a coapplication with a further antidepressant or benzodiazepine didn´t increase the maximum channel block. The interaction between antidepressant and channel protein is working directly without second messenger pathway. The pore forming region and the C-terminus of the channels could be excluded as interaction partner. Alternative translation initiation (ATI) generates two different protein products from a single transcript of TREK-1, a long version of the protein with 426 amino acids and in addition a short version with 374 amino acids, lacking the first 52 amino acids at the N-terminus. The sensitivity of TREK-1[N52] to fluoxetine declined by 70% indicating that the first 52 amino acids essentially contribute to the interaction of TREK-1 with the antidepressant.

Formation oft the central nervous system (CNS) from multipotent neuronal stem cells (NSCs) requires a tightly controlled, step-wise activation of the neuronal gene expression program. Expression of neuronal genes at the transition from neural stem cell to mature neuron (i. e. neuronal cell differentiation) is controlled by the Repressor element 1 (RE1) silencing transcription factor (REST) complex. As a master transcriptional regulator, the REST-complex specifically inhibits expression of neuronal genes in non-neuronal tissues and neuronal progenitor cells. Differentiation of NSCs to mature neurons requires the activation of genes controlled by the REST-complex, but how abrogation of REST-complex mediated repression is achieved during neurogenesis is only poorly understood. MicroRNAs (miRNAs) are a class of small regulatory RNAs that posttranscriptionally control target gene expression. Binding of miRNAs to target sequences in the 3’UTR of mRNAs, leads either to degradation or translational inhibition of the mRNA. Distinct neuronal miRNAs (e.g. miR-124) were shown to modulate REST-complex activity by silencing expression of REST-complex components. Interestingly, these miRNAs are also under transcriptional control of the REST-complex and inactivation of the REST-complex precedes their expression. Hence, additional factors are required for derepression of neuronal genes at the onset of neurogenesis. In this study function of the miR-26 family during neurogenesis of the zebrafish (Danio rerio) was analyzed. Computational target prediction revealed a number of REST-complex components as putative miR-26 targets. One of these predicted target genes, the C-terminal domain small phosphatase 2 (Ctdsp2) was validated as an in vivo target for miR-26b. Ctdsps are important cofactors of REST and suppress neuronal gene expression by dephosphorylating the C-terminal domain (CTD) of RNA polymerase II (Pol II). Interestingly, miR-26b is encoded in an intron of the ctdsp2 primary transcript and is cotranscribed together with its host gene. Hence, miR-26b modulates expression of its host gene ctdsp2 in an intrinsic negative autoregulatory loop. This negative autoregulatory loop is inactive in NSCs because miR-26b biogenesis is inhibited at the precursor level. Generation of mature miR-26b is activated during neurogenesis, where it suppresses Ctdsp2 protein expression and is required for neuronal cell differentiation in vivo. Strikingly, miR-26b is expressed prior to miR-124 during neuronal cell differentiation. Thus, it is reasonable to speculate about a function of miR-26b in early events of neurogenesis. In line with this assumption, knockdown of miR-26b in zebrafish embryos results in downregulation of REST-complex controlled neuronal genes and a block in neuronal cell differentiation, most likely due to aberrant regulation of Ctdsp2 expression. This is evident by reduced numbers of secondary motor neurons compared to control siblings. In contrast, motor neuron progenitor cells and glia cells were not affected by depletion of miR-26b.This study identifies the ctdsp2/miR-26b autoregulatory loop as the first experimentally validated interaction between an intronic miRNA and its host gene transcript. Silencing of ctdsp2 by miR-26b in neurons is possible because biogenesis of the ctdsp2 mRNA and mature mir-26b is uncoupled at the posttranscriptional level. Furthermore the obtained data indicate a cell type specific role for miR-26b in vertebrate neurogenesis and CNS development. / Die Entwicklung des Zentralen Nervensystems (ZNS) aus multipotenten neuronalen Stammzellen erfordert eine stufenweise und genau regulierte Aktivierung der neuronalen Genexpression. Bei der Differenzierung neuronaler Stammzellen zu Neuronen wird die Expression neuronaler Gene durch den sogenannten „Repressor element 1 (RE1) silencing transcription factor (REST)”-Komplex gesteuert. Der REST-Komplex unterdrückt spezifisch in proliferierenden neuronalen Vorläuferzellen die Expression neuronaler Gene. Während der neuronalen Zelldifferenzierung wird die Expression dieser Gene jedoch benötigt. Wie die Inaktivierung neuronaler Gene durch den REST-Komplex während des Prozesses der Neurogenese aufgehoben wird ist bislang nicht genau bekannt. MicroRNAs (miRNAs) sind kleine regulatorische RNAs, die die Expression ihrer Zielgene auf posttranskriptioneller Ebene regulieren. Dazu binden miRNAs an Zielsequenzen in 3’UTRs von mRNAs, was zu einer Inhibition der Translation oder Abbau der mRNA führt. Auch Komponenten des REST-Komplexes stehen unter Kontrolle bestimmter neuronaler miRNAs (z.B. miR-124). Erstaunlicherweise stehen diese miRNAs selber wiederum unter der transkriptionellen Inhibition des REST-Komplexes und können daher nicht für die Inaktivierung des REST-Komplexes zu Beginn der Neurogenese verantwortlich sein. Übereinstimmend damit konnte beobachtet werden, dass der REST-Komplex aus differenzierenden Zellen entfernt wird, bevor die genannten neuronalen miRNAs exprimiert werden. Diese Umstände legen die Existenz weiterer, bis jetzt unbekannter Faktoren nahe, die die Expression des REST-Komplexes selber inhibieren und so die Neurogenese erlauben Im Rahmen dieser Dissertation wurde die Funktion der miR-26 Familie während der Neurogenese des Zebrafisches (Danio rerio) untersucht. Eine bioinformatische Zielgenvorhersage für die miR-26 Familie ergab, dass unter anderem zahlreiche bekannte Komponenten des REST-Komplexes unter den Kandidatengenen sind. Für eines dieser vorhergesagten Zielgene, die sogenannte „C-terminal domain small phosphatase 2 (Ctdsp2)” wurde daraufhin gezeigt, dass seine Expression in der Tat durch die miR-26b inhibiert wird. Ctdsps sind wichtige Kofaktoren des REST-Komplexes und unterdrücken die Expression neuronaler Gene, indem die die C-terminale Domäne (CTD) der RNA Polymerase II dephosphorylieren und diese dadurch inaktivieren. In diesem Zusammenhang von besonderer Bedeutung ist die Tatsache, dass die miR-26b in einem Intron des ctdsp2 Gens kodiert ist und mit ctdsp2 zusammen transkribiert wird. Folglich beeinflusst die miR-26b die Expression ihres eigenen „Host genes“ in einer Art autoregulativer Rückkopplungsschleife. Die beschriebene negative Regulation ist in neuronalen Stammzellen nicht aktiv, da dort die Biogenese der miR-26b auf Vorläuferebene angehalten wird. Reife miR-26b wird erst während der Neurogenese produziert, wo sie daraufhin die Expression von Ctdsp2 Protein verhindert. Während der neuronalen Zelldifferenzierung wird die miR-26b deutlich früher exprimiert als zum Beispiel die miR-124. Daher liegt es nahe eine Funktion der miR-26b während früher Prozesse in der Neurogenese anzunehmen. In Übereinstimmung mit dieser Annahme führt ein „Knockdown“ der miR-26b zu einer schwächeren Expression von neuronalen Genen, die unter der Kontrolle des REST-Komplex stehen. Weiterhin führt ein reduziertes Maß an miR-26b zu fehlerhafter oder gänzlich ausbleibender neuronaler Zelldifferenzierung. Dies konnte anhand einer verringerten Anzahl differenzierter spinaler Motorneuronen aufgezeigt werden. Die Vorläufer dieser Motorneuronen und Gliazellen waren hingegen vom miR-26b-„Knockdown“ nicht beeinflusst. Die hier präsentierte Studie zeigt erstmals in experimenteller Weise das Vorhandensein einer direkten Interaktion zwischen einer intronischen miRNA und ihrem eigenen Primärtranskript. Die negative Regulation der Ctdsp2 Expression in Neuronen wird erst dadurch möglich, dass die Biogenese der ctdsp2 mRNA und der reifen miR-26b durch einen posttranskriptionellen Mechanismus voneinander getrennt werden. Weiterhin legen die Daten aus dieser Studie nahe, dass die miR-26b in der Tat eine spezifische Funktion in der Entwicklung des ZNS von Vertebraten hat.