1) Wenn der Erhalt der biologischen Vielfalt gesellschaftliche Zielvorgabe ist und dafür landwirtschaftlich genutzte Flächen einbezogen werden sollen, sind Maßnahmen zu präferieren, deren Opportunitätskosten gering sind. Diese Arbeit stellt den Versuch dar, solche Maßnahmen am Beispielsystem „Weinbau“ zu entwickeln. 2) Die Anbauform „Weinbau“ ist für diese Studie aus folgenden Gründen besonders geeignet: Rebflächen sind an Standorte mit besonderen klimatischen Bedingungen gebunden, die ebenfalls für Lebensgemeinschaften von Bedeutung sind, die in Deutschland als besonders gefährdet gelten (thermophile und xerothermophile Gemeinschaften). Auch die speziellen, früher artenreichen „Weinbergsgesellschaften“ (Flora und Fauna) verdienen besondere Beachtung; zudem ist in Unterfranken eine starke räumliche Beziehung zwischen Naturschutzgebieten, die thermophile und xerothermophile Artengemeinschaften schützen sollen, und umgebenden Rebflächen gegeben. Weiterhin erscheinen Rebflächen durch die Trennung der Anbaufläche in die Bereiche „Zeile“ (die den linienförmig angepflanzten Reben entspricht) und „Gasse“ (ein etwa zwei Meter breiter Streifen zwischen den Zeilen) hervorragend geeignet, landwirtschaftliche Produktion und biodiversitäts-orientierte Maßnahmen zu verbinden. 3) In der Region „Mainfranken“ (Deutschland, Bayern) wurden drei Vergleichsflächenpaare in Ertragsrebflächen ausgewählt, die einerseits praxisüblich, andererseits nach den Vorschriften des „ökologischen Landbaus“ i.S. des BML wirtschaften. 4) In der naturschutzfachlichen Analyse wurden folgende Gesellschaften der Vergleichsflächen faunistisch untersucht: bodenaktive (epigäische) Spinnen (Araneae), Laufkäfer (Carabidae), Zikaden (Auchenorrhyncha) und Heuschrecken (Saltatoria). Im betriebswirtschaftlichen Teil wurde nach Literaturdaten und Arbeitstagebüchern die Außenwirtschaft der Weinbaubetriebe analysiert. Beide Datengruppen wurden zusammengeführt, um die Auswirkungen betrieblicher Maßnahmen der Außenwirtschaft sowohl im Hinblick auf ihre naturschutzfachliche als auch betriebswirtschaftliche Wirksamkeit zu ermitteln und hieraus Umstellungsstrategien im Weinbau abzuleiten. Zudem wurden die monetären Differenzen quantifiziert, um die Höhe etwaiger Ausgleichszahlungen bestimmen zu können. 5) Die naturschutzfachliche Analyse zeigte, dass mit Ausnahme der Heuschrecken alle Gruppen eine starke Förderung durch den ökologischen Anbau erfuhren; die Förderung betraf sowohl die allgemeine Diversität wie naturschutzfachlich bedeutsame Arten. Diese Effekte konnten vor allem auf den Faktor „Einführung einer struktur- und artenreichen Dauerbegrünung“ sowie auf die Etablierung ungestörter Rückzugsbereiche zurückgeführt werden. Die Veränderungen des Pflanzenschutzes wurden als nicht wirksam eingestuft, die Kupferbehandlungen im ökologischen Weinbau werden sogar als problematisch angesehen. Weiterhin wurde die Maßnahme „Mulchen“ des ökologischen Weinbaus als problematische Maßnahme der Begrünungspflege identifiziert. 6) Die betriebswirtschaftliche Analyse zeigte, dass für die Ertragssituation der Betriebe vor allem der Pflanzenschutz bedeutsam ist. Von der Einführung einer Dauerbegrünung gehen moderate Effekte aus, die zudem oftmals auf eine „Umstellungsphase“ befristet sind. 7) In der Zusammenführung beider Analysen wird ein Anbauschema vorgeschlagen, dass ein modifiziertes Begrünungsmodell nach ökologischer Wirtschaftsweise mit einem modifizierten Pflanzenschutzsystem nach praxisüblicher Wirtschaftsweise kombiniert. Die Kalkulation eines solchen Systems zeigt, dass auf Ausgleichszahlungen verzichtet werden könnte, bzw. geleistete Zahlungen nicht als Kompensation i.e.S., sondern als Anreizzahlungen zu verstehen wären. 8) Die Notwendigkeit einer Überprüfung des entwickelten Schemas in einem Konversionsexperiment wird dargelegt. / 1) Conservation goals on private land need measures that cause low opportunity costs. The aim of this study was to develop such measures using viniculture as study system. 2) Viniculture was chosen, since: (i) vineyards are located in regions where thermophilous species assemblages exist; these assemblages are among the most threatened assemblages in Germany; (ii) there is a strong spacial relationship between conservation areas and surrounding vineyards in Lower Franconia; (iii) vine is planted in rows separated by stripes of up to 3 m width; these stripes allow a broad array of management practises, and some of them may be useful in supporting species diversity. 3) Three matched pairs of vineyards in Lower Franconia (Germany, Bavaria) under conventional and organic cultivation, respectively, were chosen as study sites. 4) Two comparisons were done: The effects of differential agricultural treatment were analyzed (i) faunistically using epigaeic spiders (Araneae), ground beetles (Carabidae), plant hoppers (Auchenorrhyncha) and locusts (Saltatoria) as indicator groups; and (ii) economically using data from the literature and working-logs of the winegrowers covering all relevant expenses and earnings (including pesticide use, management of the ground cover, soil management and quantitative and qualitative yields). 5) In three taxa substantial quantitative (i.e. overall species diversity and abundance) and qualitative (i.e. diversity and abundance of endangered species) positive effects of the organic cultivation could be proven; only for grasshoppers no benefit for endangered species was detected. Effective factors were the establishment of an herbaceous ground cover and the retention of undisturbed areas within the vineyard. Plant protection seemed not to contribute to the promotion of biodiversity under organic cultivation; in the case of copper treatments, even adverse effects on biodiversity are discussed. Another critical treatment was “mulching” (the cutting and chopping of the ground cover with horizontally rotating machines, only conducted in the organically managed vineyards). 6) Analyzing expenses and earnings showed that the differences in plant protection are the main factors contributing to differences in yields (which are less in organic farming). The negative effects of herbaceous ground cover on yields due to water losses are less severe, and often restricted to a transitional period. 7) Combining the results of both analyses’ leads to the following recommendations: A modified soil and ground cover management according to organic cultivation should be combined with a modified plant protection system according to conventional standards. The calculation of the then resulting expenses and earnings shows that no compensation payments are necessary. 8) The need for an experimental verification of the recommended measures is emphasized.

Die pmn-Maus dient als Modell für degenerative Motoneuronerkrankungen: Während heterozygote Mäuse klinisch unauffällig sind, entwickeln homozygote einige Anzeichen, wie man sie auch bei humanen Motoneuronerkrankungen findet. Ab der 2. postnatalen Woche weisen sie eine progrediente Schwäche der Hinterläufe auf. Innerhalb kurzer Zeit sind auch andere Muskelgruppen betroffen, was zwischen der 4. und 6. postnatalen Woche zum Tod durch Atemversagen führt. Verantwortlich für die Erkrankung der pmn-Mäuse ist eine Punktmutation im Tubulin-spezifischen Chaperon E (tbce) Gen, die zu einem Aminosäureaustausch an einer evolutionär konservierten Aminosäure im TBCE-Protein führt. TBCE wird ubiquitär exprimiert und spielt eine Rolle bei der Assemblierung der Mikrotubuli. Phänotypisch sind von der Mutation spezifisch Motoneurone betroffen. Nach der Herstellung und Charakterisierung eines Antiserums gegen TBCE war es möglich, nach Unterschieden zwischen pmn-mutierten und wildtypischen Motoneuronen hinsichtlich der Stabilität und der subzellulären Lokalisation des TBCE Proteins zu suchen. Western Blot Analysen mit Rückenmarkslysaten von vier Wochen alten pmn-Mäusen zeigen eine deutliche Reduktion der TBCE-Expression. Mittels Immunfluoreszenz waren in isolierten embryonalen Motoneuronen indes keine Unterschiede hinsichtlich der Expressionsstärke und der subzellulären Lokalisation festzustellen. Das TBCE-Protein wird überwiegend im Zellsoma exprimiert und befindet sich dort im Golgi-Apparat und an den Centrosomen, die als Generatoren der axonalen Mikrotubuli angesehen werden. Obwohl mittels Immunfluoreszenz zu diesem Zeitpunkt keine Unterschiede detektierbar sind, weisen die pmn-mutierten Motoneurone nach sieben Tagen in Kultur einige axonale Pathologien auf, wenn sie in Gegenwart des neurotrophen Faktors BDNF kultiviert werden: Das Längenwachstum der Axone ist deutlich reduziert und entlang der Axone finden sich zahlreiche axonale Schwellungen mit Proteinaggregaten. Elektronenmikroskopisch findet sich eine Reduktion der Mikrotubulianzahl im proximalen Axonabschnitt, während die medialen und distalen Teile eine unveränderte Anzahl an Mikrotubuli aufweisen. Parallel findet sich in allen Axonabschnitten der pmn-mutierten Motoneurone eine deutliche Zunahme an Neurofilamenten. Neben den morphologischen Veränderungen weisen die Motoneurone aus pmn-Mäusen zu diesem Zeitpunkt auch eine Störung im axonalen Transport der Mitochondrien auf, die in den Axonen saltatorisch und bidirektional entlang von Mikrotubuli transportiert werden, auf. So ist die Anzahl stationärer Mitochondrien in pmn-mutierten Motoneuronen signifikant erhöht, während die Anzahl an transportierten Mitochondrien und deren maximale Transportgeschwindigkeit reduziert ist. Die morphologischen Veränderungen und die Störungen im axonalen Transport können kompensiert werden, wenn die pmn-mutierten Motoneurone statt mit BDNF mit dem neurotrophen Faktor CNTF kultiviert werden. Die Effekte von CNTF auf das Längenwachstum der Axone ist STAT3 vermittelt, da pmn-mutierte Motoneurone mit einer STAT3-Defizienz keine Reaktion mehr auf die Gabe von CNTF zeigen. Da STAT3 direkt mit Stathmin interagieren kann und dessen destabilisierende Wirkung auf Mikrotubuli dadurch verhindert, wurde angenommen, dass die STAT3 vermittelten CNTF Effekte auf eine lokale Wirkung von STAT3 in Axonen zurückzuführen ist. Diese Hypothese wird dadurch gestützt, dass die Herunterregulation der Stathmin Expression in pmn-mutierten Motoneuronen den gleichen Effekt auf das Längenwachstum zeigt, wie eine CNTF Gabe während der Kultivierung. / Pmn-mice are used as a model for neurodegenerative motoneurondisease: Whereas heterozygous mice are clinically normal, homozygous mutant mice exhibit many features, which are also observed in human motoneuron disease. The pmn-mice develop normally until the second postnatal week. Then they show weakness of the hind limbs, which rapidly progresses. Within a short time, also other muscle groups are involved, ultimately leading to death of the animals in the 4th to 6th week after birth. The underlying gene defect was found as a point mutation in the tubulin-specific chaperon E (TBCE) gene, which leads to a single amino acid exchange at an evolutionary highly conserved amino acid in TBCE protein. TBCE is ubiquitously expressed and plays a role in microtubule assembly. However, motoneurons are specifically affected and seem to be more vulnerable. After generating an antiserum against TBCE, differences between motoneurons from pmn-mutant mice and control animals with regard to stability and subcellular localization of TBCE protein were analysed. Western blot analysis with lysates of spinal cord from 4 week old pmn-mice showed a reduction of TBCE protein expression. There were no differences in TBCE expression observed in immunocytochemistry with isolated embryonic motoneurons of pmn mice compared to wildtype mice: Neither the protein levels nor the subcellular distribution is altered. There is a strong TBCE immunoreactivity in cell soma of motoneurons, where TBCE is located in Golgi apparatus and at the centrosomes, where axonal microtubules are generated. Even there are no differences of TBCE expression at this time point, there are different axonal pathologies detectable: axon length of 7 days cultured motoneurons is significantly reduced and axonal swellings are visible when motoneurons are cultured with the neurotrophic factor BDNF. The number of microtubules is reduced in proximal parts of the axon and in parallel there is an increase of neurofilaments in all axonal parts, which was detectable by electron microscopy. Apart from the morphological changes in pmn-mutant motoneurons there is a disturbance of axonal transport of mitochondria, which are transported in axons in a saltatory and bidirectional manner along microtubules. In motoneurons from pmn-mice the number of stationary mitochondria is significantly increased and in parallel the number of transported mitochondria as well as their maximum velocity is reduced. Both, the morphological changes as well as the disturbance of axonal transport in pmn-mutant motoneurons can be rescued by treatment with the growth factor CNTF. The effects of CNTF on axonal outgrowth is mediated by STAT3, because rescue of CNTF to axon length is absent in pmn-mutant motoneurons lacking STAT3 expression. It is known that STAT3 can directly interact with stathmin, a regulator of microtubule dynamics. This interaction prevents the microtubule destabilizing activity of stahmin. So we assummed, that the STAT3 mediated effects of CNTF treatment are caused by local mechanisms in the axons. In deed, a shRNA downregulation of stathmin in pmn-mutated motoneurons cultured with BDNF has the same effects like treatment with CNTF.

The Calcineurin/NFAT signaling cascade is a crucial transducer of cellular function. It has recently been emerged that in addition to the transcription factor NFAT, the phosphatase Calcineurin is also translocated to the nucleus. Our traditional understanding of Calcineurin activation via sustained high Ca2+-levels was also advanced by recent findings from this working group (AG Ritter), which showed that Calcineurin is activated by proteolysis of the C-terminal autoinhibitory domain. This leads to the constitutive activation and nuclear translocation of Calcineurin. Therefore, Calcineurin is not only responsible for dephosphorylating of NFAT in the cytosol thus enabling its nuclear import, its presence in the nucleus is also significant in ensuring the full transcriptional activity of NFAT. Formation of complexes between transcription factors and DNA regulates the transcriptional process. Therefore, the time that transcription factors remain nuclear is a major determinant of transcriptional activity. The movement of proteins over ~40 kDa into and out of the nucleus is governed by the nuclear pore complex (NPC). Transcription factors and enzymes that regulate the activity of these proteins are shuttled across the nuclear envelope by proteins that recognize nuclear localization signals (NLS) and nuclear export signals (NES) within the amino acid sequence of these transcription factors. In this study, the precise mechanisms of Calcineurin nuclear import and export were identified. Additionally to the nuclear localization sequence (NLS) and the nuclear export sequence (NES) within the sequence of Calcineurin, the respective nuclear cargo proteins, responsible for nuclear import, Importinβ1, and for nuclear export, CRM1, were identified. Inhibition of the Calcineurin/importin interaction by a competitive peptide, called Import Blocking Peptide (IBP), which mimicked the Calcineurin NLS, prevented nuclear entry of Calcineurin. A non-inhibitory control peptide showed no effect. Using this approach, it was able to prevent the development of myocardial hypertrophy. In Angiotensin II stimulated cardiomyocytes, both the transcriptional and the translational level was suppressed. Additionally, cell size and expression of Brain natriuretic peptide (as molecular marker for hypertrophy) were significantly reduced compared untreated controls. IBP worked dose-dependent, but did not affect the Calcineurin phosphatase activity. In conclusion, Calcineurin is not only capable of dephosphorylating NFAT, thus enabling its nuclear import, its presence in the nucleus is also important for full NFAT transcriptional activity. Using IBP to prevent the nuclear import of Calcineurin is a completely new approach to prevent the development of myocardial hypertrophy. / Die Calcineurin/NFAT – Signalkaskade spielt eine wichtige Rolle innerhalb der zellulären Funkionalität. Es wurde bereits gezeigt, dass neben NFAT auch die Phosphatase Calcineurin in den Zellkern transportiert wird. Die bisherigen Vorstellungen zur Aktivierung von Calcineurin durch erhöhte intrazelluläre Ca2+-Konzentrationen wurden durch aktuellste Ergebnisse dieser Arbeitsgruppe (AG Ritter) neu diskutiert. Es wurde gezeigt, dass Calcineurin durch gezielte Proteolyse der autoinhibitorischen Domäne konstitutiv aktiviert werden kann und in den Zellkern transportiert wird. Calcineurin ist daher nicht nur verantwortlich für die im Zytosol stattfindende Dephosphorylierung von NFAT, sondern übernimmt auch eine wichtige Funktion im Zellkern. Die nukleäre Lokalisation von Calcineurin ist essentiell für die vollständige transkriptionelle Aktivität von NFAT. Die Komplexbildung zwischen Transkriptionsfaktoren und DNA reguliert die Transkription. Aus diesem Grund spielt die nukleäre Verweildauer diverser Transkriptionsfaktoren eine tragende Rolle. Der Transport von Proteinen (> 40 kDa) in den und aus dem Zellkern erfolgt über nukleäre Porenkomplexe, wobei die zu transportierenden Proteine mittels nukleärer Lokalisationssequenzen (NLS) / nukleärer Exportsequencen (NES) durch die entsprechenden Transportportproteine (Karyopherine) erkannt werden. In dieser Arbeit wurden die genauen Mechanismen des Imports und des Exports von Calcineurin identifiziert. Zusätzlich konnten die NLS/NES von Calcineurin und die entsprechenden Karyopherine, Importinβ1 für den Import bzw. CRM1 für den Export, ermittelt werden. Die Inhibition der Calcineurin/Importin Interaktion durch ein kompetitives Peptid, welches als Import Blocking Peptide (IBP) bezeichnet wurde und der NLS von Calcineurin entspricht, verhinderte den nukleären Import von Calcineurin. Durch diesen Mechanismus war es möglich, die Entwicklung kardialer Hypertrophie zu verhindern. In Angiotensin II stimulierten Kardiomyozyten konnten sowohl die transkriptionelle, als auch die translationelle Aktivität reduziert werden. Des Weiteren wurden das Zellwachstum und die Expression von BNP unterdrückt. Das Blockpeptid wirkte konzentrationsabhängig, beeinflusste aber die Phosphatase-Eigenschaft von Calcineurin nicht. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Calcineurin, nicht nur verantwortlich für die Dephosphorylierung von NFAT ist, sondern die nukleäre Lokalisierung ebenfalls eine entscheidende Rolle für die volle transkriptionelle Aktivität von NFAT spielt. Die Verwendung von IBP, um den nukleären Import von Calcineurin zu verhindern, stellt ein völlig neues Konzept dar, die Entwicklung kardialer Hypertrophie zu unterdrücken.

Die Steroidhormone Corticosteron/Cortisol und Aldosteron werden in Folge von Stress oder eines veränderten Salz-Wasser-Haushalt durch die Nebenniere synthetisiert und sezerniert. Dies wird durch negative Rückkopplungsmechanismen kontrolliert, die als HPA-Achse und RAAS bezeichnet werden. Die Aktivität dieser Steroidhormone wird durch den Glukokortikoid Rezeptor (GR) und den Mineralokortikoid-Rezeptor (MR) vermittelt, die im Zytosol als Komplex mit Hitze-Schock-Proteinen vorliegen. Sowohl der GR als auch der MR gehören zur Kern-Rezeptor Superfamilie und besitzen eine gemeinsame Proteinstruktur die aus drei verschiedenen Domänen besteht. Trotzdem haben sie verschiedene Affinitäten für ihre Liganden, ihre Aktivität hängt von der Hormonkonzentration ab, sie werden durch Prä-Rezeptor-Mechansimen wie der 11b-HSD2 reguliert und ihre Gewebeverteilung ist unterschiedlich. Aldosteron wirkt in epithelialen und nicht-epithelialen Zellen über den MR und reguliert den Salz-Wasser-Haushalt, die Herzfunktion, die neuronale Erregbarkeit und die Adipozyten-Differenzierung. Bislang war die Analyse der Geninaktivierung in vivo auf Mäuse beschränkt, obwohl Krankheitsmodelle in der Ratte die Verhältnisse im Menschen manchmal besser widerspiegeln. Da embryonale Stammzellen und damit die gezielte Genmanipulation in Ratten nicht verfügbar sind, haben wir MR knock-down Ratten mittels lentiviral eingeführter shRNAs hergestellt. Die F1 Nachkommen der Gründer-Ratten zeigten unterschiedlich stark reduzierte MR mRNA und Protein Niveaus in Niere und Hippocampus, den Hauptexpressions-Regionen des MR. Im Gegensatz dazu war die Expression des GR unverändert, was die Spezifität der Geninaktivierung belegt. Die zwei MR Zielgene Sgk1 und ENaC waren hochreguliert während die mRNA Spiegel anderer Gene wie IK1 und SCD2 erniedrigt waren. Ähnlich wie in den knock-out Mäusen und Patienten zeigten die knock-down Ratten die typischen Merkmale des Pseudohypoaldosteronismus Typ I wie erhöhte Serumspiegel von Aldosteron und Renin sowie Wachstumsretardation. Weiterhin fanden wir einen linearen Zusammenhang zwischen der MR Expression in der Niere, den Serum Aldosteron-Werten und dem Körpergewicht. Zusammengefasst sind unsere MR knock-down Ratten unter den ersten Beispielen für RNAi in vivo und belegen, dass diese Technik es erlaubt, abgestufte Ausprägugen der Geninktivierung wie in humanen genetischen Erkrankungen zu erreichen. Weiterhin haben wir die Rolle des GR und des MR für die immunmodulatorische Aktivität der Glukokortikoide in peritonealen Makrophagen untersucht. GCs sind an der Kontrolle der Makrophagenfunktion beteiligt und regulieren so die Reaktion gegenüber Pathogenen. Aus diesem Grund werden GCs weitverbreitet zur Behandlung von Enzündungen und Autoimmunerkrankungen eingesetzt. Allerdings ist bezüglich dieser GC Aktivitäten weder bekannt welche Kontrolle die Hormonkonzentration spielt noch kennt man den differentiellen Beitrag des GR und des MR. Zuerst bestätigten wir die Expression beider Rezeptoren in peritonealen Makrophagen während die 11b-HSD2 nicht exprimiert war. Anschließend zeigten wir, dass niedrigte Corticosteron-Level die NO Produktion sowie die mRNA Expression von pro-inflammatorischen Zytokinen, Chemokinen und Enzymen die für die Mediator-Synthesee benötigt werden erhöhen. Im Gegensatz dazu war die Makrophagen Funktion bei hohen Corticosteron-Konzentrationen stark reprimiert. Eine wichtige Beobachtung war, dass die Inaktivierung des GR durch lentiviral eingeführte siRNAs sowohl die immunstimulatorischen als auch die immunsuppressiven GR Aktivitäten aufhob während die Inaktivierung des MR keine Konsequenzen hatte. Weiterhin führte der Verlust endogenener GCs nach Adrenalektomie in vivo zu einem prä-aktivierten Zustand der Makrophagen, welcher durch Corticosteron moduliert werden konnte. Wir schließen hieraus, dass GCs in Abhängigkeit von ihrer Konzentration unterschiedliche Effekte auf die Makrophagen Funktion haben und dass diese durch den GR vermittelt werden, obwohl der MR ebenfalls exprimiert ist. Zusammengefasst bestätigen unsere Ergebnisse dass die lenivirale Transduktion von shRNAs eine effiziente Methode zur Geninaktivierung in primären Zellen und transgenen Ratten darstellt und es so erlaubt, funktionelle Studien durchzuführen die zuvor auf Mäuse beschränkt waren. / The steroid hormones corticosterone/cortisol and aldosterone are synthesized and secreted by the adrenal gland in response to stress or an altered salt-water balance. This is controlled by a negative feedback mechanism referred to as the HPA axis and the RAAS. Actions of these steroid hormones are mediated by the glucocorticoid receptor (GR) and the mineralocorticoid receptor (MR), which reside in the cytoplasm in a complex with heat-shock proteins. Both, the GR and the MR belong to the nuclear receptor superfamily and share a common protein structure consisting of three separate domains. However, they have different affinities for various ligands, their actions depend on hormone concentration, they are modulated by pre-receptor mechanisms such as the 11β-HSD2 and they are differently distributed in several tissues. Aldosterone acts via the MR in epithelial and in non-epithelial cells and regulates sodium-water homeostasis, cardiovascular function, neuronal excitability and adipocyte differentiation. So far the analysis of gene inactivation in vivo was limited to mice, but disease models in rats sometimes more closely reflect the situation encountered in humans. Since embryonic stem cells and thus gene targeting in rats is not available, we generated MR knock-down transgenic rats by lentiviral delivery of a shRNA. The F1 progeny of the founder rats showed a wide range of reduced MR mRNA and protein levels in kidney and hippocampus, the two major sites of MR expression. In contrast, expression of the highly homologous GR was unaltered, indicating specificity of gene inactivation. The two MR target genes, Sgk1 and ENaC, were up-regulated while the mRNA levels of other genes such as IK1 and SCD2 was reduced. Similar to the knock-out mice and human patients, the knock-down rats displayed typical signs of pseudohypoaldosteronism type I such as increased serum levels of aldosterone and renin as well as growth retardation. Importantly, we found a linear relationship between MR mRNA expression in kidney, serum aldosterone levels and body weight. Thus, our MR knock-down rats are amongst the first examples of RNAi in vivo and confirm that this technique allows to accomplish graded levels of gene inactivation that mimick human genetic diseases. Secondly, we investigated the role of the GR and the MR for the immunomodulatory activities of glucocorticoids (GCs) in peritoneal macrophages. GCs are involved in the modulation of macrophage function and thereby control the host’s immune responses to pathogens. Therefore, GCs are widely used for the treatment of inflammation and autoimmune diseases. However, concerning these GC activities neither the role of hormone concentration nor the differential contribution of the GR and the MR are known. At first we confirmed that both receptors but not 11β-HSD2 are expressed in peritoneal macrophages. Next, we showed that low levels of corticosterone enhance NO production as well as mRNA expression of pro-inflammatory cytokines, chemokines and enzymes required for mediator synthesis. In contrast, at high corticosterone concentrations macrophage function was strongly repressed. Importantly, inactivation of the GR by lentiviral delivery of siRNAs abrogated both the immunostimulatory and the immunosuppressive GC actions whereas inactivation of the MR had no effect. Furthermore, removal of endogenous GCs by adrenalectomy in vivo induced a pre-activated state in macrophages that could be modulated by corticosterone. We conclude that GCs exert distinct effects on macrophage function dependent on their concentration, and that they act through the GR despite concomitant expression of the MR. In summary, our results confirm that lentiviral delivery of shRNAs is an efficient means to down-regulation gene expression in primary cells and transgenic rats and thereby allows to perform functional studies on gene function that were previously limited to mice.

Bakterienhaltige Schwämme sind durch große Mengen an morphologisch und phylogenetisch unterschiedlichen Mikroorganismen im Mesohyl gekennzeichnet. Diese mikrobiellen Konsortien sind permanent, stabil und hoch-spezifisch mit den Wirts-Schwämmen assoziiert. Über die Entstehung und die Aufrechterhaltung dieser Assoziation ist jedoch wenig bekannt. Es war das erste Ziel dieser Doktorarbeit, Co-Speziation zwischen mediterranen und karibischen Schwämmen der Gattung Aplysina und assoziierten Cyanobakterien zu untersuchen. Die Wirtsphylogenie wurde sowohl mit 18S rDNA als auch mit ITS-2 Sequenzen erstellt. Das Alignment basierte auf der Sekundärstruktur des jeweiligen molekularen Markers und jeder phylogenetische Stammbaum wurde mit 5 verschiedenen Algorithmen berechnet. Die Gattung Aplysina erschien monophyletisch. Die verschiedenen Arten konnten einer Karibik- und einer Mittelmeer-Gruppe zugeordnet werden und der Ursprung der Gattung Aplysina im Urmeer Tethys erscheint möglich. Der Vergleich von Wirts- und Cyanobakterien-Phylogenie, welche auf 16S rDNA Sequenzen beruht, zeigte, dass die Topologie der Stammbäume sich nicht spiegelbildlich gegenübersteht. Es wird daher angenommen, dass keine Co-Speziation zwischen Aplysina Schwämmen und Cyanobakterien und wahrscheinlich auch nicht mit anderen Schwamm-spezifischen Mikroorganismen vorliegt. Das zweite Ziel dieser Doktorarbeit war, die vertikale Weitergabe von Mikroorganismen über Reproduktionsstadien in Schwämmen zu untersuchen. Eine umfangreiche elektronenmikroskopische Studie zeigte eine klare Korrelation, da bakterienhaltige Schwämme immer auch unterschiedliche mikrobielle Morphotypen in den Reproduktionsstadien aufwiesen, wohingegen in den Reproduktionsstadien bakterienarmer Schwämme keine Mikroorganismen gefunden wurden. Aus diesen Ergebnissen wird die Weitergabe des mikrobiellen Konsortiums über Reproduktionsstadien bakterienhaltiger Schwämme geschlossen. Basierend auf den vorherigen Ergebnissen wurde Ircinia felix für eine detaillierte Dokumentation der vertikalen Weitergabe von Mikroorganismen ausgewählt. Elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigten, dass die Larven von I. felix im zentralen Bereich große Mengen an extrazellulären Mikroorganismen enthielten während der äußere Bereich nahezu frei von Mikroorganismen war. In I. felix Juvenilschwämmen waren die Mikroorganismen zwischen eng gepackten Schwammzellen lokalisiert. Die mikrobiellen Profile von I. felix Adult, Larven und Juvenilen wurden mittels Denaturierender-Gradienten-Gel-Elektrophorese (DGGE) verglichen. Ähnliche mikrobielle Diversitätsmuster waren im Adultschwamm und den respektiven Larven vorhanden. Dies deutet darauf hin, dass ein großer Anteil des adulten mikrobiellen Konsortiums vertikal weitergegeben wird. Im Gegensatz dazu schienen die mikrobiellen Konsortien von Larven, die von unterschiedlichen Adultindividuen stammten, insgesamt variabler zu sein. Die Bandenmuster der Juvenilschwämme waren eine Mischung aus Schwamm-spezifischen und Seewassermikroorganismen, was auf die Methodik der DNA-Extraktion zurückgeführt werden kann. Allerdings kann gesagt werden, dass mindestens die Hälfte des adulten mikrobiellen Konsortiums in der nächsten Generation vorhanden war. Schließlich wurde eine umfangreiche phylogenetische Analyse mit Sequenzen aus Adultschwämmen und Larven durchgeführt. Die Sequenzen wurden durch Sequenzierung von ausgeschnittenen DGGE-Banden der bakterienhaltigen Schwämme Agelas wiedenmayeri, I. felix und Smenospongia aurea gewonnen. Zusätzlich wurden bislang unveröffentlichte Sequenzen aus den Schwämmen Ectyoplasia ferox und Xestospongia muta verwendet, die im Labor erstellt worden waren. Die Identifizierung von 24 "vertical transmission clusters" in mindestens 8 verschiedenen, eubakteriellen Phyla zeigt, dass ein komplexes, aber einheitliches, mikrobielles Konsortium über die Reproduktionsstadien weitergegeben wird. Der Prozess der vertikalen Weitergabe ist spezifisch, da Mikroorganismen der bakterienhaltigen Schwämme, nicht aber Seewasser-Mikroorganismen weitergegeben werden. Zugleich scheint der Prozess der vertikalen Weitergabe nicht selektiv zu sein, da keine Unterscheidung zwischen einzelnen, Schwamm-spezifischen Mikroorganismen erfolgt. Insgesamt deutet vertikale Weitergabe auf eine mutualistische und seit langem bestehende Assoziation zwischen bakterienhaltigen Schwämmen und komplexen, mikrobiellen Konsortien hin. / Bacteriosponges contain large amounts of morphologically and phylogenetically diverse microorganisms in their mesohyl. The association is permanent, stable and highly specific, however, little is known about the establishment and maintenance of this association. The first aim of this Ph.D. thesis was to examine cospeciation between eight Aplysina species from the Mediterranean and Caribbean and their cyanobacterial associates. Host phylogeny was constructed with 18S rDNA and ITS-2 sequences using an alignment based on the secondary structure of the molecular markers and five different algorithms each. The genus Aplysina appeared as monophyletic. Aplysina sponges could be distinguished into a Caribbean and a Mediterranean cluster and a possible Tethyan origin is suggested. Comparison of the host phylogeny to the 16S rDNA phylogeny of the cyanobacterial strains revealed the lack of a congruent pattern. Therefore it is proposed that Aplysina sponges have not cospeciated with their cyanobacterial phylotypes and probably also not with other sponge specific microbes. The second aim of this Ph.D. thesis was to examine vertical transmission of microorganisms through reproductive stages of sponges. A general transmission electron microscopy (TEM) suvey revealed a clear correlation in that bacteriosponges always contained many microorganisms in their reproductive stages whereas non-bacteriosponges were always devoid of microbes in their reproductive stages. The transmission of the microbial community via sponge reproductive stages is concluded. Based on the previous results Ircinia felix was chosen for a detailed documentation of vertical transmission. I. felix larvae contained large amounts of microorganisms extracellularly in the central region whereas the outer region was almost free of microbes as shown by TEM. In I. felix juveniles microorganisms were located between densely packed sponge cells. The microbial profiles of I. felix adult, larvae, and juveniles were compared using denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE). Similar microbial community patterns were found in adult and the respective larvae indicating that a large subset of the adult microbial community was vertically transmitted. In contrast, microbial communities of larvae pools released by different adult individuals seemed to be more variable. Juvenile banding patterns were a mixture of sponge specific and seawater microbes due to DNA extraction artefacts but demonstrated that at least half of the adult microbial community is present in the next generation. Finally, a comprehensive phylogenetic analysis was conducted by sequencing excised DGGE bands from adult and offspring of the bacteriosponges Agelas wiedenmayeri, I. felix, and Smenospongia aurea and by taking additional 16S rDNA sequences of Ectyoplasia ferox and Xestospongia muta (unpublished data of the laboratory). The identification of 24 vertical transmission clusters in at least 8 eubacterial phyla demonstrates that a complex and uniform microbial community is transferred via sponge reproductive stages. Vertical transmission is specific in that the microorganisms of bacteriosponges, but not those from seawater, are passed on, but unselective in that there appears to be no differentiation between individual sponge-specific lineages. In conclusion, vertical transmission points to a mutualistic and long-term association of bacteriosponges and complex microbial consortia.

1. Zusammenfassung Neisseria meningitidis ist weltweit ein bedeutender Erreger invasiver Infektionen bei Kindern und Heranwachsenden. Der in vielen Ländern niedrigen Inzidenz stehen hohe Raten asymptomatischer Kolonisation des menschlichen Nasopharynx mit Meningokokken gegenüber. Während die Pathogenese durch Meningokokken ausführlich untersucht ist, wurde dem Trägertum von Meningokokken bisher wenig Aufmerksamkeit geschenkt, nicht zuletzt auch wegen des Fehlens eines geeigneten Tiermodells. Kürzlich publizierte Daten lassen die asymptomatische Persistenz von Meningokokken in einem Biofilm-ähnlichen Stadium auf und innerhalb des Tonsillengewebes vermuten. Ziel der vorliegenden Arbeit war daher die Etablierung eines Biofilmmodells für Meningokokken als ein Modell für asymptomatisches Trägertum. Es wurde zudem die Biofilmbildung von Meningokokken unterschiedlichster klonaler Linien mit dem Ziel untersucht, auf molekularer Ebene die Biofilmbildung bei Meningokokken zu verstehen. In statischen Biofilmtests konnte gezeigt werden, dass Biofilmbildung eine ubiquitäre Eigenschaft von Meningokokken ist, solange diese keine Kapsel exprimieren. Hierbei war es unerheblich, ob Trägerisolate oder Isolate aus invasiven Meningokokkenerkrankungen untersucht wurden. Durch die Konstruktion fluoreszierender Meningokokkenstämme und die Etablierung eines Minimalmediums konnte für Meningokokken ein standardisiertes Biofilmmodell unter Flussbedingungen erstellt werden. Das Flussmodell für Meningokokkenbiofilme erwies sich als äußerst robust und reproduzierbar. Es wurde deutlich, dass Meningokokken Biofilme unterschiedlicher Struktur ausbildeten, die teilweise über 120 Stunden in vitalem Zustand gehalten werden konnten. Die Mehrzahl der Stämme bildete heterogene Biofilme mit distinkten Mikrokolonien aus, während andere Stämme homogene Biofilme ohne Mikrokolonien ausbildeten. Diese strukturellen Unterschiede hatten keinen Effekt auf die Antibiotika-Empfindlichkeit der Biofilme. Es konnte gezeigt werden, dass Meningokokkenbiofilme durch Ciprofloxacin und Rifampicin, nicht aber durch Penicillin im Wachstumsmedium abgetötet werden konnten. Diese Ergebnisse passen zu in vivo-Befunden, die zeigen, dass Ciprofloxacin und Rifampicin im Gegensatz zu Penicillin sehr zuverlässig das Trägertum von Meningokokken eradizieren können. Durch die Untersuchung der Biofilmbildung von PilX- und PilE-Mutanten konnte die Bedeutung der Twitching Motility für die Mikrokoloniebildung im Meningokokkenbiofilm aufgezeigt werden. Ausgeprägte Motilität führte zu Mikrokoloniebildung, während weitgehend unbewegliche Stämme flache unstrukturierte Biofilme bildeten. In der vorliegenden Arbeit konnte der Verlust der Mikrokoloniebildung bei der PilX-Mutante durch Reduktion der Piliierung, die zu verminderter Motilität führte, erklärt werden. Autoaggregation der Zellen spielte für die Mikrokoloniebildung keine Rolle, was im Widerspruch zur kürzlich publizierten Rolle von PilX steht. Initiale Schritte der Biofilmbildung bei Meningokokken könnten von extrazellulärer DNA (exDNA) abhängen, da die Zugabe von DNase zur Vorkultur die Biofilmbildung verhinderte, jedoch bestehende reife Biofilme nicht auflöste. Die Funktion, der Mechanismus der Freisetzung, sowie die Menge und Verteilung dieser exDNA in Meningokokkenbiofilmen wird Gegenstand zukünftiger Untersuchungen sein. / 2. Summary Neisseria meningitidis worldwide contributes significantly to childhood and adolescent morbidity and mortality. The low incidence of disease in many countries is in opposition to the high rates of asymptomatic meningococcal colonization of the human nasopharynx. While meningococcal pathogenesis has been studied extensively, only little attention has been paid to meningococcal carriage so far, not least because of the lack of an appropriate animal model. Recently published data lead to the assumption that meningococci persist asymptomatically on top of and within tonsillar tissue in a biofilm-like stage. Therefore, the aim of the present study was the establishment of a biofilm model for meningococci as a model for asymptomatic carriage. Biofilm formation of different clonal lineages was investigated to better understand meningococcal biofilm formation on a molecular level. First experiments using static biofilm assays revealed that biofilm formation is a ubiquitous property of meningococci, as long as no polysaccharide capsule is expressed. In this regard it was irrelevant whether carriage isolates or isolates from invasive meningococcal disease were investigated. By constructing fluorescent meningococcal strains and by establishing a suitable minimal growth medium, a meningococcal biofilm model under standardized flow conditions could be established. The flow model for meningococcal biofilms turned out to be very robust and reproducible. It became apparent that meningococci formed biofilms with different structures, which could partly be maintained in a vital state for more than 120 hours. The majority of strains formed heterogeneous biofilms with distinct microcolonies, while other strains formed homogeneous biofilms without microcolonies. These structural differences had no impact on the antibiotic susceptibility of the biofilms. All meningococcal biofilms were killed by ciprofloxacin and rifampin, but not by penicillin in the growth medium. These results fit to in vivo-findings, where ciprofloxacin and rifampin in contrast to penicillin very reliably eradicated meningococcal carriage. By investigating the biofilm formation of PilX and PilE mutants the impact of twitching motility for microcolony formation could be highlighted. Pronounced motility led to microcolony formation, while almost non-motile strains formed flat unstructured biofilms. In the present work the loss of microcolony formation by reduced motility in the PilX mutant could be explained by a reduction of the piliation status. Autoaggregation had no impact on microcolony formation, which is in conflict to the recently published role of PilX. Early steps of meningococcal biofilm formation might depend on extracellular DNA (exDNA) as a matrix substance, since the addition of DNase prevented biofilm formation, but did not dissolve pre-existing mature biofilms. The function of this exDNA, the mechanism of release, as well as the amount and distribution on meningococcal biofilms will be the subject to further investigations.

TNF (Tumor Nekrose Faktor) vermittelt seine biologischen Funktionen durch Interaktionen mit TNFR1 (TNFRezeptor 1) und TNFR2 (TNFRezeptor 2). In früheren Arbeiten konnte gezeigt werden, dass der TNFR2 sowohl durch die Induktion von membrangebundenem TNF als auch durch die proteasomale Degradation von TRAF2 (TNFRezeptor-assozierter Faktor 2) die TNFR1-vermittelte Apoptose verstärken kann. Des Weiteren war bekannt, dass TRAF1 (TNFRezeptor-assozierter Faktor 1), ein anderes Mitglied der TRAF-Familie, mit TRAF2 Heterotrimere bilden kann und zudem nach TNF-induzierter NFkappaB- (nuclear factor kappaB) Aktivierung verstärkt exprimiert wird. In der vorliegenden Arbeit konnte nun erstmals gezeigt werden, dass TRAF1 in beide TNFR-Signalkomplexe rekrutiert wird und darin in einem TRAF2/TRAF1-Heterotrimer TRAF2 funktionell ersetzen kann. Darüber hinaus verhindert TRAF1 die Rekrutierung von TRAF2 in lipid rafts sowie dessen anschließende proteasomale Degradation. Auf diese Weise kann TRAF1 die TNFR2-abhängige Verstärkung der TNFR1-induzierten Apoptose verhindern. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wurde die TNF-vermittelte Aktivierung der JNK (c-Jun N-terminale Kinase), dessen Regulation durch ROS (reactive oxygen species), Caspasen (Cysteinyl-Aspartat-spezifische Proteasen) sowie NFkappaB-induzierte Faktoren untersucht. TNF induziert in den meisten Zellen zunächst nach zehn bis 30 Minuten eine transiente JNK-Aktivierung, woraufhin bei NFkB-inhibierten Zellen eine zweite andauernde JNK-Aktivierung folgt. Die meisten in der Literatur beschriebenen Studien gehen dabei von einem ROS-abhängigen, Caspase-unabhängigen Mechanismus der persistierenden JNK-Aktivierung aus. Des Weiteren wurde in den vor allem bei embryonale Mausfibroblasten durchgeführten Untersuchungen davon ausgegangen, dass bestimmte NFkappaB-induzierte Radikalfänger die andauernde Aktivierung der JNK verhindern. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass in den humanen Zelllinien KB, Jurkat und HaCaT die andauernde Aktivierung der JNK, im Gegensatz zur transienten JNK-Aktivierung, Caspase-abhängig verläuft. Es ergab sich überdies, dass die inhibierende Wirkung des NFkB-Signalweges auf die persistierende JNK-Aktivierung in diesen Zelllinien in erster Linie auf die indirekte Verhinderung der Apoptose durch die Induktion von antiapoptotischen Proteinen wie Flip-L (FLICE-inhibitory protein long) und IAPs (inhibitor of apoptosis) zurückzuführen ist, als auf die direkte Expression von Radikalfängern. Zudem wurde in den untersuchten Zelllinien die Caspase-vermittelte Spaltung von MEKK-1 (MAP/ERK kinase kinase-1) und p21WAF/Cip 1 nachgewiesen, von denen bekannt ist, dass die Spaltprodukte eine JNK-stimulierende Wirkung haben. Dennoch müssen künftige Studien zeigen, ob die Spaltung von p21WAF/Cip 1 und MEKK-1 in Fragmente mit JNK–stimulierender Aktivität oder andere Caspasesubstrate für die Caspase-vermittelte andauernde Aktivierung der JNK verantwortlich sind. / TNF (tumor necrosis factor) induces its biological functions by interactions with TNFR1 (TNF receptor 1) and TNFR2 (TNF receptor 2). In recent studies it has been shown that stimulation of TNFR2 results in an enhancement of the TNFR1-induced apoptosis. The reason of this finding is the transcriptional induction of membrane-bound TNF as well as the proteasomal degradation of TRAF2 (TNF receptor associated factor 2). Furthermore it was known that TRAF1 (TNF receptor associated factor 1), those expression is induced by TNF mediated NFkB (nuclear factor kappaB) activation, can interact with TRAF2. In the first part of this thesis it could be demonstrated that TRAF1 co-recruits with TRAF2 to TNFR1 and TNFR2 without affecting the downstream signalling pathways. Moreover, TRAF1 expression inhibits TNFR2 induced recruitment of TRAF2 into lipid rafts and its subsequent depletion. In this manner, TRAF1 abrogates the TNFR2-mediated enhancement of TNFR1-induced apoptosis. In the second part of this thesis the TNF-induced activation of JNK (c-Jun N-terminal kinase) as well as its regulation by ROS (reactive oxygen species), caspases (cysteinyl-aspartat-specific proteases) and NFkB-induced proteins were examined. In most cell types TNF induces a transient activation of the JNK pathway, whereas in NFkB-inhibited cells a second sustained activation of JNK is observed. Based on previous studies, it has been suggested that TNF-induced prolonged JNK activation is predominantly mediated by ROS. Moreover, in some studies based on mouse embryonal fibroblasts it has been suggested that expression of NFkB-induced antioxidants prevents prolonged JNK activation upon TNF stimulation. In this thesis it could be shown in various human cellular systems, including KB, Jurkat and HaCaT, that TNF-induced prolonged activation of JNK is in contrast to the transient activation mediated by caspases. Furthermore, it was demonstrated that NFkB induction inhibits the TNF-induced prolonged JNK activation indirectly by inhibiting apoptosis rather than directly by expression of antioxidants. In addition, caspase-dependent cleavage of MEKK-1 (MAP/ERK kinase kinase-1) and p21WAF/Cip 1 was found in these cellular systems. As it is known from previous studies, cleavage of these proteins results in fragments with high JNK-stimulating activity, these caspase substrates could therefore play an important role in TNF-induced prolonged JNK-activation. However, further studies have to evaluate if the cleavage of MEKK-1 and p21WAF/Cip 1 or other caspase substrates mediates the TNF-induced caspase-dependent prolonged JNK-activation.

In Drosophila melanogaster wurde der p21-aktivierten Proteinkinase Mushroom bodies tiny (Mbt) eine wichtige Rolle als Regulator während der Differenzierung von Photorezeptorzellen zugeschrieben. Da morphologische Umgestaltungsprozesse der Photorezeptorzellen von dynamischen Zellbewegungen begleitet und die molekularen Details größtenteils noch ungeklärt sind, wurden in dieser Arbeit die Funktionen von Mbt in Bezug auf veränderte Zelladhäsionseigenschaften, Reorganisation des Aktincytoskeletts und die Beteiligung an weiteren Signalwegen analysiert. Im ersten Projekt wurde ein genetischer Interaktionsscreen mit Hilfe eines hypomorphen mbt- Allels (mbtP3) durchgeführt, um zu untersuchen, in welche zellulären Signalwege Mbt einzuordnen ist. Die Identifizierung des Aktin-Depolymerisationsfaktor Cofilin (Drosophila: Twinstar) und der Phosphatase Slingshot bestätigte, daß Mbt in Prozesse involviert ist, die die Aktindynamik kontrollieren. In Vertebraten phosphoryliert und inaktiviert die Proteinkinase Pak4 (Drosophila Homolog zu Mbt) die Lim-Kinase (Limk), die wiederum Cofilin durch Phosphorylierung hemmt. Dieser Effekt kann nach Dephosphorylierung des Cofilin durch die Phosphatase Slingshot wieder aufgehoben werden. In Drosophila konnte gezeigt werden, daß aktiviertes Mbt mit Twinstar und Drosophila Limk (D-Limk) assoziiert ist und die Phosphorylierungen beider Moleküle induzieren kann. Zusammen mit genetischen Experimenten stellen die Ergebnisse entgegen der Situation in Vertebraten die Funktion von D-Limk als Vermittler zwischen Mbt und Twinstar in Frage und lassen vielmehr auf einen Verlauf des Signals von Mbt direkt an Twinstar, über Slingshot oder unbekannte Kinasen schließen. Ein zweites Projekt beschäftigte sich mit dem Einfluß von Mbt auf die DE-Cadherin-beta- Catenin/Armadillo vermittelte Zelladhäsion. Dazu wurde ein Zellkultursystem in Drosophila Schneiderzellen etabliert, welches es erlaubte, den DE-Cadherin-beta-Catenin/Armadillo-alpha- Catenin Komplex vollständig zu rekonstituieren. Die Resultate zeigten, daß Mbt mit dem Komplex interagiert und beta-Catenin/Armadillo an den Aminosäuren S561 und S688 phosphoryliert. Die Phosphorylierung bewirkt eine Destabilisierung der Bindung zwischen DE-Cadherin und beta- Catenin/Armadillo und vermindert die Adhäsion der Zellkontakte zwischen Zellen. Im dritten Projekt ging es um die Suche nach unbekannten Phosphorylierungspartnern und der Integration von Mbt in weitere Signalwege. Dazu wurde eine stringente, radioaktive in vitro Phosphorylierungsreaktion entwickelt, die die Detektion von Mbt-spezifischen Phosphorylierungssubstraten aus einem Extrakt von Drosophila Schneiderzellen ermöglichte. In einer Vorstufe wurde dieses Extrakt mit dem ATP-Analogon 5’-Fluorosulfonylbenzoyladenosin (5’FSBA) vorbehandelt, um sämtliche endogenen Kinasen irreversibel zu inhibieren und die nachfolgende Phosphorylierungsreaktion mit aufgereinigtem Mbt spezifisch für Mbt zu machen. Nach Auftrennung und Identifizierung der potentiellen Phosphoproteine durch Massenspektrometrie wurde das Drosophila Dynamitin als neuer Interaktions- und Phosphorylierungspartner von Mbt gefunden. / In Drosophila melanogaster, the p21 activated kinase Mushroom bodies tiny (Mbt) fulfils a critical role in the differentiation of photoreceptor cells during development. Differentiation of photoreceptor cells is accompanied by morphogenetic rearrangement, however, the underlying molecular mechanisms are not completely understood. Therefore in this work the function of Mbt was analysed with respect to the modulation of cell-cell adhesion, reorganization of the actin cytoskeleton and the integration of Mbt in different signalling pathways. In the first project a genetic screen with a hypomorphic mbt allele (mbtP3) was performed to identify components of Mbt signalling pathways. The identification of the actin depolymerization factor Cofilin (Drosophila: Twinstar) and the phosphatase Slingshot confirmed that Mbt is involved in actin regulating processes. In vertebrates, the p21 activated kinase Pak4 (Drosophila homolog of Mbt) acts as an upstream activator of the Lim-Kinase (Limk) which in turn inactivates the actin depolymerization factor Cofilin by phosphorylation. This effect can be reversed by the phosphatase Slingshot. In Drosophila activated Mbt is not only associated with Twinstar and Drosophila Limk (D-Limk) but also induces phosphorylation of both molecules. Together with genetic experiments these results are in contrast to the situation of Pak4 in vertebrates and question the role of D-Limk as a major mediator in signalling between Mbt and Twinstar. Instead we propose that Mbt can either directly act on Twinstar or regulates Twinstar phosphorylation through Slingshot or other unknown kinases. In the second project, the influence of Mbt on DE-cadherin mediated cell adhesion was investigated. Therefore a Drosophila Schneider cell line was established which allowed the reconstitution of a functional DE-cadherin-beta-catenin/Armadillo-alpha-catenin complex. The results revealed an interaction between Mbt and this complex and further showed that Mbt specifically phosphorylates beta-catenin/Armadillo on amino acids S561 and S688. As a consequence the binding between beta-catenin/Armadillo and DE-cadherin is destabilized leading to a reduced adhesion between cells. The third project was to devise a strategy that allows with high selectivity the identification of phosphorylation substrates of Mbt from total lysates of Drosophila Schneider cells. The general idea was to irreversibly block endogenous kinase activities by the ATP-analog 5’-fluorosulfonylbenzoyladenosine and then to perform a radioactive in vitro kinase assay in the presence of exogenously provided Mbt. The potential phosphoproteins were purified and identified by mass spectrometry. The Drosophila Dynamitin was found as a novel interaction and phosphorylation partner of Mbt.

Die zunehmende Resistenz humanpathogener Mikroorganismen gegen bekannte Antibiotika bedingt die Notwendigkeit, nach neuen Quellen für die Produktion antimikrobieller Stoffe zu suchen. Als eine solche Quelle gelten besonders Pflanzen, da viele antimikrobielle Stoffe bei der Abwehr gegen invasierende Mikroorganismen bilden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit besteht in der Charakterisierung von pflanzlichen Zellkulturen im Hinblick auf ihre Fähigkeit, anitimkrobielle Aktivität gegen humanpathogene Mikroorganismen zu entwickeln. Dabei sollen aktive Proteine aufgereinigt und die kodierenden Gene isoliert werden. Dazu wurden zehn verschiede pflanzliche Suspensionskulturen in Anwesenheit von neun Elicitoren auf ihre antimikrobielle Aktivität gegen fünf humanpathogene Mikroorganismen getestet. Dabei erwiesen sich die heterotrophen Kulturen im Vergleich zu den autotrophen als aktiver. Die höchste antimikrobielle Aktivität wurde bei der intrazellulären Fraktion der mixotrophen Kultur von Arabidopsis thaliana nach Elicitierung mit Salicylsäure nachgewiesen. Da in einem Präzipitat mit Ammoniumsulfat Aktivität gegen Candida maltosa nachgewiesen wurde, konnte angenommen werden, dass es sich bei der aktiven Komponente um ein Protein handelt. Durch Hochgeschwindigkeitszentrifugation wurde eine partielle Aufreinigung dieser aktiven Komponente erreicht. Die proteinoide Natur wurde durch Bioautographie bestätigt und das Molekulargewicht auf ca. 26kDa geschätzt. Mittels Gelfiltration und Massenspektrometrie wurde das Protein aufgereinigt. Die Mikrosequenzierung ergab ein Protein mit bisher unbekannter Funktion, das eine pflanzliche Stressdomäne (PLAT) enthält. Das Protein wurde daraufhin als AtPDP1 (Arabidopsis thaliana Plat-Domain Protein 1) bezeichnet. Das Gen und ein zweites mit hochgradiger Homologie (AtPDP2) wurden in E. coli kloniert. Der Digital Northern zeigt an, das beide Gene durch verschiedene Pathogene induziert werden, sowie von Chemikalien, die pflanzliche Abwehr hervorrufen und weiterhin von Phytohormonen. Der Versuch, AtPDP1 unter die Kontrolle eines Promors einer Proteinase zu stellen, der Induzierbarkeit durch Elicitoren vermittelt, blieb erfolglos. Weiterhin wurden 13 Thaumatingene aus Arabidopsis thaliana in E. coli kloniert, da ihre antimikrobielle Aktivität bekannt ist, und ihre Expression durch verschiedene Stimuli induziert wird. Von diesen Genen zeigt der Digital Northern bei allen Stimuli eine maximale Expression für At1g75800, während At1g75050 minimal induziert ist. Diese Gene stehen für zukünftige Studien zur Verfügung. / The continuously increase in resistance of human pathogenic microorganisms to the known antibiotics leads to the necessity for searching new sources for production of new active antimicrobial compounds from different natural sources especially plants, since many plants have been found to be able to produce antimicrobial compounds as a defense phenomenon against invading microorganisms. The aim of this work is to screen cultures for production of antimicrobial activity against representative of human pathogenic microorganisms and selection the most active cell culture producing antimicrobial protein(s) which are active against these pathogenic microorganisms and also isolation ,purification of the active protein(s) and cloning of its/their genes. Ten different plant suspension cultures have been screened in presence of nine elicitors for their antimicrobial activity against five selected human pathogenic microorganisms, and it has been found that the heterotrophic cultures are more active against the tester isolates than the autotrophic ones. The intracellular fraction of the mixotrophic Arabidopsis thaliana culture elicited with salicylic acid showed the highest antimicrobial activity against the tester isolates. The presence of proteinous antimicrobial activity has been elucidated by testing the activity of ammonium sulphate precipitate against Candida maltosa. High speed centrifugation technique has been used for partial purification of the active protein. The proteinous nature of the isolated compound has been confirmed by using bioautography technique and its molecular weight could be estimated to be around 26KDa. The active protein has been purified using gel filtration, and using mass spectrometry technique, for microsequencing of the active protein, it has been found that the function of the protein is unknown and we have termed it as AtPDP1 according to Arabidopsis thaliana Plat-Domain Protein1, since it contains a plant stress domain termed PLAT domain. It has been found that a second protein from the same plant with high homology level to AtPDP1 with the same domain, we termed it as AtPDP2. Genes for AtPDP1 and AtPDP2 have been cloned in E. coli using PGEM-T easy vector. The expression of both genes have been tested using Digital Northern program, and it has been observed that both genes are induced by different pathogens, chemicals known to induce defense in plant cells and also different hormones. We tried to clone the gene for AtPDP1 in PBI121 binary vector under the control of an elicitor inducible promoter of a proteinase inhibitor gene, to test its function in plant by overexpression, but we did not succeeded. Also the work aims to cloning the different known thaumatin genes from Arabidopsis thaliana for future work which represented by testing their expression under different stimuli, since most thaumatins have antimicrobial activity and some of them are active against Candida spp..Thirteen genes of known thaumatins from Arabidopsis thaliana have been cloned in PGEM-Teasy vector in DH5-alpha cells. coli cells. The expression of the thirteen genes has been done using Digital Northern program and it has been found that different genes show different expressions under different stimuli and the expression of At1g75800 gene was the maximum under all stimuli. The minimum expression of genes was for At1g75050. The rest of thaumatin genes showed moderate expressions under different stimuli.

Die Aktivität von Transkriptionsfaktoren kann durch die Modifikation mit SUMO positiv oder negativ beeinflusst werden, indem Protein-Protein-Interaktionen als auch die subzelluläre bzw. subnukleäre Lokalisation verändert werden. In T-Zellen spielt die Familie der NFAT (Nuclear Factor of Activated T cells)-Transkriptionsfaktoren eine wichtige Rolle bei der Zytokingenregulation. NFATc1 wird durch die Verwendung zwei verschiedener Promotoren (P1 & P2) bzw. Polyadenylierungsstellen (pA1 & pA2) und alternativen Spleißens in sechs Isoformen exprimiert. Sie werden als NFATc1/alphaA, betaA, alphaB, betaB, alphaC und betaC bezeichnet, wobei alpha und beta sich auf die beiden unterschiedlichen 1. Exons und A, B, C sich auf die differentiell gespleißten und unterschiedlich langen C-Termini beziehen. Die NFATc1/A-Isoformen umfassen einen relativ kurzen C-Terminus, während die langen Isoformen B und C extra-C-terminale Peptide von 128 bzw. 246 Aminosäuren aufweisen. Um die spezifischen, biologischen Effekte der NFATc1-Isoformen zu untersuchen, wurde ein sog. ‚Yeast two Hybrid screen’ mit einer humanen Milz-cDNA-Bibliothek und dem NFATc1/C-spezifischen C-Terminus durchgeführt. Am Ende wurden Ubc9 und PIAS1, Proteine, die an der Sumoylierung beteiligt sind, am häufigsten dedektiert. Anschließend konnte gezeigt werden, dass NFATc1 tatsächlich sumoyliert wird. Das Ausmaß an Sumoylierung ist Isoformen abhängig. Während NFATc1/A, das eine einzige Sumoylierungsstelle besitzt, nur eine geringe Sumoylierung aufweist, führen die beiden zusätzlichen Stellen in NFATc1/C zu einer effizienten Modifikation mit SUMO. Diese C-terminale Modifikation dirigiert NFATc1/C in SUMO-1-Körperchen, die mit PML-nbs kolokalisieren. Darüber hinaus rekrutiert sumoyliertes NFATc1/C die transkriptionellen Korepressoren HDAC (sowohl Klasse I wie Klasse II HDACs), was zu einer signifikanten Verringerung der Histonazetylierung am IL-2-Promotor, eines wichtigen NFATc1-Zielgens, führt. Konsequenterweise wurde eine Verminderung der IL-2-Produktion beobachtet, während NFATc1/C, das wegen Mutation der entscheidenden Lysine nicht mehr sumoyliert werden kann, ein dramatisch erhöhtes Transaktivierungspotential am IL-2-Promotor aufwies. Das unterstützt unsere Daten, die mit einem IL-2-Promotor getriebenen Reporterassay gewonnen wurden und zeigen, dass das Transaktivierungspotential von NFATc1/C durch Sumoylierung herabgesetzt wird. Demzufolge übt Sumoylierung einen negativen Effekt auf die transkriptionelle NFATc1-Aktivität aus. Immunfluoreszenzversuche zeigten, dass die Modifikation mit SUMO außerdem zur Relokalisation von NFATc1/C in transkriptionell inaktive, heterochromatische Regionen führt, was durch die Färbung von trimethyliertem Histon mit anti-H3K9 m3 nachgewiesen wurde. Interessanterweise war in Abwesenheit von Sumoylierung NFATc1 teilweise mit transkriptionellen Hotspots im Kern lokalisiert. Das mag zu dem höheren Transkriptionspotential des nicht-sumoylierten NFATc1 beitragen. Es ist wichtig zu erwähnen, dass die transkriptionelle Aktivität auf andere NFATc1-Zielgene durch die Sumoylierung von NFATc1 positiv verstärkt war. Dies deutet auf einen nicht-universalen Effekt der Sumoylierung auf die NFATc1/C-Funktion hin. Demzufolge dirigiert Sumoylierung NFATc1 in Kernkörperchen, wo es mit transkriptionellen Korepressoren interagiert und selbst ans Heterochromatin relokalisiert, was zu einer Repression der NFATc1/C vermittelten Transkription führt. Als sehr wichtig erscheint, dass der Effekt der NFATc1/C-Sumoylierung Promotor spezifisch ist. Zusammengenommen verändet die Modifikation mit SUMO die NFATc1-Funktion von einem Transaktivator zu einem DNA-Bindungsstellen spezifischen Repressor. Daher wird hier ein neuer regulatorischer Mechanismus aufgezeigt, der die Isoform spezifische NFAT-Funktion kontrolliert. / Sumoylation of transcription factors modulate their activity (either upregulating or downregulating) by altering protein-protein interactions as well as subcelluar/subnuclear localization. The transcription factor family of NFAT (Nuclear Factor of Activated T cells) plays an important role in cytokine gene regulation in T cells. Due to alternative usage of two promoters (P1 & P2), two polyadenylation sites (pA1 and pA2) and alternative splicing events, NFATc1 is expressed in six isoforms which are NFATc1/alphaA, betaA, alphaB, betaB, alphaC and betaC, where alpha and beta refer to two different 1st exons and A, B, C to the differentially spliced and extended C-termini. The short isoforms of NFATc1 (NF-ATc1/A) contain a relatively short C terminus whereas, the longer isoforms, B and C, span the extra C-terminal peptides of 128 and 246 aa, respectively. To analyze the specific biological effects of NFATc1 isoform, a yeast two hybrid screening of a human spleen cDNA library with extra C-terminal peptide of NFATc1 as a bait, was performed. At the end of the assay, the proteins involved in the sumoylation pathway such as Ubc9, PIAS1 were detected with highest frequencies and subsequently were were able to demonstrate that NFATc1 is sumoylated. The extent of sumoylation is isoform specific. While NFATc1/A, harboring only one sumoylation site, shows very weak sumoylation, the two additional sites within NFATc1/C lead to efficient sumoylation. This modification directs NFATc1/C into SUMO-1 bodies, which in turn colocalize with PML-nbs. Furthermore, sumoylated NFATc1/C recruits the transcriptional co-repressors HDAC (both class I as well as class II HDACs) which results in a significant decrease of the level of histone acetylation on the IL-2 promoter, an important NFATc1 target gene. As a consequence of this, a decrease of IL-2 production was observed, while NFATc1/C, which can no longer be sumoylated due to mutating the target lysines, exhibited dramatic elevated transcriptional potential on the IL2 promoter. This supports our finding from IL-2 promoter-driven reporter gene assay, which shows downregulation of NFATc1/C transactivation upon sumoylation. Hence, sumoylation exerts a negative effect on NFATc1 transcriptioanl activity. Immunofluorescence studies showed SUMO modification to relocate NFATc1/C also into transcriptionally inactive heterochromatin regions, demonstrated by H3K9 m3 (tri-methylated histone lysine 9) colocalization studies. Interestingly, in the absence of sumoylation, NFATc1 was partially colocalized with transcriptional hotspots in the nucleus, which might contribute to the higher transcription potentiality of the non-sumoylated NFATc1. It is important to note that, the transcriptional activity of other NFATc1 target genes (IL-13, IFN-gamma etc.) was positively upregulated upon sumoylation of NFATc1, suggesting a non-universal effect of sumoylation on NFATc1/C function. In conclusion, sumoylation directs NFATc1 into nuclear bodies where it interacts with transcriptional co-repressors and relocalize itself with heterochromatin, leading to repression of NFATc1/C-mediated transcription. Most importantly, the effect of NFATc1/C sumoylation is promoter specific. Taken together, SUMO modification alters the function of NFATc1 from an activator to a site-specific transcriptional repressor. This study unraveled a novel regulatory mechanism, which controls isoform specific NFATc1 function.