Das Gram-negative Bakterium Legionella pneumophila ist der Haupterreger der humanen Legionärskrankheit, einer schweren atypischen Pneumonie. Aufgrund mangelnder Diagnostik bleibt L. pneumophila als Krankheitsverursacher jedoch oft unerkannt. Neuesten Schätzungen des Kompetenznetzwerkes für ambulant erworbene Pneumonien (CAPNETZ) zufolge könnten Legionellen in Deutschland für jährlich ca. 21 000 Pneumonien verantwortlich sein, etwa doppelt so viele Fälle wie bisher angenommen. Die Pathologie der humanen Infektion zeichnet sich durch extrazelluläre Effekte aus, für die in den letzten Jahren vielfältige sekretierte Effektormoleküle (SSPs) verantwortlich gemacht wurden. Darüber hinaus tragen spezielle Sekretionsmaschinen wie das Dot/Icm Typ-IV-Sekretionssystem sowie ersten Hinweisen entsprechend Membranvesikel, die von der äußeren Membran der Bakterien abgeschnürt werden (OMVs), zur intrazellulären Pathogenität von L. pneumophila bei. In der vorliegenden Dissertation bildet die umfassende Charakterisierung des Sekretoms von L. pneumophila den Schwerpunkt. Diese ist untergliedert in (i) Untersuchungen zur OMV-Produktion im Lebenszyklus von L. pneumophila, (ii) Proteomcharakterisierung der Sekretomfraktionen SSP und OMV und (iii) funktionale Analyse der Sekretomfraktionen. Für einen Beitrag von OMVs zur L. pneumophila-Pathogenese ist deren Produktion während extra- und intrazellulären Wachstums essentiell. Mit Hilfe verschiedener Mikroskopie-Techniken wird in dieser Dissertation gezeigt, dass die Abschnürung von OMVs sowohl extrazellulär als auch intrazellulär in Legionella-spezifischen Phagosomen stattfindet und von einer intakten Bakterienmembran erfolgt. Des Weiteren werden OMVs nicht nur während der exponentiellen, sondern auch während der stationären Phase produziert. Diese Beobachtung ist bedeutend, weil sich L. pneumophila während der postexponentiellen Phase in die transmissive Form mit voller Virulenz differenziert und sich der Wechsel in die virulente Form folglich auch in der Zusammensetzung der OMVs widerspiegeln könnte. Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Proteomanalyse der Sekretomfraktionen. Die Proteinidentifikation ergab 181 nicht-redundante Proteine im L. pneumophila-Sekretom, von denen 107 für die SSP-Fraktion und 33 für die OMV-Fraktion hochspezifisch sind. In beiden Fraktionen sind insgesamt 22 Typ-II-Sekretionssubstrate enthalten, die verschiedene degradierende Enzymaktivitäten aufweisen. Außerdem wurden 38 bisher putative Typ-II-Substrate, 3 Typ-IV-Substrate und 7 Eukaryoten-ähnliche Proteine detektiert. Die Analyse der Verteilung der Proteine zeigt, dass der prozentuale Anteil der „Virulenz-/Pathogenese“-Proteine in der OMV-Fraktion mit 24% gegenüber 11% in der SSP-Fraktion mehr als doppelt so hoch liegt. Acht Faktoren, u. a. das Mip-Protein, einer der Haupt-Virulenzfaktoren von L. pneumophila, sind nur auf OMVs beschränkt. Dies könnte darauf hindeuten, dass OMVs als spezifische Transportmittel für Virulenz-assoziierte Effektoren dienen. In der funktionalen Analyse der SSP- und OMV-Fraktionen wurden anhand verschiedener Techniken Aspekte untersucht, die während des Infektionsprozesses eine Rolle spielen. Dabei zeigt sich, dass SSPs und OMVs proteo- und lipolytische Enzymaktivitäten besitzen, die zur Zerstörung der Alveolaroberfläche, zur Transmigration der Bakterien durch Lungenepithelbarriere und Basallamina und letztendlich zur Ausbreitung von L. pneumophila im Lungengewebe und zur Milz beitragen könnten. Jedoch konnten für OMVs keine naheliegenden zytotoxischen oder zytolytischen Eigenschaften nachgewiesen werden. In Alveolarepithelzellen können sie ein spezifisches Zytokinsekretionsprofil induzieren, was ihre modulierenden Effekte auf Wirtszellen bestätigt. Die gezeigte Bindung von OMVs an Alveolarepithelzellen bildet die Voraussetzung für eine Interaktion mit den Wirtszellen. Ob dabei eine Fusion mit der Zytoplasmamembran und ein möglicher Transfer von Effektoren in die Wirtszelle stattfinden, bleibt zu klären. Abschließend werden diskutierte Funktionen sekretierter OMVs während der L. pneumophila-Infektion in einem Modell zusammengefasst. Diese neuen Ergebnisse zum Proteom des Sekretoms und zur Funktion von L. pneumophila-OMVs tragen zum besseren Verständnis der Interaktion von L. pneumophila mit seiner Umwelt und der Pathogenese bei. Gleichzeitig liefern sie eine wichtige theoretische Grundlage für zukünftige Forschungsarbeiten über Interaktionsprozesse und beteiligter Effektoren, deren tiefgreifendes Verständnis die Vorraussetzung für die Entwicklung neuer Strategien in der Therapie von Legionella-Infektionen bildet. / The Gram negative bacterium Legionella pneumophila is the aetiological agent of Legionnaires’ disease, a severe atypical form of pneumonia. Due to poor diagnostics, in many cases L. pneumophila is not detected as causative organism. According to recent evaluations of the “Kompetenznetzwerkes für ambulant erworbene Pneumonien” (CAPNETZ), Legionella might be responsible for ca. 21.000 pneumonia every year in Germany, which is twice as much as originally estimated. Massive extracellular damages are typical features of the pathology during human infection, for which secreted effector molecules (SSPs) have been made responsible. Moreover, recent studies demonstrated that sophisticated secretion machineries like the Dot/Icm type-IV secretion system as well as membrane vesicles, which are pinched off the outer bacterial membrane (OMVs), can contribute to intracellular pathology of L. pneumophila. The present thesis deals with the comprehensive characterisation of the L. pneumophila secretome and is subdivided in (i) examinations on OMV production during the L. pneumophila life cycle, (ii) proteome characterisation of secretome fractions SSP and OMV, and (iii) functional analysis of the secretome fractions. To contribute to L. pneumophila pathogenesis, the production of OMVs during extra- and intracellular growth is essential. By applying various microscopical techniques it is shown that OMVs are pinched off from an intact bacterial membrane when residing extracellularly as well as intracellularly in Legionella-specific phagosomes. Moreover, OMVs are produced during exponential and stationary phase. This observation is of relevance as L. pneumophila differentiates into the transmissive form, which owns full virulence traits, during the post-exponential phase. Consequently, the transformation into the virulent form might be reflected in the composition of OMVs. The second section deals with the proteome analysis of secretome fractions. The protein identification resulted in 181 non-redundant L. pneumophila secretome proteins, of which 107 are highly specific for the SSP fraction and 33 for OMVs, respectively. Both fractions contain a total of 22 type-II secretion substrates which exhibit various degradative enzyme activities. Furthermore, 38 so far putative type-II substrates, 3 type-IV substrates and 7 eukaryotic-like proteins were detected. The analysis of the distribution of proteins demonstrates that the percentage of virulence-/pathogenicity-involved proteins differs heavily between 24% at the OMV fraction and 11% at the SSP fraction. Eight factors including Mip, which is one of the main virulence factors of L. pneumophila, were unique to OMVs. This suggests that OMVs might serve as specifc carriers for virulence-associated effectors. In the functional analysis of SSP and OMV fractions several techniques were applied to highlight aspects which play a role during the infection process. The results show that SSPs and OMVs possess proteolytic and lipolytic enzyme activities which might contribute to the destruction of the alveolar surface, the transmigration of bacteria through the lung epithelial barrier and the basal lamina, and finally to the dissemination of L. pneumophila in the lung tissue and to the spleen. However, neither cytotoxic nor cytolytic activities were observed for OMVs. In alveolar epithelial cells OMVs are able to induce a specific cytokine secretion profile, confirming their modulatory effects on host cells. The demonstrated bindung of OMVs on alveolar epithelial cells is the precondition for an interaction with host cells. Whether OMVs fuse with cytoplasmic membranes or transfer effector molecules into the host cell remains to be established. Finally, discussed functions of secreted OMVs during L. pneumophila infection are combined in a model. These results on the secretome proteome and the functions of L. pneumophila OMVs contribute to a better understanding of the interaction of L. pneumophila with its environment and of pathogenesis. At the same time the data provide an important theoretical basis for future studies on interaction processes and involved effectors, whose comprehensive understanding is required for the development of novel strategies in the therapy of Legionella infections.

In neurons the Ras signaling pathway is activated by a large number of various stimuli, including trophic factors, neurotransmitters and modulatory peptides. Guanine nucleotide exchange factors (GEFs) mediate the activation of Ras GTPases, by catalyzing the exchange of GDP for GTP, and facilitate signaling networks crosstalk. In this work, very-KIND (VKIND), a new brain specific RasGEF was structurally and functionally characterized. VKIND belongs to the KIND protein family along with the non-receptor tyrosine phosphatases type 13 and Spir actin nucleation factors. The kinase non-catalytic C-lobe domain (KIND) is similar to the C-terminal protein kinase catalytic fold (C-lobe) of the p21-activated kinase (PAK). The open reading frame (ORF) of the VKIND gene of 5229 base pairs was cloned. The VKIND ORF translates into a protein of 1742 amino acids residues with a size of 191 kD. The VKIND protein structure is highly conserved among species and at present the protein is found only in Vertebratae and Echinodermatae. The arrangement of two KIND domains at its amino-terminal region, KIND1 and KIND2, is depicted in its name. The KIND module functions as a molecular interaction structure that is deprived of any enzymatic activity. While the precise occupation of the KIND1 domain remains elusive, the KIND2 domain binds to the microtubules-associated protein 2 (MAP2). The protein central portion features two clusters of high conservation of yet unknown function as well as a coiled-coil motif with a putative multiple protein-protein interaction activity. At the carboxy-terminal region VKIND features a guanine nucleotide exchange factor for Ras-like small GTPases (RasGEF) with a structural RasGEFN motif attached at its N-terminal site. The VKIND RasGEF motif is structurally related to the yeast catalytic domain CDC25. The closest relation of the VKIND RasGEF domain with an average sequence identity of 23% is assigned to the RasGEF domains of exchange factors specific for Rap GTPases with two unique insertions: the first one of 24 amino acids in the N-terminal end of the domain (between helixes αA and αB of the SOS1 RasGEF module) and the second one of 11 amino acids in the C-terminal part (between, helixes αJ and αK of the Sos1 RasGEF module). The RasGEFN domain plays a critical role in sustaining the structural and catalytical integrity of the guanidine exchange factor. VKIND is specifically and highly expressed in the murine nervous system during embryonic development and adulthood. During embryogenesis VKIND expression is present in the murine neural tube, telencephalon, retinal ganglion cells, and rhombencephalon. In the adult murine brain VKIND expression is most prominent in the cerebellum, however exclusively restricted to the granular and Purkinje cell layers. Subcellular distribution studies and time-lapse analysis revealed the gradual accumulation of VKIND into highly motile circular particles which featured estimated maximum velocity of 12 μm/min. By merging the nascent structures progressively grew to estimated 2 μm in size suggesting a role for VKIND in the vesicular transport process. Furthermore, the KIND1/KIND2 region of the VKIND protein was found to be phosphorylated by the p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK), recently discovered to induce neurite outgrowth in response to hyperosmotic shock. In the light of VKIND negatively controlling neurite outgrowth, further elucidation of the complex Ras pathways may provide rewarding insights in the neuronal physiology. / Der Ras-Signaltransduktionsweg wird in Neuronen durch eine große Anzahl verschiedener Signale stimuliert. Hierzu gehören trophische Faktoren, Neurotransmitter und modulatorische Neuropeptide. GDP/GTP-Austauschfaktoren (GEFs) vermitteln die Aktivierung der kleinen Ras-GTPasen, indem sie den Austausch von GDP gegen GTP katalysieren, und hierbei ein Signalnetzwerk ermöglichen. In dieser Arbeit wurde ein neuer gehirnspezifischer Ras-GDP/GTP-Austauschfaktor, very-KIND (VKIND), strukturell und funktionell charakterisiert. VKIND gehört, zusammen mit der Nicht-Rezeptor-Tyrosinphosphatase Typ 13 und dem Aktinnukleator Spir, zu der KIND-Proteinfamilie. Die Kinase Non-catalytic C-lobe Domain (KIND) ist strukturell verwandt mit der C-terminalen katalytischen Domäne (C-Lappen) der p21-aktivierten Proteinkinase (PAK). Der Offene Leserahmen aus 5229 Basenpaare des VKIND Gens wurde kloniert. Dieser kodiert für ein Protein aus 1742 Aminosäuren mit einem Molekulargewicht von 191 kD. Die Proteinstruktur des VKINDs ist hoch konserviert und kommt nur in Wirbeltieren und Stachelhäutern vor. Das Vorkommen von zwei KIND-Domänen in der aminotermianlen Region ist für dessen Namensgebung verantwortlich. Die KIND-Domäne fungiert als Protein-Interaktionsmodul ohne bisher bekannte katalytische Eigenschaften. Während die Funktion der KIND1-Domäne noch geklärt werden muss, bindet die KIND2-Domäne das Mikrotubuli-assoziertes Protein 2 (MAP2). Die zentrale Region des Proteins weist zwei hoch konservierte Cluster mit noch unbekannter Funktion auf, sowie ein Super-Helix-Motiv, coiled-coil, welches ein potentielles Protein-Interaktionsmodul darstellt. In der carboxyterminalen Region weist VKIND ein Guaninnukleotid-Austauschfaktor für die Protein-Superfamilie der kleinen Ras GTPasen (RasGEF) auf, welches sich in direkter Nachbarschaft des N-terminalen Strukturmotivs RasGEFN befindet. Das VKIND RasGEF-Modul ist strukturell mit der katalytischen Domäne CDC25 aus S. cerevisiae verwandt. Die Aminosäurensequenz der VKIND RasGEF-Domäne weist mit einer Homologie von 23% eine enge Verwandtschaft zur RasGEF-Domäne für RapGTPasen auf. Jedoch unterscheiden sich diese durch zwei zusätzliche Insertionen in der VKIND RasGEF-Domäne. Die Erste aus 24 Aminosäureresten bestehende Insertion ist im N-terminalen Bereich der RasGEF-Domäne zwischen den Helices αA und αB des SOS1 RasGEF Moduls lokalisiert, während die Zweite aus elf Aminosäureresten bestehende Insertion im C-terminalen Bereich zwischen den Helices αJ und αK des SOS1 RasGEF Moduls lokalisiert ist. Die RasGEFN-Domäne spielt eine wichtige Rolle für die strukturelle und katalytische Integrität der GEF-Domäne. Im Maus-Embryo und in der adulten Maus wird VKIND spezifisch im Nervensystem exprimiert. Während der Embryogenese findet eine starke VKIND-Expression in dem murinen Neuralrohr, dem Telencephalon, dem Retinal-Ganglion und dem Rhombencephalon statt. Für die adulte Maus ist dagegen eine starke Expression ausschließlich in der Purkinje- und der Körner-Zellschicht des Cerebellums charakteristisch. Studien der subzellulären Verteilung und Zeitraffer-Video-Analysen zeigten die graduelle Akkumulation des VKIND Proteins in freibeweglichen zytoplasmatischen Partikeln. Diese zirkulären Partikeln wuchsen hierbei bis zu einer Größe von 2 μm an und bewegten sich mit einer Geschwindigkeit von maximal 12 μm/min. Dies deutet auf eine mögliche Rolle des VKINDs bei dem vesikulären Transport hin. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die VKIND KIND1/KIND2-Region durch die p38 MAP-Kinase phosphoryliert wird. Vor kurzem wurde von anderen Gruppen ein p38-induziertes Neuritenwachstum als Antwort auf einen hyperomotischen Schock untersucht. Im Zusammenhang mit dem inhibitorischen Effekt des VKINDs auf das Neuritenwachstum könnte dies zur weiteren Aufklärung des komplexen Ras-Signalweges und der neuronalen Physiologie beitragen.

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VACV GLV-1h68 was reported as a diagnostic/therapeutic vector which enters, replicates in, and reveals the locations of tumors in mice. Furthermore, the effect on tumor colonization, on tumor growth, regression and eradication by VACV GLV-1h68 without the need of any known genes with anti-tumoral activities was determined. To investigate differential protein expression between infected tumor cells and corresponding tumors, as well as between infected tumor cells, between infected tumors, proteomics is particularly used, possibly contributing to the understanding oncolytic ability on the protein level of VACV GLV-1h68. The given effects of VACV GLV-1h68 infection on cellular protein expression support tumor cell killing. In this study, differential protein expression was analyzed at different time points with two-dimensional gel electrophoresis (2DE) followed by MALDI-TOF/TOF identification. Comparative analysis of multiple 2-DE gels revealed that the majority of protein expression changes appeared at 48 hours post infection in cell cultivation and at 42 days post infection in tumors. Mass spectrometry identified 68, 75, 159 altered cellular proteins in the GI-101A, HT-29, PC-3 infected cells, respectively, including 30, 23, 49 up-regulated proteins and 38, 52, 110 down-regulated proteins 12 to 48 hours after infection. For xenografts, mass spectrometry identified 270, 101, 91 altered cellular proteins in the infected GI-101A, HT-29, PC-3 tumors, respectively, including 89, 70, 40 up-regulated proteins and 181, 31, 51 down-regulated proteins 7 to 42 days after infection. In general, in the cell lines, the proteins found to be differentially regulated are most often associated with metabolic processes, in particular with primary energy metabolism (glucose catabolism, TCA and lactate production). VAVC GLV 1h68 infection results in hijacking of the host translation apparatus, alteration of cytoskeleton networks, induce ubiqitin proteasome pathway (UPP) disorders. Particularly in tumors, the responses cover a much broader panel of cellular processes, including signalling (e.g., cell death), transport (in particular of iron ions) and migration. A common pathway to be up-regulated in both tumors and cell lines is the "unfolded protein response". Notably, VACV GLV-1h68 affected the anti-apoptosis pathways in GI-101A and PC-3 cancer cells but not in HT-29 xenografts. For example, GI-101A xenografts in mice appear 12 proteins associated with anti-apoptosis function. They were found down-regulated, including tumor protein-translationally-controlled (H-TPT1), rho-GDP-dissociation inhibitor alpha (H-GDIa), ywhaq protein (M-1433T), H-PRDX4, serine/threonine-protein phosphatase-2A-catalytic subunit beta isoform PP2A (M-Ppp2cb), eukaryotic translation initiation factor 2-subunit 1 alpha-35kDa (H-eIF2), H-actinin-α1 (ACTN1 ), Annexin A1 (H-A1), annexin A5 (H-A5), Mouse albumin 1 (M-Alb1), dimethylarginine dimethylaminohydrolase 2 (H-DDAH2). In PC-3 xenografts, anti-apoptosis expression is lesser than those in GI-101A cells, however 3 anti-apoptosis associated proteins were down-regulated such as ARP3 actin-related protein-3-homolog (H-ARP3), Human FLNA protein, Rho GDP dissociation inhibitor (GDI) alpha (H-GDIa). In contrast, in HT-29 xenografts, there are several anti-apoptosis-associated proteins that show even to be up-regulated; they mostly belong to peroxiredoxin proteins. Lesson from HT-29 had been given what various means the HT-29 cells use to escape their apoptosis fate. This suggests that VAVC GLV1h68 infection may induce unbalance of unfolded protein response (UPR) but tending to anti-apoptosis-mediated proteins and promote the destructive elements of UPR, including caspase-12 cleavage and apoptosis. Taken together in this thesis research I have tried to compare protein profiles obtained from responder cell line and from regressing solid tumors colonized by VAVC GLV-1h68 with that of non-responding tumors. I also compared these data with PC-3 prostate cell line and tumor data on intermediate responder which alter mouse protein profiling in tumors similarly to the highly efficacious GI-101A breast tumor cell line. From these comparisons I have deduced exciting protein pattern signature characteristic for a responder or distinctly different from non-responder system. Combining these few crucial genes involved with the transcriptional test data obtained by fellow graduate student at NIH a novel national designed VACV GLV-1h68 strains with enhanced efficacy in many today non-responder cancer cell lines will be available to be tested into ongoing clinical trials. / Es ist bekannt, dass sich VACV GLV-1h68 sowohl als diagnostischer als auch therapeutischer Vektor eignet, der sich in Tumoren ansiedelt, darin repliziert und dass mit dessen Hilfe die Lokalisation von Tumoren bestimmen werden kann. Weiterhin konnte bereits gezeigt werden, dass der Effekt von GLV-1h68 auf die Tumor-Kolonisierung, das Tumorwachstum, die -regression und -vernichtung zustande kommt, ohne dass irgendwelche bekannten Gene mit anti-tumoraler Aktivität dazu notwedig wären. Um die differentielle Proteinexpression vergleichend sowohl zwischen uninfizierten und infizierten Tumorzellen als auch zwischen den korrespondierenden uninfizierten und infizierten Tumoren zu untersuchen, wurden proteomische Methoden angewandt. Ziel dieser Arbeit war es, mehr über die onkolytische Fähigkeit von GLV-1h68 auf Proteinebene zu erfahren. Die dargestellten Effekte der VACV GLV-1h68 Infektion auf die zelluläre Proteinexpression legen eine selektive Vernichtung von Tumorzellen nahe. In dieser Arbeit wurde die differentielle zelluläre Proteinexpression zu verschiedenen Zeitpunkten nach Infektion mit Hilfe der zweidimensionalen Gelelektrophorese (2-DE) gefolgt von MALDI-TOF/TOF-Identifikation der Proteine analysiert. Die vergleichende Analyse mehrerer 2-DE Gele zeigte, dass sich das Proteinexpressionsmuster bei Zellen aus in vitro Kulturen 48 hpi dramatisch verändert. Bei Zellen aus solidem Tumorgewebe erfolgen 42 Tage nach Infektion ebenfalls derartige dramatische Veränderungen. Mittels Massenspektroskopie wurden in GI-101A-Zellen 68, in HT-29-Zellen 75 und in PC-3-Zellen 159 alteriert exprimierte zelluläre Proteine nach VACV-Infektion beobachtet. Davon werden 30, 23 bzw. 49 hochreguliert und 38, 52 bzw. 110 niederreguliert. Diese „up“- bzw. „down“-Regulation erfolgte zwischen 12 und 48 h nach Virusinfektion. In Virus-besiedelten Xenograft-Tumoren wurden mittels Massenspektroskopie in GI-101A-, HAT-29- bzw. PC-3-Tumoren 270, 101 bzw. 91 alteriert exprimierte Proteine festgestellt. Von diesen wurden zwischen 7 und 42 Tagen nach Infektion 89, 70 bzw. 40 „up“-reguliert und 181, 31 bzw. 51 „down“-reguliert. Interessanterweise sind die in den Zelllinien differentiell regulierten Proteine meist mit metabolischen Prozessen, besonders mit dem primären Energiemetabolismus wie Glucose-Katabolismus, Zitronensäurezyklus und der Milchsäure-Produktion assoziiert. Eine VACV GLV-1h68-Infektion generall führt zur Umfunktionierung des Wirts-Translationsapparates zur Synthese von Virusproteinen, zur Umgestaltung des Zytoskeletts und zur Derangierung des Ubiquitin-anhängigen Proteasom-Abauweges. Insbesondere in Virus-infizierten Tumor-Xenograften ist eine weitere Palette von zellulären Prozessen alteriert. Dies umfasst die Signaltransduktion (einschließlich derjenigen, die zum Zelltod führen), Transportprozesse (hier ist vor allem der Eisentransport betroffen) und die Zellmigration. Ein gemeinsamer Signalweg, der sowohl in Zelllinien als auch in den Tumoren hochreguliert ist, ist die „unfolded protein response (UPR)“. Bemerkenswerterweise beeinflusst die VACV GLV-1h68-Infektion die anti-apoptotischen Signalwege in GI-101A und PC-3-Zellen, deren korrespondierende Tumoren nach Virusinfektion eine Regression aufweisen (regressive Tumoren), nicht jedoch in HT-29-Xenograften, die nach Infektion nicht mit Regression reagieren (nicht-regressive Tumoren). So werden z.B. in Virus-infizierten GI-101A-Xenograften 12 Proteine mit Anti-Apoptose-Funktion vermindert exprimiert, darunter tumor protein-translationally-controlled (H-TPT1), rho-GDP-dissociation inhibitor alpha (H-GDIa), ywhaq protein (M-1433T), H-PRDX4, serin/theronin-protein phosphatase-2A-catalytic subunit beta isoform PP2A (M-Ppp2cb), eukaryotic translation initiation factor 2-subunit alpha-35kDA (H-eIF2), H-actinin-α1 (ACTN1), annexn A1 (H-A1), annexin A5 (H-A5), mouse albumin 1 (M-Alb1), dimethylarginine dimethylaminohydrolase 2 (H-DDAH2). In PC-3-Xenograften werden lediglich drei anti-apoptotisch aktive Proteine, ARP3 actin-related protein-3-homolog (H-ARP3), human FLNA protein und rho GDP dissociation inhibitor (GDI) alpha (H-GDIa), niederreguliert. Im Gegensatz dazu werden in den nicht-regressiven HT-29-Tumoren anti-apoptotische Proteine sogar verstärkt exprimiert. Diese gehören vor allem zu den Peroxiredoxin-Proteinen. Diese Erkenntnisse geben Hinweise darauf, mit welchen Mechanismen HT-29-Tumorzellen der Apoptose entgehen. Die Vaccinia-Virus-Infektion scheint vor allem die UPR und Anti-Apoptose-Proteine zu beeinflussen. Weitere Untersuchungen sind in Zukunft nötig, um im Detail herauszufinden, wie die VACV-Infektion die UPR in Tumorzellen induziert und ob einige Elemente der UPR möglicherweise neue Ansätze zu einer verbesserten Tumortherapie darstellen könnten.

Die angeborene Immunität ist entstanden als Schutz gegenüber einer Vielzahl schädigender Einflüsse, denen ein Organismus ausgesetzt ist, und dient im Besonderen der sofortigen Abwehr von Krankheitserregern. Sie basiert auf der Funktion verschiedener keimbahnkodierter Rezeptoren und Sensoren, wie etwa den Toll-like Rezeptoren, die bestimmte fremdartige Strukturen der Krankheitserreger erkennen und daraufhin diverse Immunabwehrmechanismen auslösen. Hierbei kann die Detektion der Fremdstrukturen zum einen über die Aktivierung von Transkriptionsfaktoren, wie AP-1, NF-kB und IRFs, die Produktion antiviraler und proinflammatorischer Zytokine verursachen, welche daraufhin auf andere Zellen einwirken. Zum anderen kann die Detektion der Fremdstrukturen auch direkte immunologische Effektorfunktionen in der betroffenen Zelle auslösen. Die diversen Signale der Zytokin- und Detektionsrezeptoren münden in gemeinsamen Signalwegen, die daraufhin zur Induktion der verschiedenen Immuneffektorfunktionen führen. Häufig kommt es zunächst zu einer Aktivierung von NF-kB, was der antiviralen Abwehr, der Beseitigung anderer Störungen und dem Überleben der Zelle unter Stress dient. Wenn der schädigende Einfluss zu lange anhält, kann es stattdessen zur Initiation des programmierten Zelltodes kommen. Der programmierte Zelltod wird als sehr effektive Abwehrstrategie vielzelliger Organismen betrachtet, welcher die Ausbreitung intrazellulärer Erreger im Körper verhindert. Dies beruht darauf, dass die betroffene Zelle abstirbt, bevor der Erreger in der Lage ist, sich zu vervielfältigen und auf benachbarte Zellen zu übertragen. Da Viren als intrazelluläre Parasiten jedoch auf den Metabolismus ihrer Wirtszellen angewiesen sind, mussten sie im Laufe ihrer Evolution vielseitige Immunevasionsfunktionen etablieren, um sich trotz der effektiven antiviralen Wirksamkeit der angeborenen Immunität in den Wirtszellen vermehren zu können. In dieser Arbeit konnte ein vielseitiger Immunevasionsmechanismus des murinen Cytomegalovirus aufgedeckt werden. Am Anfang der Arbeit stand die Beobachtung, dass rekombinante murine Cytomegaloviren, die kein funktionsfähiges M45-Protein exprimieren, nicht mehr in der Lage waren, sich in Endothelzellkulturen auszubreiten, was auf die vorzeitige Induktion des programmierten Zelltodes zurückgeführt wurde. Der Mechanismus, wie das murine Cytomegalovirus-Protein M45 die Einleitung des programmierten Zelltodes verhindert, sollte in dieser Arbeit aufgeklärt werden. In ersten Untersuchungen konnte bestätigt werden, dass M45 tatsächlich in der Lage ist, infizierte Zellen vor Todesrezeptor-vermitteltem Zelltod zu schützen. Über die Analyse von M45-Interaktionspartnern wurde daraufhin aufgedeckt, dass M45 das zentrale zelluläre Adapterprotein RIP1 angreift, welches an einem Schnittpunkt verschiedener immunologischer Detektionssysteme und Zytokinsignalwege steht. Durch die Bindung an 5 RIP1 kann M45 die Aktivierung des Transkriptionsfaktors NF-kB nach Stimulation des TLR3 unterbinden, was wahrscheinlich eine wichtige Rolle bei der Detektion einer CMV-Infektion spielt. Des Weiteren inhibiert M45 die Aktivierung von NF-kB und der p38 MAP-Kinase nach TNF-a-Stimulation. Die vermutlich wichtigste Funktion hingegen, die M45 durch die Inhibition von RIP1 ausübt, ist die Verhinderung des Caspase-unabhängigen programmierten Zelltodes infizierter Zellen nach Einwirkung von TNF-a. Diese Funktion erklärt den ursprünglich beobachteten Phänotyp der M45-Deletionsmutante. Es konnte gezeigt werden, dass M45 diese wichtigen Immunevasionsfunktionen allein ohne weitere virale Proteine erfüllen kann. Sowohl für die Bindung an RIP1 als auch für die Inhibition der TNF-a-induzierten NF-kB-Aktivierung scheint nur der C-terminale Teil des M45 benötigt zu werden. Als molekulare Grundlage konnte nachgewiesen werden, dass M45 die Ubiquitinierung von RIP1 verhindert, welche als Stimulus-abhängige Aktivierung dieses Adapterproteins betrachtet wird. Auf diese Weise werden die verschiedenen RIP1- abhängigen Signalwege von M45 blockiert. Diese Inhibition RIP1-abhängiger Signalwege durch das MCMV-Protein M45 stellt einen neuen viralen Evasionsmechanismus dar, mit dem gleichzeitig mehrere antivirale und proinflammatorische Signalwege inhibiert werden können und der vermutlich entscheidend zur erfolgreichen Vermehrung und Pathogenese des murinen Cytomegalovirus beiträgt. / Innate immunity has evolved as protection against the multitude of harmful influences which an organism encounters and serves in particular the immediate defence against pathogens. It is based on different germ line-encoded receptors and sensors, as for example Toll-like receptors, which detect specific foreign structures on pathogens and activate diverse immune defence mechanisms. On the one hand the detection of foreign structures can lead via activation of transcription factors such as NF-kB, AP-1 and IRFs to the production of proinflammatory and antiviral cytokines, which in turn act on neighbouring cells. On the other hand the detection of foreign structures can cause direct immunological effector functions in the primary cell. The various signals of detection and cytokine receptors combine in common signalling pathways which induce different immune effector functions. This usually results in initial activation of NF-kB, which serves the antiviral defence, the elimination of other disturbances and the survival of the cell under stress. When the harmful impact lasts too long, it can result instead in the initiation of programmed cell death. Programmed cell death is regarded as very effective defence strategy of multicellular organisms which anticipates the spread of intracellular pathogens in the body. This is based on the fact that the infected cell dies before the pathogen is able to proliferate and spread to neighbouring cells. 6 Since viruses as intracellular pathogens rely on the host cell’s metabolism, they had to establish miscellaneous immune evasion mechanisms during their evolution, to be able to replicate in host cells regardless of the effective antiviral potency of innate immunity. This study revealed an impressively versatile immune evasion mechanism of murine cytomegalovirus. The project is based on the initial observation that recombinant murine cytomegaloviruses which lack a functional M45 protein were not anymore able to replicate in endothelial cell cultures, which was attributed to premature initiation of programmed cell death. The aim of this study was to reveal the mechanism how the murine cytomegalovirus protein M45 prevents the induction of programmed cell death. First experiments confirmed that M45 was able to protect infected cells from death receptor induced programmed cell death. Through the analysis of M45 interaction partners it was discovered that M45 impedes the cellular adapter protein RIP1, which stands at the intersection of different immunological detection systems and cytokine signalling pathways. Through binding to RIP1 M45 is able to prevent the activation of NF-kB after stimulation of TLR3, which probably plays an important role for the detection of cytomegalovirus infections. Furthermore M45 inhibits the activation of NF-kB and the p38 MAP kinase after stimulation with TNF-a. However the presumably most important function which M45 fulfils by interacting with RIP1 is the inhibition of TNF-a induced caspase-independent programmed cell death of infected cells. This function accounts for the originally observed phenotype of the M45 deletion mutant. It has been shown that M45 is able to fulfil this function on its own without other viral proteins. For the binding to RIP1 as well as for the inhibition of TNF-a-induced NF-kB activation just the C-terminal part of M45 seems to be necessary. As molecular basis it was found that M45 inhibits the ubiquitination of RIP1 which is considered as stimulus-dependent activation of this adapter protein. In this way the different RIP1-dependent signalling cascades are blocked. This inhibition of RIP1-dependent signalling pathways by the MCMV protein M45 presents a new viral immune evasion mechanism, which inhibits several antiviral and proinflammatory signalling cascades at once and which probably contributes decisively to successful propagation and pathogenesis of murine Cytomegalovirus.

Die Aktivität des Transkriptionsfaktors NF-kappa B wird hauptsächlich durch inhibitorische I kappa B-Proteine kontrolliert,die durch die I kappa B-Kinasen 1 und 2 phosphoryliert und anschließend degradiert werden.Dadurch werden ver-schiedene zelluläre Prozesse wie Differenzierung und Aktivierung beeinflusst. Um die Rolle von NF-kappa B in der Differenzierung lymphoider Zellen zu untersuchen,wurden nichtdegradierbare Mutanten der I kappa B-Proteine in trans-genen Mäusen mit Hilfe des Tet-off-Systems exprimiert.Dieses erlaubt die kon-ditionale,gewebespezifische Expression der Mutanten.Im Thymus von tTA/tetI kappa B alpha-transgenen Mäusen konnte eine doxyzyklinabhängige Reduktion der CD8+-Thymozyten beobachtet werden.Eine Einschränkung der Analyse späterer Ent-wicklungsstadien war die zeitlich begrenzte Expression des Transgens,die nur in frühen Entwicklungsstadien stattfand.Die B-Zellentwicklung wurde anhand eines in vitro Differenzierungssystems nachvollzogen,das die Differenzierung von prä-B-Zellen zu unreifen bzw.reifen B-Zellen erlaubt.Dabei zeigte sich,dass ein transdominantes I kappa B alpha beide Differenzierungsschritte nahezu vollstän-dig hemmt,aber nur,wenn das endogene I kappa B alpha nicht vorhanden ist. Die Beteiligung von NF-kappa B an der inflammatorischen ktivierung von Endothel-zellen wurde mit Hilfe von retroviralen Infektionen untersucht.Dabei wurden neben mutanten I kappa B-Proteinen auch kinase-inaktive oder konstitutiv-aktive Mutanten der I kappa B-Kinasen verwendet.Die transdominanten I kappa B-Proteine sowie die kinase-inaktive IKK2 waren in der Lage,die TNF-alpha-induzierte Ex-pression aller untersuchten Chemokine und Adhäsionsmoleküle komplett zu hem-men.Dagegen wurde durch die kinase-inaktive IKK1 nur ein Teil der untersuchten Moleküle in ihrer Expression beeinflusst.Interessanterweise war eine konstitu-tiv-aktive IKK2 schon in der Abwesenheit von TNF-alpha in der Lage,die Expres-sion der untersuchten Proteine zu aktivieren.Die durch die Mutanten veränderte Expression der Adhäsionsmoleküle und Chemokine hatte auch einen Einfluss auf die in vitro Adhäsion und Transmigration von Monozyten. / The activity of the transcription factor NF-kappa B is mainly controlled by the inhibitory I kappa B proteins which are phosphorylated by the I kappa B kinases 1 and 2.This phosphorylation leads to the degradation of the I kappa B proteins thereby releasing NF-kappa B to the nucleus.The active NF-kappa B influences se-veral cellular processes like differentiation and activation. To investigate the role of NF-kappa B in the differentiation of lymphoid cells,nondegradable mutants of the I kappa B proteins were expressed in transge-nic mice based on the tet-off system.This allows the conditional tissue-speci-fic expression of the mutants.In the thymus of tTA/tetI kappa B alpha transge-nic mice,a doxycyclin-dependent reduction of the CD8+ thymocytes could be obser-ved.One restriction for the analysis of later stages of the development was the expression pattern of the transgene which was restricted to early developmental stages.The development of the transgenic B cells was investigated with an in vitro differentiation system which allows the differen-tiation to immature or mature B cells,respectively.The transdominant I kappa B alpha inhibits both steps of the differentiation almost completely,but only if the endogenous I kappa B alpha is absent. The involvement of NF-kappa B in the inflammatory activation of endothelial cells was studied by retroviral infections.In addition to the mutant I kappa B proteins,kinase-inactive or constitutively active versions of the I kappa B ki-nases were used.The transdominant I kappa B mutants as well as the kinase-inac-tive IKK2 were able to inhibit the TNF-alpha induced expression of all inve-stigated chemokines and adhesion molecules completely.In contrast,the kinase-inactive IKK1 influenced the expression of only a subset of the investigated genes.Interestingly,the constitutively active IKK2 could activate the expression of the investigated proteins already in the absence of TNF-alpha.The altered expression of adhesion molecules and chemokines also in-fluenced the in vitro adhesion and transmigration of monocytes.

Die Gelbbauchunke Bombina variegata gilt als eine typische Pionierart, die bevorzugt vegetationslose, ephemere Gewässer mit hohem Austrocknungsrisiko als Laichgewässer nutzt. Kleinstgewässer dieser Art zeichnen sich durch hohe Fluktuationen abiotischer (Temperatur, Ionenkonzentration, Wasserstand), aber auch biotischer Faktoren (Dichte, Räuberdruck) aus. In Anpassung an das zeitlich und räumlich unvorhersehbare Auftreten dieser Gewässer hat die Gelbbauchunke eine für eine temperate Art außergewöhnlich lange Fortpflanzungsperiode (April - August). Die Weibchen zeigten während der Saison eine kontinuierliche Eientwicklung, die es ihnen erlaubt, opportunistisch mehrfach abzulaichen und damit eine zeitliche Risikostreuung der Gelege zu betreiben. Darüber hinaus nutzt Bombina variegata alle Möglichkeiten der räumlichen Risikostreuung, indem sie ihre Gelege in kleinen Portionen innerhalb von Pfützen, aber auch auf verschiedene Pfützen verteilt. Die hohe Variabilität in den produzierten Eigrößen, besonders zwischen den Gelegen verschiedener Weibchen, ließ auf den ersten Blick eine weitere Strategie zur Risikostreuung vermuten; allerdings war die Eigröße von der Kondition der Weibchen abhängig: während gut konditionierte Weibchen in der Lage waren, sowohl größere Eier als auch größere Gelege zu produzieren, gingen schlechter konditionierte Weibchen einen „trade-off“ zugunsten einer möglichst hohen Fekundität ein. Unter günstigen Bedingungen greift diese Strategie, während die Produktion überdurchschnittlich großer Eier unter Austrocknungsbedingungen von Vorteil ist: Kaulquappen großer Eier hatten eine entsprechend größere Schlupfgröße und zeigten gegenüber Quappen kleinerer Eier eine beschleunigte Entwicklung. Auch bei den Labor- und Freilanduntersuchungen, die sich mit der Frage be-schäftigten, wie Bombina variegata auf kritische Veränderungen des Wasservo-lumens reagiert, war eine enorme Variabilität in den Wachstums- und Entwicklungsverläufen der Kaulquappen der verschiedenen Ansätze zu beobachten, die sich nur bedingt auf abweichende Versuchsbedingungen zurückführen ließ; vielmehr dürfte die qualitative Ausstattung der Quappen eine wesentliche Rolle gespielt haben. Dabei kristallisierten sich in den verschiedenen Versuchen zwei unterschiedliche Entwicklungsstrategien heraus: Kaulquappen, die eine insgesamt relativ lange Entwicklungszeit benötigten, zeigten eine hohe phänotypische Plastizität und reagierten adaptiv auf abnehmende Wasserstände, indem sie ihre Entwicklung auf Kosten ihres Wachstums beschleunigten. Bei Quappen, die im Durchschnitt eine wesentlich schnellere Entwicklungszeit besaßen, war diese per se günstige hohe Entwicklungsrate dagegen fixiert, unabhängig davon, während welcher Entwicklungsphase die Quappen auf veränderte Bedingungen umgestellt wurden. Unter verschlechterten Bedingungen zeigten sie lediglich Wachstumseinbußen. Ähnlich reagierten Kaulquappen auf zunehmende Ionenkonzentrationen bzw. sinkende Wasserstände. Dagegen wirkte sich Ammoniak, Exkretionsprodukt von Amphibienlarven, in erhöhten Konzentrationen stark negativ aus und beeinträchtigte sowohl das Wachstum als auch die Entwicklung der Quappen. Auf Räuber, die im Vergleich zum Austrocknungsrisiko temporärer Gewässer eine eher untergeordnete Rolle spielen, reagierten Bombina variegata-Quappen nur bedingt. Erst nach Fütterung der Libellenlarven mit Unkenquappen schränkten sie vorübergehend ihre Aktivität ein und mieden den räubernahen Bereich, ohne dass dadurch die Entwicklungsgeschwindigkeit oder das Wachstum der Quappen beeinträchtigt wurde; allerdings war eine erhöhte Mortalität zu beobachten. / The yellow-bellied toad, Bombina variegata, lives in highly dynamic habitats, where she predominantly uses shallow pools with no vegetation as breeding sites. These temporary ponds have a high risk of desiccation and show strong fluctuations in abiotic (e.g. temperature, ion concentration, water level) as well as biotic factors (e.g. density, predation pressure). In accordance with the unpredictability of breeding sites in time and space, Bombina variegata has an unusually long breeding season for a temperate zone species lasting from April to August. During this period females showed continuous egg development, allowing for repeated opportunistic spawning bouts as a temporal risk spreading strategy. Besides, B. variegata uses all opportunities of spacial risk spreading by distributing her eggs within as well as between different pools. A high variability of egg sizes, especially between clutches of different females was observed indicating another risk spreading strategy. However, mean egg size was dependent on the condition of the female: while females with an above average condition were able to produce both, large eggs as well as large clutches, females of lower condition were forced to undergo a trade-off, aiming at a high fecundity but at the cost of reduced egg size. This is a successful strategy under favourable conditions, however under drying conditions the pro-duction of large eggs is of major advantage: tadpoles from large eggs had larger hatching sizes and metamorphosed earlier than tadpoles from small eggs. Furthermore, an enormous variability in mean size at metamorphosis and devel-opmental time was observed in a series of lab and field experiments where tad-poles were exposed to varying water volumes. These findings cannot fully be attributed to differences in experimental design, but rather indicate inherent differences of tadpoles of different cohorts. Basically, two developmental strategies were observed: tadpoles exhibiting a long larval period had a high phenotypic plasticity and showed an adaptive trade-off under decreasing water levels, ac-celerating their development at the cost of reduced growth. On the other hand, tadpoles that developed at a faster rate in the first place showed a fixed devel-opment and merely reduced their growth, no matter at which developmental stage the change to unfavourable conditions occurred. Similar results were ob-tained when tadpoles were exposed to increases in ion concentrations or to wa-ter level reductions. However, increased levels of ammonia, the excretion prod-uct of tadpoles, led to a major negative impact on both, growth and development of the tadpoles. In comparison to the risk of desiccation, predators play only a minor role in temporary ponds. Accordingly, Bombina variegata tadpoles reduced their activity and avoided the area of the dragonfly larvae only temporarily, after these were fed with tadpoles. Neither growth nor development of the larvae were impaired; however, a higher mortality was observed.

Plants have evolved an elaborate system to cope with a variety of biotic and abiotic stresses. Typically, under stress conditions an appropriate defense response is invoked which is accompanied by changes in the metabolic status of the plant. Photosynthesis is downregulated and sucrose is imported into the tissue, which provides a faster and more constant flux of energy and carbon skeletons to perform the defense response. Interestingly, these processes are co-ordinately regulated and the signal transduction chains underlying these cellular programs appear to share at least some common elements. Both the induction of sink metabolism and defense response is dependent on signal transduction pathways involving protein phosphorylation. Furthermore, regulation of extracellular invertase (INV) and phenylalanine ammonia lyase (PAL) which are markers for sink metabolism and defense response is preceded by the transient activation of MAP kinases. In depth analysis of MAP kinase activation by partial purification led to the discovery that, depending on the stimulus, different subsets of MAP kinases are activated. This differential MAPK activation is likely to possess a signal encoding function. In addition, the partial purification of MAP kinases was found to be suitable to address specific cellular functions to individual MAP kinase isoenzymes. By this way, LpWIPK was identified as the major MAP kinase activity induced after stimulation of tomato cells with different elicitors. LpWIPK is thus considered as a key regulator of defense response together with sink induction in tomato. A study using nonmetabolisable sucrose analogs revealed that the regulation of photosynthesis is not directly coupled to this signal transduction pathway since it is independent of MAP kinase activation. Nonetheless, downregulation is induced by the same stimuli that induce the defense response and sink metabolism and it will therefore be interesting to uncover the branch points of this signalling network in the future. MAP kinases are not only central components regulating the response to biotic stresses. In addition to e.g. pathogens, MAP kinases are as well involved in signal transduction events invoked by abiotic stresses like cold and drought. In a recent study, we could show that a MAP kinase is activated by heat stress, under conditions a plant will encounter in nature. This previously unknown MAP kinase is able to specifically recognise the heat stress transcription factor HsfA3 as a substrate, which supports a role of this MAP kinase in the regulation of the heat stress response. Moreover, the observation that HsfA3 is phosphorylated by the heat activated MAP kinase in vitro provides a promising basis to identify HsfA3 as the first physiological substrate of a plant MAP kinase. Intracellular protons have been implicated in the signal transduction of defense related signals. In a study using Chenopodium rubrum cells, we could show that cytosolic changes in pH values do not precede the regulation of the marker genes INV and PAL. Depending on the stimulus applied, cytosolic acidification or alkalinisation can be observed, which excludes a role for protons as signals in this pathway. Together with the concomitant changes of the pH value of the extracellular space, these variations can thus be considered as terminal part of the defense response itself rather than as a second messenger. WRKY transcription factors have only recently been identified as indirect targets of a central plant MAP kinase cascade. In addition, the identification of cognate binding sites in the promoters of INV and PAL supports a role for these proteins in the co-ordinate regulation of defense response and sink induction. A novel elicitor responsive WRKY transcription factor, LpWRKY1, was cloned from tomato and characterised with respect to its posttranslational modification. This immediate early transcription factor is transiently induced upon pathogen attack and the induction is dependent on phosphorylation. Furthermore, it was shown for the first time with respect to WRKY transcription factors, that LpWRKY1 is phosphorylated in vivo. Analysis of the role of this phosphorylation by in gel assays using recombinant WRKY protein as the substrate revealed two protein kinases that are transiently activated during the defense response to phosphorylate LpWRKY1. This data demonstrates that WRKY proteins require phosphorylation to modulate their DNA binding or transactivating activity. / Pflanzen haben ein aufwendiges System entwickelt um auf verschiedene Umweltreize zu reagieren. Meist wird unter Stressbedingungen ein passendes Abwehrprogramm aktiviert. Gleichzeitig wird die Photosynthese im jeweils betroffenen Gewebe abgeschaltet und stattdessen Saccharose importiert. Dieser Source-Sink Übergang stellt sicher, dass Energie und Kohlenstoffbausteine für die Abwehr schnell zur Verfügung stehen. Diese beiden Prozesse sind koordiniert reguliert und die zugrundeliegenden Singnaltransduktionswege scheinen wenigstens einige Komponenten gemeinsam zu haben. Sowohl die Induktion des Sink Metabolismus (gemessen an der Induktion der extrazellulären Invertase, INV) als auch des Abwehrprogramms (gemessen an der Induktion der Phenylalanin Ammonia-Lyase, PAL) sind von Phosphorylierungen abhängig. Außerdem geht der Induktion beider Gene die transiente Aktivierung von MAP Kinasen voran. Eine genauere Analyse der MAP Kinase Aktivierung durch partielle Reinigung zeigte, dass abhängig vom Stimulus mehrere MAP Kinasen aktiviert werden. Diese differentielle MAP Kinase Aktivierung stellt somit eine Möglichkeit der Signalcodierung dar. Die partielle Reinigung der MAP Kinasen wurde auch verwendet, um einzelnen MAP Kinase Isoenzymen spezifische zelluläre Funktionen zuzuweisen. Dadurch konnte LpWIPK (wound induced protein kinase) als Hauptaktivität nach Stimulation on Tomatenzellen mit Elicitoren bestimmt werden. LpWIPK könnte also sowohl die Pathogenabwehr als auch den source-sink Übergang gleichzeitig steuern. Allerdings ist die Regulation der Photosynthese unabhängig von diesem Signaltransduktionsweg. Eine Untersuchung mit nichtmetabolisierbaren Saccharose-Analoga zeigte, dass die Regulation der Photosynthese unabhängig von einer MAP Kinase Aktivierung stattfindet. Das abschalten der Photosynthese wird durch die gleichen Stimuli hervorgerufen, die auch Pathogenabwehr und Sink Metabolismus induzieren. Eine Interaktion der beiden Signaltransduktionswege ist somit wahrscheinlich. MAP Kinases spielen nicht nur bei der Antwort auf biotischen Stress eine wichtige Rolle. Zusätzlich werden MAP Kinasen auch durch abiotischen Stress wie Kälte und Dürre aktiviert. Kürzlich konnten wir zeigen, dass Hitzestress unter natürlichen Bedingungen ebenfalls eine MAP Kinase aktiviert. Diese bisher unbekannte MAP Kinase akzeptiert den Hitzestress Transkriptionsfaktor HsfA3 als in vitro Substrat. Dies unterstützt die Vermutung, dass diese MAP Kinase eine Rolle in der Regulation der Hitzestress Antwort spielt. Außerdem stellt die Beobachtung, dass die hitzeaktivierte MAP Kinase HsfA3 in vitro phosphoryliert eine vielversprechende Ausgangssituation dar, um HsfA3 als erstes physiologisches MAP Kinase Substrat in Pflanzen zu identifizieren. Intrazelluläre pH Änderungen wurden als Komponenten der Signaltransduktion für die Pathogenabwehr diskutiert. In Zellen von Chenopodium rubrum konnten wir zeigen, dass solche Änderungen nicht in Zusammenhang mit der Induktion der beiden Markergene INV und PAL stehen. Die Änderung des intrazellulären pH Wertes erfolgt nach der Induktion der Markergene, und kann je nach Stimulus Alkalisierung oder Ansäuerung zur Folge haben. Diese Beobachtungen schließen eine Rolle der pH Änderungen in der Signaltransduktion von Stressreizen aus. Die gefundenen pH Wert Änderungen sind somit eher als Teil der Pathogenabwehr und nicht als vorgelagerte Komponente zu verstehen. WRKY Transkriptionsfaktoren wurden erst kürzlich als indirekte Ziele einer MAP Kinase Kaskade beschrieben. Außerdem finden sich in den Promotoren von INV und PAL Bindestellen für WRKY Transkriptionsfaktoren, was eine Beteiligung dieser Proteine an der koordinierten Regulation von Abwehr und Sink Metabolismus wahrscheinlich macht. Ein neuer WRKY Transkriptionsfaktor, LpWRKY1 wurde aus Tomate kloniert und in Hinblick auf mögliche posttranslationelle Modifikationen charakterisiert. Dieser Trankriptionsfaktor zählt zu den schnellen frühen Genen und wird in Antwort auf Elicitoren transient induziert. Die Induktion des Faktors in abhängig von Phosphorylierungen. Es konnte weiterhin erstmalig gezeigt werden, dass LpWRKY1 in vivo phosphoryliert wird. Eine weitere Analyse durch in gel Kinase Tests mit rekombinantem LpWRKY1 als Substrat zeigte, dass zwei Proteinkinasen während der Abwehrantwort transient aktiviert werden und LpWRKY1 phosphorylieren. Diese Daten legen nahe, dass die DNA Bindeaktivität oder die Transaktivierungsaktivität von WRKY Transkriptionsfaktoren durch Phosphorylierung gesteuert wird.

Die Expression und Regulation des Gens für den niedrig affinen Immunglobulin E-Rezeptor, von welchem beim Menschen zwei Isoformen existieren, unterscheidet sich deutlich zwischen B-Lymphozyten der chronisch lymphatischen Leukämie und normalen B-Zellen. Eine Untersuchung auf Promotorebene erscheint daher interessant; da der Promotor der Isoform b schon relativ gut charakterisiert ist, wurde in dieser Arbeit der CD23a-Core-Promotor näher betrachtet. Ein besonderes Augenmerk galt dabei putativen Bindungsstellen für STAT6. Das Bindungsverhalten von Transkriptionsfaktoren an Promotor-DNA wurde mit Gel-Retardierungsexperimenten (EMSA) untersucht. Hierzu wurden CD23a-Core-Promotor-Oligonukleotide zusammen mit Kernproteinextrakten aus Stimulationsansätzen von B-CLL- und normalen B-Zellen mit IL-4, IFN-g und PMA genutzt. Die EMSA-Experimente zeigten trotz unterschiedlicher Stimulationsansätze ein sich wiederholendes Bandenmuster, sodass die DNA-Protein-Interaktion auf Core-Promotorebene keine ausreichende Erklärung für die differentielle Regulation der Genexpression lieferte. Allerdings zeigten analoge EMSA-Versuche mit Kernextrakten einer EBV-transformierten Zelllinie ein leicht verändertes Bandenmuster, was auf ein verändertes Profil an Transkriptionsfaktoren am CD23a-Core-Promotor nach EBV-Transformation hindeuten kann. Eine weitere Analyse der Core-Promotorregion mittels der DNase-I-Footprint-Technik wurde durch die Klonierung geeigneter Vektoren und Etablierung einer Positivkontrolle vorbereitet. Da IL-4 den Hauptregulator auch der CD23a-Expression darstellt, war ein zentraler Teil der Arbeit die Charakterisierung von STAT6-Bindungsstellen im CD23a-Core-Promotor. Durch Sequenzanalyse wurden 2 putative STAT6-Bindungsstellen identifiziert. Mit Hilfe von Kompetitionsexperimenten konnte für eine der beiden Stellen (Nukleotidsequenz TAC CTGA GAA, Position 77-86 im CD23a-Core-Promotor) eine STAT6-Bindungsfähigkeit nachgewiesen werden; diese Bindungsstelle zeigte im Vergleich zu ihrem schon bekannten Gegenpart im CD23b-Promotor ein etwas schwächeres Bindungsvermögen für STAT6.Entscheidend für die Regulation der CD23-Expression sind wahrscheinlich das Zusammenspiel von STAT6 mit anderen Transkriptionsfaktoren wie Krox20 und NF-kB sowie alternative Signaltransduktionswege; auch Proto-Onkogene wie bcl-6 und Notch2 sind bei der Expression von CD23 von Bedeutung. Deren Rolle für die Pathogenese der B-CLL muss noch untersucht werden. / The expression and regulation of the gene of the low-affinity immunoglobulin E receptor, of which there are two isoforms in human beings, is clearly different between B-cells in chronic lymphoid leukemia and normal B-cells. An examination of the promotor seems interesting; as the isoform-b’s promotor is already quite well characterized, in this work the CD23a-core-promotor was further examined. Special attention was turned on putative binding sites of STAT6. The binding of transcription factors to promotor-DNA was examined by electro mobility shift assays (EMSA). This was done by using CD23a-core-promotor oligonucleotides with nuclear extracts from stimulation assays of B-CLL and normal B-cells with IL-4, IFN-g and PMA. The EMSA-experiments showed in spite of different stimulation assays an equal band-pattern; thus the DNA-protein-interaction on the core-promotor level does not sufficiently explain the differential regulation of the gene expression. However, analogous EMSA-experiments with nuclear extracts of an EBV-transformed cell-line showed a slightly different band-pattern, which may be due to a different spectrum of transcription factors on the CD23a-core-promotor after EBV-transformation. A further analysis of the core-promotor was prepared by cloning appropriate vectors and establishing a positive control. As IL-4 is the main regulator of CD23a-expression, a central part of this work was the characterization of STAT6-binding-sites in the CD23a-core-promotor. 2 putative binding sites were identified by sequence-analysis. Competition experiments showed a STAT6-binding ability of one of the two sites (nucleotide sequence TAC CTGA GAA, position 77-86 in the CD23a-core-promotor). This site showed a somewhat weaker binding ability of STAT6 compared with its known counterpart in the CD23b-promotor. Important for the regulation of the CD23-expression is probably the interplay of STAT6 and further transcription factors like Krox20 and NF-kB as well as alternative signal transduction pathways. Also proto-oncogenes like bcl-6 and Notch2 are important in CD23-expression. Their role in the pathogenesis of B-CLL has to be further examined.

IL-4 und IL-13 sind wichtige Faktoren bei der Entwicklung allergischer Erkrankungen. In dieser Arbeit wird die Rolle von IL-4 und IL-13 in einem Maus-Modell für allergisches Asthma während der allergischen Sensibilisierung und in einer etablierten asthmatischen Erkrankung untersucht. Weiterhin wird die Rolle von IL-4 und IL-13 in frühen Stadien der atopischen Dermatitis in einem Maus-Modell betrachtet. In einem Maus-Modell für allergisches Asthma mit anhaltender IgE-Synthese und einer persistierenden allergischen Atemwegspathologie konnte gezeigt werden, dass die Inhibition des IL-4/IL-13 Systems während der allergischen Sensibilisierung zu einer dosisabhängigen Reduktion der allergen-spezifischen IgE-Titer, zur Inhibition der Atemwegseosinophilie, zur Reduktion der IL-5-Spiegel in der BAL und zu einer gesenkten Anzahl von IL-4 sezernierenden CD4+ T-Zellen. Weiterhin konnte durch die Inhibition des IL-4/IL-13 Systems die Becherzellmetaplasie signifikant gesenkt werden. Die Inhibition des IL-4/IL-13 Systems nach der Entwicklung der allergischen Atemwegspathologie führte hingegen nicht zu einer signifikanten Reduktion der gemessenen Allergie-Parameter. Daraus lässt sich schließen, dass IL-4 und IL-13 nur eine untergeordnete Rolle in einer etablierten Allergie spielt. Diese Ergebnisse sind insbesondere wichtig, wenn man über das Verwendungspotential eines IL-4/IL-13-Inhibitors in der Allergie-Therapie bei asthmatischen Patienten spekuliert. Weiterhin konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass die NC/Nga-Maus ein Modell für die humane atopische Dermatitis darstellt. NC/Nga Mäuse, die unter konventionellen Bedingungen gehalten wurden, entwickeln makroskopische und histologische Hautpathologien, die der humanen atopischen Dermatitis sehr ähneln. Weiterhin entwickeln unter konventionellen Bedingungen gehaltenen NC/Nga Mäuse hohe IgE-Titer im Serum, die mit einer erhöhten Produktion an Th2-Zytokinen verbunden war. Die Inhibition des IL-4/IL-13-Systems führte in diesem Modell jedoch nicht zu einer Reduktion von Symptomen und Pathologien der humanen atopischen Dermatitis. Deswegen kann man spekulieren, dass die Inhibition des IL-4/IL-13-Systems zu einem zu späten Zeitpunkt erfolgte. Des Weiteren kann eine nicht-standardisierte Sensibilisierung bei Mäusen, die in einer konventionellen Tierhaltung gehalten werden, zu einem sehr unterschiedlichen Ausbruch der Dermatitis führen. Deshalb werden weitere Tierversuche mit einer höheren Anzahl von Tieren, die zwischen den Würfen randomisiert werden, nötig sein, um die Rolle von IL-4 und IL-13 in der atopischen Dermatitis zu klären. / IL-4 and IL-13 are considered as key regulators for the development of atopic diseases. This study addresses the role of IL-4 and IL-13 in a murine asthma model during allergic sensitization and in established disease. In addition we describe the role of IL-4 and IL-13 in early stages of atopic dermatitis in a mouse model. In a murine asthma model with ongoing IgE synthesis and persistent allergic airway pathology we could show that the inhibition of the IL-4/IL-13 system during allergic sensitization resulted in a dose dependent reduction of OVA specific IgEs, inhibition of airway eosinophilia together with decreased IL-5 levels and decreased numbers of IL-4 secreting CD4+ T cells. Moreover, goblet cell metaplasia could be reduced significantly by the IL-4/IL-13 inhibitor. However, the inhibition of the IL-4/IL-13 system after the development of allergic airway pathology did not reveal any significant reduction of all measured allergic parameters. These findings are important to estimate the therapeutic potential of allergy therapy with IL-4/IL-13 inhibitors in asthmatic patients. In addition we demonstrated that the NC/Nga mouse represents a model for human atopic dermatitis. NC/Nga mice kept under conventional conditions, developed macroscopic and histological skin symptoms which resemble human AD. In addition NC/Nga mice kept under conventional conditions developed high serum IgE titers combined with an increased production of Th2 cytokines by in vitro stimulated splenic T- cells. However, the inhibition of the IL-4/IL-13 system did not lead in any significant reduction of symptoms and pathology which might be a problem of the time point of administration of the inhibitor. In addition non standardized sensitization conditions in mice kept in a conventional animal facility may result in different outcomes of the dermatitis. Therefore further animal experiments with a higher number of mice within the groups, which are randomized between the litters, would be necessary to clarify of IL-4 and IL-13 for the pathogenesis of AD.