Genome Wide Association Studies (GWAS) have revolutionized the way on how genotype-phenotype relations are assessed. In the 20 years long history of GWAS, multiple challenges from a biological, computational, and statistical point of view have been faced. The implementation of this technique using the model plant species Arabidopsis thaliana, has enabled the detection of many association for multiple traits. Despite a lot of studies implementing GWAS have discovered new candidate genes for multiple traits, different samples are used across studies. In many cases, either globally diverse samples or samples composed of accessions from a geographically restricted area are used. With the aim of comparing GWAS outcomes between populations from different geographic areas, this thesis describes the performance of GWAS in different European samples of A. thaliana. Here, association mapping results for flowering time were compared. Chapter 2 describes the analyses of random resampling from this original sample. The aim was to establish reduced subsamples to later carry out GWAS and compare the outcomes between these subsamples. In Chapter 3, the European sample was split into eight equally-sized local samples representing different geographic regions. Next, GWAS was carried out and an attempt was made to clarify the differences in GWAS outcomes. Chapter 4 contains the results of a collaboration with Prof. Dr. Wolfgang Dröge- Laser, in which my mainly task was the analysis of RNAseq data from A. thaliana plants infected by pathogenic fungi. Finally, Appendix A presents a very short description of my participation in the GHP Project on Access to Care for Cardiometabolic Diseases (HPACC) at the university of Heidelberg. / Die genomweiten Assoziationsstudien (GWAS) haben die Art und Weise revolutionierten, wie genotypische-phänotypische Zusammenhänge untersucht werden. In der 20-jährigen Geschichte dieser Analysen, gab es zahlreiche biologische, mathematische und statistische Herausforderungen. Die Anwendung dieser Methodik in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana ermöglichte die Erkennung neuer Zusammenhänge für zahlreicher Merkmale. Obwohl viele Studien, die GWAS implementieren, neue Kandidatengene für verschiedene Merkmale entdeckt haben, werden in den verschiedenen Analysen oft unterschiedliche Populationen verwendet. Es werden entweder global unterschiedliche Accessionen oder alternative welche aus einem geografisch begrenzten Gebiet als Population für die Anaylsen verwendet. Mit dem Ziel, GWAS-Ergebnisse zwischen Populationen aus verschiedenen geografischen Gebieten zu vergleichen, beschreibt diese Arbeit die Eigenschaften der Analyse in verschiedenen europäischen Populationen von A. thaliana. Verglichen wurden die Ergebnisse der Assoziationskartierung für die Blütezeit. Kapitel 2 beschreibt die Analysen von zufälligen Populationen im Vergleich zur gesamten europäischen Population. Ziel war es, reduzierte Stichproben zu erstellen, um später GWAS durchzuführen und die Ergebnisse zwischen diesen Stichproben zu vergleichen. In Kapitel 3 wurde die europäische Population in acht gleich große lokale Subpopulationen aufgeteilt. Diese repräsentieren verschiedene geografische Regionen. Als nächstes wurde GWAS durchgeführt und die Unterschiede in den jeweilgen GWAS-Ergebnissen beschrieben. Kapitel 4 behinhaltet die Ergebnisse aus einer Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Wolfgang Dröge-Laser: Hier war meine Hauptaufgabe die Analyse von RNAs Sequenzierungsdaten von mit pathogenen Pilzen befallenen A. thaliana-Pflanzen. Schließlich enthält Anhang A eine zusammenfassende Beschreibung meiner Mitarbeit am GHP-Projekt zum Zugang zur Versorgung bei kardiometabolischen Erkrankungen (HPACC) an der Universität Heidelberg

Expression of the MYC oncoprotein, which binds the DNA at promoters of most transcribed genes, is controlled by growth factors in non-tumor cells, thus stimulating cell growth and proliferation. Here in this thesis, it is shown that MYC interacts with SPT5, a subunit of the RNA polymerase II (Pol II) elongation factor DSIF. MYC recruits SPT5 to promoters of genes and is required for its association with Pol II. The transfer of SPT5 is mediated by CDK7 activity on TFIIE, which evicts it from Pol II and allows SPT5 to bind Pol II. MYC is required for fast and processive transcription elongation, consistent with known functions of SPT5 in yeast. In addition, MYC increases the directionality of promoters by stimulating sense transcription and by suppressing the synthesis of antisense transcripts. The results presented in this thesis suggest that MYC globally controls the productive assembly of Pol II with general elongation factors to form processive elongation complexes in response to growth-factor stimulation of non-tumour cells. However, MYC is found to be overexpressed in many tumours, and is required for their development and progression. In this thesis it was found that, unexpectedly, such overexpression of MYC does not further enhance transcription but rather brings about squelching of SPT5. This reduces the processivity of Pol II on selected set of genes that are known to be repressed by MYC, leading to a decrease in growth-suppressive gene transcription and uncontrolled tumour growth / Die Expression des MYC-Onkoproteins, das die Promotoren der meisten exprimierten Gene bindet, wird in gesunden, nicht transformierten Zellen durch Wachstumsfaktoren reguliert und fördert das Zellwachstum und die Zellteilung. In dieser Arbeit wurde die Interaktion zwischen MYC und SPT5, einer Untereinheit des RNA-Polymerase (Pol II) Elongationsfaktors DSIF gezeigt. MYC ist für die Rekrutierung von SPT5 an Promotoren und die Assoziation mit Pol II notwendig. Der Transfer von SPT5 auf Pol II setzt die Aktivität der Proteinkinase CDK7 voraus, die TFIIE aus dem Pol II Komplex entfernt und es so SPT5 ermöglicht, an Pol II zu binden. MYC wird für eine schnelle und prozessive Transkriptionselongation benötigt, was mit bekannten Funktionen von SPT5 in Hefe übereinstimmt. Zusätzlich erhöht MYC die Direktionalität von Promotoren, indem es die Sense-Transkription stimuliert und die Synthese der Antisense-Transkripte unterdrückt. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse legen nahe, dass MYC in normalen, nicht-transformierten Zellen die produktive Assemblierung von Pol II mit allgemeinen Elongationsfaktoren global steigert, um prozessive Elongationskomplexe als Reaktion auf die Wachstumsfaktorstimulation zu bilden. Die meisten humanen Tumore exprimieren jedoch deutlich erhöhte Mengen des MYC Proteins, das für Tumorentstehung und Progression benötigt wird. In dieser Arbeit wurde festgestellt, dass eine solche Überexpression von MYC unerwarteterweise keine weitere Steigerung der Expression mit sich bringt, sondern zur Sequestrierung von SPT5 führt. Dies reduziert die Prozessivität von Pol II an ausgewählten Genen, welche durch MYC bekannterweise supprimiert werden, was zu einer Abnahme der wachstumsunterdrückenden Gentranskription und zu einem unkontrollierten Wachstum führt.

Staphylococcus aureus is a facultative pathogen which causes a variety of infections. The treatment of staphylococcal infections is complicated because the bacteria is resistant to multiple common antibiotics. S. aureus is also known to express a variety of virulence factors which modulate the host’s immune response in order to colonize and invade certain host cells, leading to the host cell’s death. Among the virulence factors is a LysR-type transcriptional regulator (lttr) which is required for efficient colonization of secondary organs. In a recent report, which used transposon screening on S. aureus-infected mice, it was found that the amount of a novel lttr852 mutant bacteria recovered from the kidneys was significantly lower compared to the wildtype strains. This doctoral thesis therefore focused on phenotypical and molecular characterization of lttr852. An assessment of the S. aureus biofilm formation and the hemolysis revealed that lttr852 was not involved in the regulation of these virulence processes. RNA-sequencing for potential target genes of lttr852 identified differentially expressed genes that are involved in branched chain amino-acid biosynthesis, methionine sulfoxide reductase and copper transport, as well as a reduced transcription of genes encoding urease and of components of pyrimidine nucleotides. Promoter fusion with GFP reporters as as well as OmniLog were used to identify conditions under which the lttr852 was active. The promoter studies showed that glucose and high temperatures diminish the lttr852 promoter activity in a time-dependent manner, while micro-aerobic conditions enhanced the promoter activity. Copper was found to be a limiting factor. In addition, the impact on promoter activity of the lttr852 was tested in the presence of various regulators, but no central link to the genes involved in virulence was identified. The present work, thus, showed that lttr852, a new member of the class of LysR-type transcriptional regulators in S. aureus, has an important role in the rapid adaptation of S. aureus to the changing microenvironment of the host. / Staphylococcus aureus ist ein fakultativer Erreger, der eine Vielzahl von Infektionen verursacht. Die Behandlung von Staphylokokken-Infektionen ist aufgrund des Auftretens einer Resistenz gegen mehrere gängige Antibiotika kompliziert. Es ist bekannt, dass S. aureus eine Vielzahl von Virulenzfaktoren exprimiert, um die Immunantwort des Wirts zu umgehen, und so in bestimmte Wirtszellen einzudringen und diese zu kolonisieren, was zum Tod von Wirtszellen führen kann. Unter den Virulenzfaktoren befindet sich ein Transkriptions-regulator vom LysR-Typ (lttr), der für eine effiziente Besiedlung von Sekundärorganen erforderlich ist. In einem kürzlich durchgeführten Transposon-Screen, bei dem Mäuse mit S. aureus infiziert wurden, wurde ein neuartiger lttr, der lttr852 identifiziert, bei dem aus den Nieren gewonnenen Bakterien signifikant dezimiert waren. Diese Doktorarbeit befasste sich mit der phänotypischen und molekularen Charakterisierung von lttr852. Die Auswertung der Biofilmbildung und der Hämolyse von S. aureus ergab, dass lttr852 nicht an der Regulation dieser Virulenzprozesse beteiligt war. Die RNA-Sequenzierung für potenzielle Zielgene von lttr852 identifizierte sowohl eine erhöhte Expression von Genen, die in der Aminosäuren-Biosynthese, Methionin-Sulfoxid-Reduktase und dem Kupfertransport involviert sind, als auch eine verringerte Transkription von codierenden Genen der Urease und Komponenten der Pyrimidin Nukleotide. Die Promotorfusion mit dem GFP-Reporter sowie das OmniLog System wurden verwendet, um Bedingungen zu identifizieren unter denen das lttr852 aktiv ist. Die Promotorstudien ergaben, dass die Anwesenheit von Glucose und eine erhöhte Temperatur die Promotoraktivität von lttr852 zeitabhängig herabsetzt, wobei die Aktivität durch mikroaerobe Bedingungen begünstigt wird. Kupfer wurde als limitierender Faktor identifiziert. Außerdem wurde der Einfluss diverser Regulatoren auf die transkriptionelle Regulation von lttr852 kontrolliert, jedoch keine zentrale Rolle in der Regulation von Virulenzgenen zugewiesen. Damit konnte innerhalb der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass lttr852, ein neues Mitglied der Klasse der LysR-Typ Transkriptionsregulatoren in S. aureus, eine wichtige Rolle in der schnellen Adaption von S. aureus an die wechselnde Mikroumgebungen des Wirts hat.

The oncogene MYC is deregulated and overexpressed in a high variety of human cancers and is considered an important driver in tumorigenesis. The MYC protein binds to virtually all active promoters of genes which are also bound by the RNA Polymerase II (RNAPII). This results in the assumption that MYC is a transcription factor regulating gene expression. The effects of gene expression are weak and often differ depending on the tumor entities or MYC levels. These observations could argue that the oncogene MYC has additional functions independent of altering gene expression. In relation to this, the high diversity of interaction partners might be important. One of them is the RNAPII associated Factor I complex (PAF1c). In this study, direct interaction between PAF1c and MYC was confirmed in an in-vitro pulldown assay. ChIP sequencing analyses revealed that knockdown of PAF1c components resulted in reduced MYC occupancy at active promoters. Depletion or activation as well as overexpression of MYC led to reduced or enhanced global occupancy of PAF1c in the body of active genes, arguing that MYC and PAF1c bind cooperatively to chromatin. Upon PAF1c knockdown cell proliferation was reduced and additionally resulted in an attenuation of activation or repression of MYC-regulated genes. Interestingly, knockdown of PAF1c components caused an accumulation in S-phase of cells bearing oncogenic MYC levels. Remarkably, enhanced DNA damage, measured by elevated gH2AX and pKAP1 protein levels, was observed in those cells and this DNA damage occurs specifically during DNA synthesis. Strikingly, MYC is involved in double strand break repair in a PAF1c-dependent manner at oncogenic MYC levels. Collectively the data show that the transfer of PAF1c from MYC onto the RNAPII couples the transcriptional elongation with double strand break repair to maintain the genomic integrity in MYC-driven tumor cells. / Das Onkogen MYC ist in einer Vielzahl verschiedener Krebsarten dereguliert und überexprimiert und deshalb ein wichtiger Faktor in der Tumorgenese. Zwei zentrale Beobachten sind: Erstens, das MYC Protein bindet grundsätzlich an allen zugänglichen Promotoren von Genen, die ebenfalls von der RNA Polymerase II gebunden sind. Das resultiert in der Annahme, dass MYC als ein Transktiptionfaktor klassifiziert werden kann, der Genexpression reguliert. Zweitens, die Effekte auf die Genregulation sind schwach und oftmal abhängig von der Tumorart als auch von der unterschiedlichen MYC Proteinmenge. Diese Beobachtungen lassen die Schlussfolgerung zu, dass MYC eine zusätzliche Funktion neben der des Transktiptionfaktors haben könnte. Darauf bezogen könnte die große Anzahl an Interaktionspartnern eine entscheidende Rolle spielen. Einer dieser Interaktionspartner ist der RNA Polymerase II assoziierte Faktor I Complex (PAF1c). In dieser Arbeit konnte die direkte Interaktion zwischen PAF1c und MYC mittels in-vitro Pulldown Assays bestätigt werden. ChIP-Sequenzierungen illustrierten, dass der Knockdown verschiedener Untereinheiten des PAF1c zur einer verminderten Bindung von MYC an aktiven Promotoren führt. Andererseits zeigte die Depletion oder Aktivierung sowie Überexpression des MYC Proteins entweder eine reduzierte oder aber eine gesteigerte PAF1c Bindung im Genkörper aktiver Gene. Folglich wird angenommen, dass MYC und PAF1c kooperativ an das Chromatin binden. Unabhängig von den MYC Proteinmengen, führte der Knockdown von PAF1c Untereinheiten zu einer reduzierten Proliferation von Zellen. Zusätzlich resultierte in RNA Sequenzierexperimenten, dass der PAF1c Knockdown zu einer abgeschwächten Aktivierung oder Repression von MYC regulierten Genen führt. Interessanterweise führte der Knockdown von PAF1c Untereinheiten zu einer Ansammlung in der S-Phase des Zellzyklus für viele Zellen, die onkogene MYC Proteinmengen aufweisten. Auffallend dabei war, dass diese Zellen erhöhten DNA Schaden, gemessen an erhöhten Proteinmengen von γH2AX und pKAP1, aufwiesen. Dieser DNA Schaden ereignete sich spezifisch während der DNA Synthese. Bemerkenswert ist, dass MYC, vor allem bei onkogenen MYC Proteinmengen, in die Doppelstrangbruchreparatur involviert ist und das dies in Zusammenarbeit mit PAF1c erfolgt. Zusammenfassend zeigen die Daten, dass der Transfer des PAF1c von MYC auf die RNAPII die transkriptionelle Elongation mit der Doppelstrangbruchreparatur vereint um die genomische Integrität in MYC getriebenen Tumoren zu gewährleisten.

G-protein- coupled receptors (GPCRs) are the largest family of membrane confined receptors and they transduce ligand binding to downstream effects. Almost 40% of the drugs in the world target GPCRs due to their function, albeit knowing less about their activation. Understanding their dynamic behaviour in basal and activated state could prove key to drug development in the future. GPCRs are known to exhibit complex molecular mobility patterns. A plethora of studies have been and are being conducted to understand the mobility of GPCRs. Due to limitations of imaging and spectroscopic techniques commonly used, the relevant timescales are hard to access. The most commonly used techniques are electron paramagnetic resonance or double electronelectron resonance, nuclear magnetic resonance, time-resolved fluorescence, single particle tracking and fluorescence recovery after photobleaching. Among these techniques only fluorescence has the potential to probe live cells. In this thesis, I use different time-resolved fluorescence spectroscopic techniques to quantify diffusion dynamics / molecular mobility of β2-adrenergic receptor (β2-AR) in live cells. The thesis shows that β2-AR exhibits mobility over an exceptionally broad temporal range (nanosecond to second) that can be linked to its respective physiological scenario. I explain how β2-AR possesses surprisingly fast lateral mobility (~10 μm²/s) associated with vesicular transport in contrast to the prior reports of it originating from fluorophore photophysics and free fluorophores in the cytosol. In addition, β2-AR has rotational mobility (~100 μs) that makes it conform to the Saffman-Delbrück model of membrane diffusion unlike earlier studies. These contrasts are due to the limitations of the methodologies used. The limitations are overcome in this thesis by using different time-resolved fluorescence techniques of fluorescence correlation spectroscopy (FCS), time-resolved anisotropy (TRA) and polarisation resolved fullFCS (fullFCS). FCS is limited to microsecond to the second range and TRA is limited to the nanosecond range. fullFCS complements the two techniques by covering the blind spot of FCS and TRA in the microsecond range. Finally, I show how ligand stimulation causes a decrease in lateral mobility which could be a hint at cluster formation due to internalisation and how β2-AR possesses a basal oligomerisation that does not change on activation. Thus, through this thesis, I show how different complementary fluorescence techniques are necessary to overcome limitations of each technique and to thereby elucidate functional dynamics of GPCR activation and how it orchestrates downstream signalling. / G¬Protein¬gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) sind die größte Familie der Membran¬Rezeptoren und durch Bindung von Liganden leiten sie extrazlluläre Signal in das Innere der Zelle weiter. Fast 40% der Medikamente auf der Welt zielen aufgrund ihrer Funktion auf GPCRs ab, obwohl man relative wenig über ihre Aktivierung weiß. Das Verständnis ihres dynamischen Verhaltens im basalen und aktivierten Zustand könnte sich in Zukunft als Schlüssel zur Medikamentenentwicklung erweisen. GPCRs sind dafür bekannt, dass sie komplexe molekulare Bewegungsmuster aufweisen. Eine Fülle von Studien wurden und werden durchgeführt, um die Beweglichkeit von GPCRs zu verstehen. Aufgrund der Einschränkungen der gängigen bildgebenden und spektroskopischen Techniken sind die relevanten Zeitskalen nur schwer messbar. Die am häufigsten verwendeten Techniken sind die paramagnetische Elektronenresonanz oder die Doppel¬Elektron¬Elektron¬Resonanz, die magnetische Kernresonanz, die zeitaufgelöste Fluoreszenz, die Einzelpartikelverfolgung und die Fluoreszenzwiederherstellung nach Photobleichung. Unter diesen Techniken haben nur die Fluoreszenz¬basierten Techniken das Potential, lebende Zellen zu untersuchen. In dieser Arbeit werden verschiedene zeitaufgelöste fluoreszenzspektroskopische Techniken zur Quantifizierung der Diffusionsdynamik oder molekularen Mobilität des β2¬adrenergen Rezeptors (β2¬AR) in lebenden Zellen verwendet. Diese Arbeit zeigt, dass β2-AR eine Beweglichkeit über einen außergewöhnlich breiten, zeitlichen Bereich (Nanosekunde bis Sekunde) aufweist, der mit dem jeweiligen physiologischen Szenario verknüpft werden kann. Es wird gezeigt, wie β2¬AR eine überraschend schnelle, laterale Bewegung (~10 μm²/s) besitzt, welche mit vesikulärem Transport in Verbindung gebracht werden kann. Im Gegensatz zu früheren Berichten, wonach die beobachtete Komponente von der Photophysik der Fluorophore und freien Fluorophoren im Zytosol abstammt. Zusätzlich weist β2¬AR eine Rotationsbeweglichkeit (~100 μs) auf, welche es ¬ im Gegensatz zu früheren Studien ¬ dem Saffman¬Delbrück¬Modell der Membrandiffusion zuordnen lässt. Dieser Unterschied ist auf die Beschränkungen der verwendeten Techniken zurückzuführen. Die Einschränkungen werden in dieser Arbeit durch die Verwendung verschiedener zeitaufgelöster Fluoreszenztechniken überwunden, z. B. der Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie (FCS) im Bereich von mehreren hundert Nanosekunden bis Sekunden, der zeitaufgelösten Anisotropie (TRA) im Nanosekundenbereich und der polarisationsaufgelösten FullFCS (FullFCS), die die zeitlich Lücke zwischen FCS und TRA schließt. Zuletzt wird eine Abnahme der lateralen Beweglichkeit durch Ligandenstimulation gezeigt, was ein Hinweis auf Clusterbildung aufgrund von Internalisierung sein könnte, und dass β2¬AR eine basale Oligomerisierung aufweist, die sich bei Aktivierung nicht ändert. Zusammenfassend kann man sagen, dass verschiedene komplementäre Fluoreszenztechniken notwendig sind, um die Einschränkungen der einzelnen Techniken zu überwinden und dadurch die funktionelle Dynamik der GPCR¬Aktivierung und deren Bedeutung für die nachgeschaltete Signalübertragung aufzuklären.

Clostridioides difficile is a bacterial species well known for its ability to cause C. difficile infection (also known as CDI). The investigation of the role of this species in the human gut has been so far dominated by a disease-centred perspective, focused on studying C. difficile in relation to its associated disease. In this context, the first aim of this thesis was to combine publicly available metagenomic data to analyse the microbial composition of stool samples from patients diagnosed with CDI, with a particular focus on identifying a CDI-specific microbial signature. However, similarly to many other bacterial species inhabiting the human gut, C. difficile association with disease is not valid in absolute terms, as C. difficile can be found also among healthy subjects. Further aims of this thesis were to 1) identify potential C. difficile reservoirs by screening a wide range of habitats, hosts, body sites and age groups, and characterize the biotic context associated with C. difficile presence, and 2) investigate C. difficile within-species diversity and its toxigenic potential across different age groups. The first part of the thesis starts with the description of the concepts and definitions used to identify bacterial species and within-species diversity, and then proceeds to provide an overview of the bacterial species at the centre of my investigation, C. difficile. The first Chapter includes a detailed description of the discovery, biology and physiology of this clinically relevant species, followed by an overview of the diagnostic protocols used in the clinical setting to diagnose CDI. The second part of the thesis describes the methodology used to investigate the questions mentioned above, while the third part presents the results of such investigative effort. I first show that C. difficile could be found in only a fraction of the CDI samples and that simultaneous colonization of multiple enteropathogenic species able to cause CDI-like clinical manifestations is more common than previously thought, raising concerns about CDI overdiagnosis. I then show that the CDIassociated gut microbiome is characterized by a specific microbial signature, distinguishable from the community composition associated with non-CDI diarrhea. Beyond the nosocomial and CDI context, I show that while rarely found in adults, C. difficile is a common member of the infant gut microbiome, where its presence is associated with multiple indicators typical of a desirable healthy microbiome development. In addition, I describe C. difficile extensive carriage among asymptomatic subjects, of all age groups and a potentially novel clade of C. difficile identified exclusively among infants. Finally, I discuss the limitations, challenges and future perspectives of my investigation. / Clostridioides difficile ist eine Bakterienart, die für ihre Fähigkeit bekannt ist, eine C. difficile-Infektion (auch bekannt als CDI) zu verursachen. Die Untersuchung der Rolle dieser Spezies im menschlichen Darm wurde bisher von einer krankheitszentrierten Perspektive dominiert, die sich auf die Untersuchung von C. difficile in Bezug auf die damit verbundene Erkrankung konzentrierte. In diesem Zusammenhang war das erste Ziel dieser Arbeit, öffentlich verfügbare metagenomische Daten zu kombinieren, um die mikrobielle Zusammensetzung von Stuhlproben von Patienten mit diagnostizierter CDI zu analysieren, mit besonderem Fokus auf der Identifizierung einer CDI-spezifischen mikrobiellen Signatur. Wie bei vielen anderen Bakterienarten, die den menschlichen Darm bewohnen, ist jedoch die Assoziation von C. difficile mit einer Krankheit nicht absolut gültig, da C. difficile auch bei gesunden Probanden gefunden werden kann. Weitere Ziele dieser Arbeit waren 1) die Identifizierung potenzieller C. difficile-Reservoirs durch das Screening einer Vielzahl von Habitaten, Wirten, Körperstellen und Altersgruppen und die Charakterisierung des mit der Präsenz von C. difficile verbundenen biotischen Kontexts und 2) Untersuchung von C. difficile innerhalb der Artenvielfalt und ihr toxigenes Potenzial über verschiedene Altersgruppen hinweg. Der erste Teil der Dissertation beginnt mit der Beschreibung der Konzepte und Definitionen, die verwendet werden, um Bakterienarten und innerhalb der Artenvielfalt zu identifizieren, und fährt dann fort, einen Überblick über die Bakterienarten zu geben, die im Zentrum meiner Untersuchung, C. difficile, stehen. Das erste Kapitel enthält eine detaillierte Beschreibung der Entdeckung, Biologie und Physiologie dieser klinisch relevanten Spezies, gefolgt von einem Überblick über die diagnostischen Protokolle, die im klinischen Umfeld zur Diagnose von CDI verwendet werden. Der zweite Teil der Arbeit beschreibt die Methodik zur Untersuchung der oben genannten Fragen, während der dritte Teil die Ergebnisse dieser Untersuchungsarbeit präsentiert. Ich zeige zunächst, dass C. difficile nur in einem Bruchteil der CDI-Proben gefunden werden konnte und dass die gleichzeitige Besiedlung mehrerer enteropathogener Spezies, die CDI-ähnliche klinische Manifestationen verursachen können, häufiger vorkommt als bisher angenommen, was Bedenken hinsichtlich einer CDI-Überdiagnose aufkommen lässt. Ich zeige dann, dass das CDI-assoziierte Darmmikrobiom durch eine spezifische mikrobielle Signatur gekennzeichnet ist, die sich von der Gemeinschaftszusammensetzung unterscheidet, die mit Nicht-CDI- Diarrhoe verbunden ist. Über den nosokomialen und CDI-Kontext hinaus zeige ich, dass C. difficile, obwohl es bei Erwachsenen selten vorkommt, ein häufiges Mitglied des Darmmikrobioms von Säuglingen ist, wo seine Anwesenheit mit mehreren Indikatoren verbunden ist, die typisch für eine wünschenswerte gesunde Mikrobiomentwicklung sind. Darüber hinaus beschreibe ich die ausgedehnte Beförderung von C. difficile bei asymptomatischen Patienten aller Altersgruppen und eine potenziell neue Gruppe von C. difficile, die ausschließlich bei Säuglingen identifiziert wurde. Abschließend diskutiere ich die Grenzen, Herausforderungen und Zukunftsperspektiven meiner Untersuchung.

Attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD) is the most prevalent neurodevelopmental disorder described in psychiatry today. ADHD arises during early childhood and is characterized by an age-inappropriate level of inattention, hyperactivity, impulsivity, and partially emotional dysregulation. Besides, substantial psychiatric comorbidity further broadens the symptomatic spectrum. Despite advances in ADHD research by genetic- and imaging studies, the etiopathogenesis of ADHD remains largely unclear. Twin studies suggest a heritability of 70-80 % that, based on genome-wide investigations, is assumed to be polygenic and a mixed composite of small and large, common and rare genetic variants. In recent years the number of genetic risk candidates is continuously increased. However, for most, a biological link to neuropathology and symptomatology of the patient is still missing. Uncovering this link is vital for a better understanding of the disorder, the identification of new treatment targets, and therefore the development of a more targeted and possibly personalized therapy. The present thesis addresses the issue for the ADHD risk candidates GRM8, FOXP2, and GAD1. By establishing loss of function zebrafish models, using CRISPR/Cas9 derived mutagenesis and antisense oligonucleotides, and studying them for morphological, functional, and behavioral alterations, it provides novel insights into the candidate's contribution to neuropathology and ADHD associated phenotypes. Using locomotor activity as behavioral read-out, the present work identified a genetic and functional implication of Grm8a, Grm8b, Foxp2, and Gad1b in ADHD associated hyperactivity. Further, it provides substantial evidence that the function of Grm8a, Grm8b, Foxp2, and Gad1b in activity regulation involves GABAergic signaling. Preliminary indications suggest that the three candidates interfere with GABAergic signaling in the ventral forebrain/striatum. However, according to present and previous data, via different biological mechanisms such as GABA synthesis, transmitter release regulation, synapse formation and/or transcriptional regulation of synaptic components. Intriguingly, this work further demonstrates that the activity regulating circuit, affected upon Foxp2 and Gad1b loss of function, is involved in the therapeutic effect mechanism of methylphenidate. Altogether, the present thesis identified altered GABAergic signaling in activity regulating circuits in, presumably, the ventral forebrain as neuropathological underpinning of ADHD associated hyperactivity. Further, it demonstrates altered GABAergic signaling as mechanistic link between the genetic disruption of Grm8a, Grm8b, Foxp2, and Gad1b and ADHD symptomatology like hyperactivity. Thus, this thesis highlights GABAergic signaling in activity regulating circuits and, in this context, Grm8a, Grm8b, Foxp2, and Gad1b as exciting targets for future investigations on ADHD etiopathogenesis and the development of novel therapeutic interventions for ADHD related hyperactivity. Additionally, thigmotaxis measurements suggest Grm8a, Grm8b, and Gad1b as interesting candidates for prospective studies on comorbid anxiety in ADHD. Furthermore, expression analysis in foxp2 mutants demonstrates Foxp2 as regulator of ADHD associated gene sets and neurodevelopmental disorder (NDD) overarching genetic and functional networks with possible implications for ADHD polygenicity and comorbidity. Finally, with the characterization of gene expression patterns and the generation and validation of genetic zebrafish models for Grm8a, Grm8b, Foxp2, and Gad1b, the present thesis laid the groundwork for future research efforts, for instance, the identification of the functional circuit(s) and biological mechanism(s) by which Grm8a, Grm8b, Foxp2, and Gad1b loss of function interfere with GABAergic signaling and ultimately induce hyperactivity. / Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätsstörung (ADHS) ist mit einer weltweiten Prävalenz von rund 5 % die am häufigsten vorkommende Neuroentwicklungsstörung. Das Krankheitsbild, das zumeist im Kindesalter auftritt und bis ins Erwachsenenalter bestehen kann, zeigt sich im Wesentlichen durch eine Beeinträchtigung der Aufmerksamkeit, der Aktivität, der Impuls-kontrolle und zum Teil durch emotionale Dysregulation. Darüber hinaus führt das vermehrte Auftreten von psychischen Begleiterkrankungen (so genannte Komorbiditäten) zu einer komplexen Symptomatik vieler Betroffener, die über die klassischen Merkmale von ADHS hinausgeht. Während das Krankheitsbild vielfach beschrieben wurde, ist die Ätiopathogenese trotz intensiver wissenschaftlicher Bemühungen bis heute weitestgehend ungeklärt. Zwillingsstudien weisen darauf hin, dass ADHS zu 70-80 % erblich bedingt ist. Aufgrund mehrerer Genom-Studien wird vermutet, dass es sich dabei um eine polygene Vererbbarkeit handelt und sowohl kleine (SNPs), verhältnismäßig häufig auftretende, als auch große (CNVs) verhältnismäßig seltene Genpolymorphismen beteiligt sind. Die Anzahl der potenziellen Risikogene für ADHS ist in den letzten Jahren kontinuierlich gestiegen, jedoch ist es nach wie vor unklar, inwiefern und durch welche biologischen Prozesse die meisten zur Neuropathologie und Symptomatik von ADHS Patienten beitragen. Diese Prozesse zu identifizieren ist von zentraler Bedeutung für ein besseres Verständnis der Erkrankung, der Identifizierung neuer Angriffsziele und somit, der Entwicklung gezielterer und möglicherweise personalisierter Behandlungsmöglichkeiten. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit diesen Prozessen am Beispiel der potenziellen Risikogene GRM8, FOXP2 und GAD1. Durch die Etablierung und Validierung entsprechender (geneti-scher) Knockout und Knockdown Zebrafischmodelle und der anschließenden Untersuchung auf Verhaltens-, morphologische und funktionelle Veränderungen liefert die vorliegende Dissertation wichtige Erkenntnisse über die funktionelle Relevanz der einzelnen Kandidaten für die Neuropathologie und die Symptomatik von ADHS. Beispielsweise zeigen die erfassten Aktivitätsdaten von Knockdown und Knockout Larven, dass Grm8a, Grm8b, Foxp2 und Gad1b an der Regulation von Bewegungsaktivität beteiligt sind und dass dies, die korrekte Funktion GABAerger Prozesse bedarf. Des Weiteren liefert die Arbeit Hinweise, dass der Effekt im Subpallium/Striatum verankert ist. Jedoch ist aufgrund vorliegender und bereits publizierter Daten anzunehmen, dass im Falle der einzelnen Kandidaten, zum Teil unterschiedliche Me-chanismen wie die Transmittersynthese, die Transmitterfreisetzung, die Synapsenbildung und die Expression synaptischer Komponenten betroffen sind. Interessanterweise scheinen die durch die Kandidaten betroffenen Signalwege außerdem, laut erhobener Daten, am Wirkmechanismus von Methylphenidat beteiligt zu sein. Kurzum, die vorliegende Dissertation identifiziert die Beeinträchtigung GABAerger Signalübertragung eines, mutmaßlich subpallialen/striatalen aktivitäts-regulierenden neuronalen Netzwerks als neurobiologische Grundlage ADHS-assoziierter Hyperaktivität. Gleichzeitig präsentiert die Arbeit diese Prozesse als funktionelles Bindeglied zwischen der genetischen Veränderung von GRM8, FOXP2 und GAD1 und Hyperaktivität in ADHS. Folglich sind die entwicklungs- und neurobiologischen Mechanismen rund um die GABAerge Übertragung in diesem Netzwerk, und in diesem Zusammenhang die Funktion von Grm8a, (Grm8b), Foxp2 und Gad1b, spannende Ziele für zukünftige Projekte zur Erforschung der Ätiopathogenese und der Entwicklung neuer Therapien von Hyperakti-vität in ADHS. Neben der Rolle in ADHS-assoziierter Hyperaktivität, präsentieren die erhobenen Verhaltensdaten Grm8a, Grm8b und Gad1b außerdem, als interessante Kandidaten für die Erforschung komorbider Angststörung in ADHS. Foxp2 dagegen, wurde mit Hilfe einer Genexpressionsanalyse als Regulator zahlreicher ADHS Risikogene und Entwicklungsstörungs-übergreifenden genetischen und funktionellen Netzwerken, mit möglicher Relevanz für die Polygenie und Komorbidität von ADHS, identifiziert. Im Allgemeinen schafft die vorliegende Dissertation mit der Bestimmung der Genexpressionsmuster und Etablierung und Validierung der (genetischen) Zebrafischmodelle für Grm8a, Grm8b, Foxp2 und Gad1b die Grundlage, diese und weitere Aspekte in zukünftigen Forschungsprojekten zu untersuchen. Beispielsweise die Identifizierung der Netzwerke und Mechanismen, mit dessen Hilfe Grm8a, (Grm8b), Foxp2 und Gad1b in die GABAerge Signalübertragung eingreifen und so letztlich die Aktivität beeinflussen.

Motoneurons are highly compartmentalized cells with very long extensions that separate their nerve terminals from cell bodies. To maintain their extensive morphological complexity and protect their cellular integrity from neurotoxic stresses, neurons rely on the functions of RNA-binding proteins. One such protein is hnRNP R, a multifunctional protein with a plethora of roles related to RNA metabolism that comes into play in the nervous system. hnRNP R is localized mainly in the nucleus but also exists in the cytoplasm and axons of motoneurons. Increasing in vitro evidence indicates a potential function of hnRNP R in the development and maintenance of motoneurons by regulating axon growth and axonal RNA transport. Additionally, hnRNP R interacts with several proteins involved in motoneuron diseases. Hnrnpr pre-mRNA undergoes alternative splicing to produce transcripts encoding two protein isoforms: a full-length protein (hnRNP R-FL) and a shorter form lacking the N-terminal acidic domain (hnRNP R-ΔN). While the neuronal defects produced by total hnRNP R depletion have been investigated before, the contribution of individual isoforms towards such functions has remained mostly unknown. In this study, we showed that while both isoforms are expressed across multiple tissues, the full-length isoform is particularly abundant in the nervous system. We generated a mouse model for selective knockout of the full-length hnRNP R isoform (Hnrnprtm1a/tm1a) and found that the hnRNP R-∆N isoform remains expressed in these mice and is upregulated in a compensatory post-transcriptional process. We found that the truncated isoform is sufficient to support subcellular RNA transport related to axon growth in primary motoneurons. However, Hnrnprtm1a/tm1a mice show defects in DNA damage repair after exposure to γ-irradiation and etoposide. Knock down of both hnRNP R isoforms showed a similar extent of DNA damage as for motoneurons depleted of just full-length hnRNP R. Rescue experiments showed that expression of full-length hnRNP R but not of hnRNP R-ΔN can restore DNA damage repair when endogenous hnRNP R is depleted. By performing subcellular fractionation, we found that hnRNP R associates with chromatin independently from its association with pre-mRNA. Interestingly, we show that hnRNP R interacts with phosphorylated histone H2AX (γ-H2AX), following DNA damage. Proteomics analysis identifies the multifunctional protein Y-box binding protein 1 (Yb1) as one of the top interacting partners of hnRNP R. Similar to loss of full-length hnRNP R, DNA damage repair was impaired upon knockdown of Yb1 in motoneurons. Finally, we show that following exposure to γ-irradiation, Yb1 is recruited to the chromatin where it interacts with γ-H2AX, a mechanism that is dependent on the full-length hnRNP R. Taken together, this study describes a novel function of the full-length isoform of hnRNP R in maintaining the genomic integrity of motoneurons and provides new mechanistic insights into its function in DNA damage response. / Motoneurone sind stark polarisierte Zellen mit langen Ausläufern, die den Zellkörper vonden Nervenendungen separieren. Um diese hoch komplexe Morphologie aufrechtzuerhalten und den Schutz vor neurotoxischen Stressoren zu gewährleisten, sind Motoneurone auf die Funktion von RNA-bindenden Proteinen angewiesen. Zu dieser Gruppe Proteinen zählt hnRNP R, welches eine Vielzahl an Funktionen beim RNA Metabolismus in sich vereint. hnRNP R ist größtenteils im Zellkern lokalisiert, ist aber auch im Zytoplasma und in den Axonen zu detektieren. Ergebnisse aus Studien deuten darauf hin, dass hnRNP R durch Regulation des axonalen Transport von mRNA Axonenwachstum und die Entwicklung und Polarität von Motoneuronen unterstützt. Darüberhinaus interagiert hnRNP R mit verschiedenen Proteinen, die mit Pathomechanismen von Motoneuronenerkrankungen in Verbindung gebracht werden. Durch alternatives Spleißen der Hnrnpr prä-mRNA entstehen unterschiedliche Transkripte, die für zwei Proteine kodieren: eine Volllängen Isoform und eine trunkierte Isoform ohne N- Terminale Domäne (hnRNP R- ΔN). Die neuronalen Defekte, die durch den vollständigen Verlust von hnRNP R hervorgerufen werden, wurden bereits untersucht, jedoch ist die zelluläre Rolle der verschiedenen Isoformen unbekannt. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass die unterschiedlichen hnRNP R Isoformen in unterschiedlichen Geweben exprimiert werden, wobei die Volllängen Isoform vor allem in Nervensystem zu finden ist. Um die Funktionen der beiden Isoformen genauer zu untersuchen, wurde ein Mausmodell mit selektivem Knockout der Volllängen hnRNP R Isoform (Hnrnprtm1a/tm1a) hergestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass durch selektiven Verlust des Volllängen Proteins, die Expression der hnRNP R- ΔN Isoform (post-transkriptionell) erhöht ist und völlig ausreicht, um den axonalen Transport von RNAs für das Axonenwachstum und in primären Motoneuronen zu gewährleisten. Allerdings, weisen Volllängen hnRNP R-defiziente Motoneurone Defekte bei der DNA-Reparatur nach Röntgen-Bestrahlung auf. Mittels subzellulärer Fraktionierungen konnten wir zeigen, dass hnRNP R, unabhängig von seiner Bindung an prä-mRNAs, mit Chromatin interagiert. Des Weiteren zeigten unsere Ergebnisse, dass hnRNP R nach Bestrahlung mit der phosphorylierten Form von Histon H2AX (γ-H2AX) interagiert. Mit Hilfe von Proteom- Analysen konnten wir das Y-Box-Bindungsprotein 1 (Yb1) als hnRNP R Interaktionspartner identifizieren. Ebenso wie der Verlust von hnRNP R, führt der Verlust von Yb1 in primären Motoneuronen zur Beeinträchtigung der DNA-Reparatur nach Bestrahlung. Weiterführende Untersuchungen haben ergeben, dass Yb1 nach Bestrahlung zu Chromatin rekrutiert wird und dass dieser Mechanismus vom Volllängen hnRNP R anhängig ist. Zusammengefasst liefern unsere Daten neue Erkenntnisse über DNA-Reparaturmechanismen und deuten darauf hin, dass hnRNP R neben den weitreichenden Funktionen beim RNA Metabolismus auch für die Aufrechterhaltung der genomischen Integrität verantwortlich ist.

Mesenchymal stem/stromal cells (MSCs) are a rare subpopulation of cells first identified in bone marrow with the potential to proliferate in plastic-adherent colonies and to generate de novo bone marrow stroma and its environment upon serial transplantation to heterotopic anatomical sites. Given their multipotency and self renewal competence, MSCs are prime prospective candidates for most modern musculoskeletal-tissue engineering and regenerative medicine approaches. Still, their envisioned therapeutic use is being questioned with concerns regarding their definition, characterization and integrative functions in vivo. It is well established that microenvironmental cues such as the extracellular matrix (ECM)-chemistry, the mechanical environment and local cellular and/or paracrine interactions critically control MSCs behavior. Yet, most of the scientific knowledge regarding the biology and therapeutic effect of MSCs originates from mechanistic in vitro studies where microenvironmental cues are hardly addressed. Therefore, manifestable changes in cell proliferation behavior and multilineage differentiation potential might be triggered that eventually compromise the translation of results to clinics. This thesis aims to address the complexity of MSCs interactions within the skeletal niche microenvironment in order to provide alternative methods to bypass the current MSCs in vitro culture limitations. Firstly, the influence of ECM-chemistry on MSCs behavior in vitro was explored by means of decellularized human bone models here established. Basal or osteogenic tailored cell-derived decellularized 2D matrices (dECM), proved to be suitable culture substrates for MSCs expansion by providing close-to-native cell-ECM interactions. Moreover, quantified morphological shape changes suggested a material osteo supportive potential, further functionally validated by observable spontaneous mineralization of MSCs. Aiming to identify novel intrinsic ECM regulatory features specific to the skeletal niche, 3D decellularized human trabecular bone scaffolds (dBone) were additionally developed and comprehensively characterized. Remarkably, the MSCs cultured on dBone scaffolds exhibit upregulation of genes associated with stemness as well as niche-related protein expression advocating for the conservation of the naïve MSCs phenotype. vi On the other hand, the effect of biomimetic mineralization on MSCs osteogenic lineage differentiation potential was further addressed by hydroxyapatite functionalization of type-I collagen in presence of magnesium. Mineralized scaffolds exhibited higher cell viability and a clear trend of osteogenic genes upregulation comparing with non-mineralized scaffolds. Lastly, in order to mimic the complexity of the native MSCs environment, a dynamic culture system was applied to the 3D decellularized bone constructs, previously studied in single static conditions. Mechanical stimuli generated by (1) continuous perfusion of cell culture medium at 1.7 mL/min and (2) compressive stress from 10% uniaxial load at 1 Hz, resulted in an improved cell repopulation within the scaffold and boosting of de novo ECM production. The stress-induced gene expression pattern suggested early MSCs commitment towards the osteogenic lineage mediated by integrin matrix adhesion, therefore further corroborating the recapitulation of a reliable in vitro bone niche model in dBone scaffolds. To conclude, the here developed in vitro models provide a progressive increased biomimicking complexity through which significant insights regarding MSC interactions with microenvironmental features in the skeletal niche can be obtained, thus surely paving the way for a better understanding of the role of MSCs in bone homeostasis and regeneration. / Mesenchymale Stamm-/Stromazellen (MSZ) sind eine seltene Subpopulation von Zellen, die erstmals im Knochenmark identifiziert wurden und die das Potenzial haben, sich in plastikadhärenten Kolonien zu vermehren und bei serieller Transplantation an heterotopen anatomischen Stellen de novo das Knochenmarkstroma und seine Umgebung zu bilden. Aufgrund ihrer Multipotenz und ihrer Fähigkeit zur Selbsterneuerung sind MSZ erstklassige Kandidaten für moderne Ansätze des muskuloskelettalem Gewebe-Engineering und der regenerativen Medizin. Dennoch wird ihr therapeutischer Einsatz aufgrund von Bedenken hinsichtlich ihrer Definition, Charakterisierung und in vivo Integration in Frage gestellt. Es ist hinlänglich bekannt, dass die Mikroumgebung wie die Komposition der extrazellulären Matrix (EZM), die mechanische Umgebung und die lokalen zellulären und/oder parakrinen Interaktionen das Verhalten der MSZ entscheidend beeinflussen. Die meisten wissenschaftlichen Erkenntnisse über die Biologie und die therapeutische Wirkung von MSZ stammen jedoch aus mechanistischen In-vitro-Studien, in denen Faktoren aus der naiven Mikroumgebung von MSZ kaum berücksichtigt wurden. Dies kann zu offensichtlichen Veränderungen des Zellproliferationsverhaltens und des Differenzierungspotenzials der Zellen führen, was die Übertragung der Ergebnisse in die klinische Praxis beeinträchtigt. Diese Arbeit zielt darauf ab, die Komplexität der Interaktionen von MSZ in der Mikroumgebung der skelettalen Nische zu untersuchen, um Methoden zur Umgehung der derzeitigen Limitationen bei der In-vitro-Kultur von MSZ zu etablieren. Zunächst wurde der Einfluss der EZM auf das Verhalten von MSZ in vitro mit Hilfe von dezellularisierten menschlichen Knochenmodellen untersucht. Basale oder dezellularisierte 2D-Matrizen (dECM) osteogen differenzierter Zellen erwiesen sich als geeignete Zellkultursubstrate für die MSZ-Expansion, da sie nahezu native Zell-EZM-Interaktionen ermöglichen. Darüber hinaus deutet die quantifizierten morphologischen Formveränderungen in MSZ auf ein osteoinduktives Potenzial des Materials hin, was durch eine beobachtete spontane Mineralisierung der MSZ funktionell bestätigt wurde. Mit dem Ziel, neue intrinsische EZM-Faktoren zu identifizieren, die für die skelettale Nische spezifisch sind, wurden zusätzlich dezellularisierte 3D-Gerüste aus menschlichem trabekulärem Knochen (dBone) entwickelt und umfassend charakterisiert. Bemerkenswerterweise zeigen die auf dBone-Gerüsten kultivierten MSZ eine Hochregulierung von typischen Stammzell-assoziierten Genen, sowie die Expression von charakteristischen Nischenproteinen, was für die Erhaltung des Phänotyps naiver MSZ spricht. Andererseits wurde die Auswirkung einer biomimetischen Mineralisierung auf das osteogene Potenzial von MSZ durch Hydroxyapatit-Funktionalisierung von Typ-I-Kollagen Trägermaterialien in Gegenwart von Magnesium untersucht. Mineralisierte Gerüste zeigten eine höhere Zellviabilität und einen klaren Trend zur Hochregulierung osteogener Gene im Vergleich zu nicht-mineralisierten Gerüsten. Um die Komplexität der nativen MSZ-Umgebung zu imitieren, wurde schließlich ein dynamisches Kultursystem auf die dezellularisierten 3D-Knochenkonstrukte angewandt, die zuvor unter statischen Bedingungen untersucht worden waren. Mechanische Stimuli, die durch (1) kontinuierliche Perfusion des Zellkulturmediums bei 1,7 ml/min und (2) Druckbelastung durch eine einachsige Last von 10 % bei 1 Hz erzeugt wurden, führten nachweislich zu einer verbesserten Zellrepopulation innerhalb des Gerüsts und zu einer Steigerung der de novo EZM-Produktion. Das stressinduzierte Genexpressionsmuster deutet darauf hin, dass es schon früh durch Integrin-Matrix-Adhäsion zu einer Festlegung der MSZ auf die osteogene Linie kommt, was die Rekapitulation eines Zuverlässigen in vitro-Knochennischenmodells in dBone-Konstrukten weiter bestätigt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die hier entwickelten in vitro-Modelle eine zunehmende Komplexität der zellulären Mikroumgebung darstellen, durch die wichtige Erkenntnisse über die Interaktionen von MSZ mit der Mikroumgebung in der Knochennische gewonnen werden können, was sicherlich den Weg für ein besseres Verständnis der Rolle von MSZ in der Knochenhomöostase und -regeneration ebnet.

Measles is an ancient disease with historical records as early as the 9th century. Extensive study as well as advances in scientific knowledge of virology have led to identification of the viral pathogen and subsequent development of an effective vaccine leading to global efforts towards measles elimination. In 2018, around 140,000 deaths were reported due to measles with incomplete vaccine coverage being one of the leading causes of resurgence. Measles is highly contagious and often regarded as a childhood illness. However, measles is associated with a number of complications and persistent infections like subacute sclerosing panencephalitis (SSPE), which have brought into focus the need for specific anti-viral therapies. The aim of this study was to target host and viral factors to optimize anti-measles virus therapy. Our approach was to test a panel of compounds known to inhibit host cell functions or viral factors for their antiviral effect on measles replication. Primary human lymphocytes, persistently infected NT2 cells and post-mitotic neurons were used as in vitro model systems of acute, persistent and neuronal infection respectively to test the inhibitors. Using the inhibitors Ceranib-2 and SKI-II to target the sphingolipid metabolism enzymes acid ceramidase and sphingosine kinase in infected human primary lymphocytes, we observed a decreased protein translational capacity mediated by mTORC1, EIF4E and ribosomal protein S6 phosphorylation that probably contributes to the antiviral effect. In the persistently infected neural NT2 cells and post-mitotic neurons derived from LUHMES cells, we observed effective infection inhibition and viral clearance upon treatment with a small non-nucleoside inhibitor (ERDRP-0519) specifically targeting the Morbillivirus large polymerase. Other inhibitors such as Ribavirin and Favipiravir were less effective. To conclude, 1) we identified a mTOR associated protein translation axis associated with the sphingolipid metabolism, which affects measles virus replication and 2) In vitro persistently infected neuronal and post-mitotic neuron models were successfully used as a rapid method to test antivirals against measles virus. / Masern sind eine uralte Krankheit, die bereits im 9. Jahrhundert historisch belegt ist. Umfangreiche Studien und Fortschritte in der Virologie haben die Identifizierung des viralen Erregers und anschließende Entwicklung eines wirksamen Impfstoffs ermöglicht, was zu weltweiten Bemühungen um die Eliminierung der Masern geführt hat. Im Jahr 2018 wurden rund 140.000 Todesfälle aufgrund von Masern gemeldet, wobei die unvollständige Durchimpfungsrate eine der Hauptursachen für das Wiederauftreten der Krankheit ist. Masern sind hoch ansteckend und werden oft als Kinderkrankheit betrachtet. Die Erkrankung ist jedoch assoziiert mit einer Reihe Komplikationen und persistierenden Infektionen wie die subakute sklerosierende Panenzephalitis (SSPE), was den Bedarf nach spezifischen antiviralen Therapien in den Focus gebracht hat. Ziel dieser Studie war es, zelluläre und virale Faktoren ins Visier zu nehmen, um die Therapie gegen das Masernvirus zu optimieren. Unser Ansatz bestand darin, eine Reihe von Substanzen, die bekanntermaßen Wirtsfunktionen oder virale Faktoren hemmen, auf ihre antivirale Wirkung auf die Masernreplikation zu testen. Primäre menschliche Lymphozyten, persistierend infizierte NT2-Zellen und post-mitotische Neuronen wurden als in-vitro-Modellsysteme für akute, persistierende und neuronale Infektionen verwendet, um die Inhibitoren zu testen. Durch den Einsatz der Inhibitoren Ceranib-2 und SKI-II, die auf die Enzyme saure Ceramidase und Sphingosinkinase des Sphingolipid-Stoffwechsels abzielen, konnten wir in infizierten menschlichen primären Lymphozyten eine verringerte Protein-Translationskapazität vermittelt durch mTORC1, EIF4E und ribosomales Protein S6-Phosphorylierung beobachten, die wahrscheinlich zur antiviralen Wirkung beiträgt. In den persistierend infizierten neuronalen NT2-Zellen und aus LUHMES-Zellen differenzierten post-mitotischen Neuronen beobachteten wir eine effektive Elimination des Virus oder Infektionshemmung bei Behandlung mit einem nicht-nukleosidischen Inhibitor (ERDRP-0519), der spezifisch auf die Polymerase des Morbillivirus abzielt. Andere Inhibitoren wie Ribavirin und Favipiravir waren weniger effektiv. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir 1) wir eine mTOR-assoziierte Protein-Translationsachse identifiziert haben, die mit dem Sphingolipid-Stoffwechsel in Verbindung steht und die Masernvirus-Replikation beeinflusst, und 2) In-vitro-Modelle für persistierend infizierte neuronale und post-mitotische Neuronen erfolgreich als schnelle Methode zum Testen von Virostatika gegen Masernvirus angewandt haben.