Coxiella burnetii, a Gram negative obligate intracellular bacterium, is the causative agent of Q fever. It has a world wide distribution and has been documented to be capable of causing infections in several domestic animals, livestock species, and human beings. Outbreaks of Q fever are still being observed in livestock across animal farms in Europe, and primary transmission to humans still oc- curs especially in animal handlers. Public health authorities in some countries like Germany are required by law to report human acute cases denoting the significance of the challenge posed by C. burnetii to public health. In this thesis, I have developed a platform alongside methods to address the challenges of genomic analyses of C. burnetii for typing purposes. Identification of C. burnetii isolates is an important task in the laboratory as well as in the clinics and genotyping is a reliable method to identify and characterize known and novel isolates. Therefore, I designed and implemented several methods to facilitate the genotyping analyses of C. burnetii genomes in silico via a web platform. As genotyping is a data intensive process, I also included additional features such as visualization methods and databases for interpretation and storage of obtained results. I also developed a method to profile the resistome of C. burnetii isolates using a machine learning approach. Data about antibiotic resistance in C. burnetii are scarce majorly due to its lifestyle and the difficulty of cultivation in laboratory media. Alternative methods that rely on homology identification of resistance genes are also inefficient in C. burnetii, hence, I opted for a novel approach that has been shown to be promising in other bacteria species. The applied method relied on an artificial neural network as well as amino acid composition of position specific scoring matrix profile for feature extraction. The resulting model achieved an accuracy of ≈ 0.96 on test data and the overall performance was significantly higher in comparison to existing models. Finally, I analyzed two new C. burnetii isolates obtained from an outbreak in Germany, I compared the genome to the RSA 493 reference isolate and found extensive deletions across the genome landscape. This work has provided a new digital infrastructure to analyze and character- ize C. burnetii genomes that was not in existence before and it has also made a significant contribution to the existing information about antibiotic resistance genes in C. burnetii. / Coxiella burnetii, ein Gram-negatives, obligat intrazelluläres Bakterium, ist der Erreger des Q-Fiebers. Er hat eine weltweite Verbreitung und ist nachweis- lich in der Lage, Infektionen bei verschiedenen Haustieren, Nutztieren und Menschen zu verursachen. Ausbrüche von Q-Fieber werden immer noch in Tierbeständen in Europa beobachtet, und die Primärübertragung auf den Men- schen erfolgt nach wie vor allem durch Kontakt mit entsprechenden Tieren und ihren Ausscheidungen. Das öffentliche Gesundheitssystem in einigen Ländern wie Deutschland hat eine Meldepflicht für akute Fälle beim Menschen festge- legt, was die Bedeutung des Erregers bzw. seiner ausgelösten Erkrankung für die öffentliche Gesundheit verdeutlicht. In dieser Doktorarbeit habe ich eine Plattform neben weiteren Methoden entwickelt, um die Herausforderungen der Genomanalyse von C. burnetii für Genotypisierungsverfahren zu adressieren. Die Identifizierung von C. burnetii-Isolaten erfüllt eine wichtige Funktion im La- bor sowie in den Krankenhäusern, und die Genotypisierung ist eine verlässliche Methode, um bekannte und neue Isolate zu identifizieren und zu charakte- risieren. Daher habe ich mehrere Methoden konzipiert und implementiert, um die Analyse zur Genotypisierung von C. burnetii-Genomen in silico über eine Web-Plattform zu erleichtern. Da die Genotypisierung ein datenintensiver Prozess ist, habe ich ebenfalls zusätzliche Features wie Visualisierungsme- thoden und Datenbanken zur Interpretation und Speicherung der erhaltenen Ergebnisse mitaufgenommen. Ferner habe ich eine Methode zur Erstellung des Resistomprofils von C. burnetii-Isolaten unter Verwendung eines Ansat- zes des maschinellen Lernens entwickelt. Daten über Resistenzfaktoren bei C. burnetii sind rar, was hauptsächlich auf die obligat intrazelluläre Lebensweise der Coxiellen und die Schwierigkeiten bei der Kultivierung in Labormedien zurückzuführen ist. Alternative Methoden, die auf der Identifizierung der Ho- mologie von Resistenzgenen basieren, sind bei C. burnetii ebenfalls ineffizient. Aus diesem Grund entschied ich mich für einen neuen Ansatz, der sich bereits bei anderen Bakterienspezies als vielversprechend erwiesen hat. Die verwen- dete Methode basiert auf einem artifiziellen neuronalen Netzwerk sowie auf der Aminosäurezusammensetzung des positionsspezifischen Matrixprofils zur Extraktion von Features. Das daraus resultierende Modell erzielte eine Genauig- keit von ≈ 0,96 bei den Testdaten und die Gesamtleistung war signifikant höher im Vergleich zu den bereits vorhandenen Methoden. Schließlich analysierte ich zwei neue C. burnetii-Isolate, die von einem Q-Fieberausbruch in Deutschland stammten. Ich verglich das Genom mit dem RSA 493 Referenz Isolat und fand extensive Deletionen über das Genom sequenz. Mit dieser Arbeit wird eine neue digitale Infrastruktur zu Analyse von C. burnetii- Genomen bereitgestellt, die es vorher noch nicht gab. Zudem liefert diese Arbeit einen wichtigen Beitrag zu den bereits vorhandenen Informationen über Antibiotikaresistenzgene bei in C. burnetii.

The immune system has the function to defend organisms against a variety of pathogens and malignancies. To perform this task, different parts of the immune system work in concert and influence each other to balance and optimize its functional output upon activation. One aspect that determines this output and ultimately the outcome of the infection is the tissue context in which the activation takes place. As such, it has been shown that dendritic cells can relay information from the infection sites to draining lymph nodes. This way, the ensuing adaptive immune response that is initiated by dendritic cells, is optimized to the tissue context in which the infection needs to be cleared. Here, we set out to investigate whether unconventional T cells (UTC) could have a similar function in directing a site-specific immune response. Using flow cytometry, scRNA-sequencing and functional assays we demonstrated that UTC indeed drive a characteristic immune response in lymph nodes depending on the drained tissues. This function of UTC was directly connected to their lymphatic migration from tissues to draining lymph nodes reminiscent of dendritic cells. Besides these tissue-derived UTC that migrated via the lymph, we further identified circulatory UTC that migrated between lymph nodes via the blood. Functional characterization of UTC following bacterial infection in wt and single TCR-based lineage deficient mice that lacked subgroups of UTC further revealed that both tissue-derived and circulatory UTC were organized in functional units independent of their TCR-based lineage-affiliation (MAIT, NKT, gd T cells). Specific reporter mouse models revealed that UTC within the same functional unit were also located in the same microanatomical areas of lymph nodes, further supporting their shared function. Our data show that the numbers and function of UTC were compensated in single TCR-based lineage deficient mice that lacked subgroups of UTC. Taken together, our results characterize the transcriptional landscape and migrational behavior of UTC in different lymph nodes. UTC contribute to a functional heterogeneity of lymph nodes, which in turn guides optimized, site-specific immune responses. Additionally, we propose the classification of UTC within functional units independent of their TCR-based lineage. These results add significantly to our understanding of UTC biology and have direct clinical implications. We hope that our data will guide targeted vaccination approaches and cell-based therapies to optimize immune responses against pathogens and cancer. / Das Immunsystem verteidigt den Host gegen eine Vielzahl an Pathogenen und malignen Transformationen. Um diese Aufgabe effizient zu erfüllen, arbeiten verschiedene Bereiche des Immunsystems zusammen, um bei Aktivierung optimal zu funktionieren. Einen potenziellen Einfluss auf die Immunantwort hat der Kontext, in dem die Aktivierung stattfindet. Es konnte gezeigt werden, dass dendritische Zellen Informationen von der Infektionsstelle im Gewebe zum drainierenden Lymphknoten transportieren. Auf diese Weise kann die adaptive Immunantwort, initiiert von den dendritischen Zellen, auf die Situation im Gewebe optimiert werden, um die Infektion zu bekämpfen. In dieser Arbeit wollten wir die Rolle der unkonventionellen T Zellen (UTC) in der Generierung der Ortsspezifischen Immunantwort untersuchen. Unter Verwendung von Durchflusszytometry, Einzelzell-RNS Sequenzierung und funktioneller Analyse Methoden, konnten wir zeigen, dass diese Zellen eine Lymphknoten-spezifische Immunantwort generieren, die vom drainierenden Gewebe abhängt. Diese Eigenschaft der UTC war direkt mit ihrer Fähigkeit geknüpft, wie dendritische Zellen vom Gewebe zu den Lymphknoten zu wandern. Neben dieser Gewebe-abstammenden UTC Population konnten wir auch eine im Blut zirkulierende Gruppe identifizieren. Während der Analyse dieser Zellen in bakterieller Infektion von wild typ und einzelnen TCR Identität-defizienten Mäusen stellte sich heraus, dass sie als funktionelle Einheiten agieren, unabhängig von ihrer TCR-basierten Identität (MAIT, NKT,  T Zellen). Mit spezifischen Reporter Maus Linien konnten wir zeigen, dass sich UTC in spezifischen mikroanatomischen Nischen in Lymphknoten befinden, was eine überlappende Funktion andeutet. Außerdem war die Anzahl und Funktion der UTC kompensiert in einzelnen TCR Identität-defizienten Mäusen. Zusammenfasst charakterisieren unsere Ergebnisse das Transkriptionsprofil und Migrations-verhalten der UTC in verschiedenen Lymphknoten. Wir zeigen, dass UTC zum Teil für die Lymphknoten spezifische Unterschiede verantwortlich sind und damit eine spezifische, optimierte Immunantwort steuern. Diese Ergebnisse erweitern unser Wissen über die Biologie von UTC signifikant und haben direkte klinische Relevanz. Auf der Basis dieses Wissens können neue Impfansätze oder Zelltherapie Strategien genauer designend werden.

The slowly activating vacuolar SV/TPC1 channel is ubiquitously expressed in plants and provides a large cation conductance in the vacuolar membrane. Thereby, monovalent (K+, Na+) and in principle also divalent cations, such as Ca2+, can pass through the channel. The SV/TPC1 channel is activated upon membrane depolarization and cytosolic Ca2+ but inhibited by luminal calcium. With respect to the latter, two luminal Ca2+ binding sites (site 1 Asp240/Asp454/Glu528, site 2 Glu239/Asp240/Glu457) were identified to coordinate luminal Ca2+. In this work, the characteristics of the SV/TPC1 channels in terms of regulation and function were further elucidated, focusing on the TPC1s of Arabidopsis thaliana and Vicia faba. For electrophysiological analysis of the role of distinct pore residues for channel gating and luminal Ca2+ sensing, TPC1 channel variants were generated by site-directed mutagenesis and transiently expressed as eGFP/eYFP-fusion constructs in Arabidopsis thaliana mesophyll protoplasts of the TPC1 loss-of-function mutant attpc1-2. 1. As visualized by confocal fluorescence laser-scanning microscopy, all AtTPC1 (WT, E605A/Q, D606N, D607N, E605A/D606N, E605Q/D606N/D607N, E457N/E605A/D606N) and VfTPC1 channel variants (WT, N458E/A607E/ N608D) were correctly targeted to the vacuole membrane. 2. Patch-clamp studies revealed that removal of one of the negative charges at position Glu605 or Asp606 was already sufficient to promote voltage-dependent channel activation with higher voltage sensitivity. The combined neutralization of these residues (E605A/D606N), however, was required to additionally reduce the luminal Ca2+ sensitivity of the AtTPC1 channel, leading to hyperactive AtTPC1 channels. Thus, the residues Glu605/Asp606 are functionally coupled with the voltage sensor of AtTPC1 channel, thereby modulating channel gating, and form a novel luminal Ca2+ sensing site 3 in AtTPC1 at the luminal entrance of the ion transport pathway. 3. Interestingly, this novel luminal Ca2+ sensing site 3 (Glu605/Asp606) and Glu457 from the luminal Ca2+ sensing site 2 of the luminal Ca2+-sensitive AtTPC1 channel were neutralized by either asparagine or alanine in the TPC1 channel from Vicia faba and many other Fabaceae. Moreover, the VfTPC1 was validated to be a hyperactive TPC1 channel with higher tolerance to luminal Ca2+ loads which was in contrast to the AtTPC1 channel features. As a result, VfTPC1 but not AtTPC1 conferred the hyperexcitability of vacuoles. When AtTPC1 was mutated for the three VfTPC1-homologous polymorphic site residues, the AtTPC1 triple mutant (E457N/E605A/D606N) gained VfTPC1-like characteristics. However, when VfTPC1 was mutated for the three AtTPC1-homologous polymorphic site residues, the VfTPC1 triple mutant (N458E/A607E/N608D) still sustained VfTPC1-WT-like features. These findings indicate that the hyperactivity of VfTPC1 is achieved in part by the loss of negatively charged amino acids at positions that - as part of the luminal Ca2+ sensing sites 2 and 3 – are homologous to AtTPC1-Glu457/Glu605/Asp606 and are likely stabilized by other unknown residues or domains. 4.The luminal polymorphic pore residues (Glu605/Asp606 in AtTPC1) apparently do not contribute to the unitary conductance of TPC1. Under symmetrical K+ conditions, a single channel conductance of about 80 pS was determined for AtTPC1 wild type and the AtTPC1 double mutant E605A/D606A. This is in line with the three-fold higher unitary conductance of VfTPC1 (232 pS), which harbors neutral luminal pore residues at the homologous sites to AtTPC1. In conclusion, by studying TPC1 channel from Arabidopsis thaliana and Vicia faba, the present thesis provides evidence that the natural TPC1 channel variants exhibit differences in voltage gating, luminal Ca2+ sensitivity and luminal Ca2+ binding sites. / Der langsam aktivierende vakuoläre SV/TPC1-Kanal wird in Pflanzen ubiquitär exprimiert und besitzt eine große Kationenleitfähigkeit in der Vakuolen¬membran. Dabei können einwertige (K+, Na+) und im Prinzip auch zweiwertige Kationen, wie Ca2+, den Kanal passieren. Der SV/TPC1-Kanal wird bei Membrandepolarisation und zytosolischem Ca2+ aktiviert, aber durch luminales Calcium gehemmt. In Bezug auf letzteres wurden zwei luminale Ca2+-Bindungsstellen (Seite I Asp240/Asp454/Glu528, Seite II Glu239/Asp240/Glu457) zwecks Koordination von luminalem Ca2+ identifiziert. In dieser Arbeit wurden die Eigenschaften der SV/TPC1-Kanäle in Bezug auf Regulierung und Funktion weiter aufgeklärt, wobei der Schwerpunkt auf den TPC1-Proteinen von Arabidopsis thaliana und Vicia faba lag. Zur elektrophysiologischen Analyse der Rolle verschiedener Porenaminosäuren für das Kanal-Gating und die luminale Ca2+-Erkennung wurden TPC1-Kanalvarianten durch gezielte Mutagenese erzeugt und transient als eGFP/eYFP-Fusionskonstrukte in Mesophyll-Protoplasten der TPC1-Verlust¬mutante attpc1-2 von Arabidopsis thaliana exprimiert. 1. Mittels konfokaler Fluoreszenz-Laser-Scanning-Mikroskopie wurde anhand der eGFP- bzw. eYFP-Fluoreszenzsignale nachgewiesen, dass alle AtTPC1- (WT, E605A/Q, D606N, D607N, E605A/D606N, E605Q/D606N/D607N, E457N/E605A/D606N) und VfTPC1-Kanalvarianten (WT, N458E/A607E/ N608D) korrekt in die Vakuolenmembran eingebaut wurden. 2. Patch-Clamp-Studien zeigten, dass die Entfernung einer der negativen Ladungen an den Positionen Glu605 oder Asp606 bereits ausreichte, um die spannungsabhängige Kanalaktivierung mit höherer Spannungsempfindlichkeit zu fördern. Die kombinierte Neutralisierung dieser Reste (E605A/D606N) war jedoch erforderlich, um die luminale Ca2+-Empfindlichkeit des AtTPC1-Kanals zusätzlich zu reduzieren, was zu hyperaktiven AtTPC1-Kanälen führte. Die Aminosäurereste Glu605/Asp606 sind also funktionell mit dem Spannungssensor des AtTPC1-Kanals gekoppelt und modulieren dadurch das Kanaltor. Sie bilden eine neuartige luminale Ca2+-Sensorstelle 3 in AtTPC1 am luminalen Eingang des Ionentransportweges. 3. Interessanterweise waren diese Aminosäurereste Glu605/Asp606 der neuartigen luminalen Ca2+-Sensorstelle 3 und Glu457 von der luminalen Ca2+-Sensorstelle 2 des luminalen Ca2+-empfindlichen AtTPC1-Kanals im TPC1-Kanal von Vicia faba und vielen anderen Fabaceae entweder durch Asparagin oder Alanin neutralisiert. Darüber hinaus wurde der VfTPC1 als hyperaktiver TPC1-Kanal mit höherer Toleranz gegenüber luminalen Ca2+-Belastungen validiert, was im Gegensatz zu den Eigenschaften des AtTPC1-Kanals stand. Infolgedessen ist VfTPC1, nicht aber AtTPC1, für die hohe Erregbarkeit der Vakuolen verantwortlich. Wenn AtTPC1 für die drei VfTPC1-homologen polymorphen Stellen mutiert wurde, erhielt die AtTPC1-Dreifachmutante (E457N/E605A/D606N) VfTPC1-ähnliche Eigenschaften. Wenn VfTPC1 jedoch für die drei AtTPC1-homologen polymorphen Stellen mutiert wurde, behielt die VfTPC1-Dreifachmutante (N458E/A607E/N608D) weiterhin VfTPC1-WT-ähnliche Merkmale. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Hyperaktivität von VfTPC1 zum Teil durch den Verlust von negativ geladenen Aminosäuren an Positionen erreicht wird, die - als Teil der luminalen Ca2+-Sensorstellen 2 und 3 - homolog zu AtTPC1-Glu457/Glu605/Asp606 sind und wahrscheinlich durch andere unbekannte Reste oder Domänen stabilisiert werden. 4. Die luminalen polymorphen Porenreste (Glu605/Asp606 in AtTPC1) beeinflussen offenbar nicht die Einzelkanaleitfähigkeit von TPC1. Unter symmetrischen K+-Bedingungen wurde für den AtTPC1-Wildtyp und die AtTPC1-Doppelmutante E605A/D606A eine Einzelkanalleitfähigkeit von etwa 80 pS ermittelt. Dies steht im Einklang mit der dreifach höheren Einzelkanalleitfähigkeit von VfTPC1 (232 pS), der an den homologen Stellen zu AtTPC1 neutrale luminale Porenreste aufweist. Durch die Untersuchung von TPC1-Kanälen aus Arabidopsis thaliana und Vicia faba konnte in der vorliegenden Arbeit nachgewiesen werden, dass diese natürlichen TPC1-Kanalvarianten Unterschiede im Spannungs-Gating, der luminalen Ca2+-Empfindlichkeit und den luminalen Ca2+-Bindungsstellen aufweisen.

The RNAs of many viruses contain a frameshift stimulatory element (FSE) that grants access to an alternate reading frame via −1 programmed ribosomal frameshifting (PRF). This −1PRF is essential for effective viral replication. The −1PRF efficiency relies on the presence of conserved RNA elements within the FSE, such as a slippery sequence, spacer, and a downstream secondary structure – often a hairpin or a pseudoknot. The PRF efficiency is also affected by trans-acting factors such as proteins, miRNAs and metabolites. The interactions of these factors with the RNA and the translation machinery have not yet been completely understood. Traditional ensemble methods used previously to study these events focus on the whole population of molecular species. This results in innate averaging of the molecular behavior and a loss of heterogeneity information. Here, we first established the experimental workflow to study the RNA structures and the effect of potential trans-acting factors using single-molecule force spectroscopy technique, optical tweezers. Additionally, to streamline the data analysis, we developed an algorithm for automatized data processing. Next, we harnessed this knowledge to study viral RNA elements responsible for stimulation of PRF and how the presence of trans-acting factors affects the RNA behavior. We further complemented these single-molecule structural data with ensemble functional assays to gain a complex view on the dynamics behind the programmed ribosomal frameshifting. Specifically, two different viral RNA elements have been studied in the presented work. First, the dynamics of SARS-CoV-2 FSE and the role of extended sequences have been explored. Then, the mode of action of the host-encoded trans-acting factor ZAP-S inhibition of SARS-CoV-2 PRF has been examined. Finally, the mechanism of the trans-acting viral factor induced PRF in Encephalomyocarditis virus (EMCV) has been uncovered. / Die RNAs vieler Viren enthalten ein Lese-Rasterverschiebung-stimulierendes Element (FSE), das über die −1 programmierte ribosomale Rasterverschiebung (PRF) Zugriff auf einen alternativen Leserahmen gewährt. Dieser −1PRF ist für eine effektive Virusreplikation unerlässlich. Die −1PRF-Effizienz beruht auf dem Vorhandensein konservierter RNA-Elemente innerhalb des FSE, wie z.B. einer Slippery-Sequenz, einem Platzhalter und einer nachgelagerten Sekundärstruktur – oft eine Haarnadel oder ein Pseudoknoten. Die −1PRF-Effizienz wird auch durch trans-aktive Faktoren wie Proteine, miRNAs und Metaboliten beeinflusst. Die Wechselwirkungen dieser Faktoren mit der RNA und der Translationsmaschinerie sind noch nicht vollständig verstanden. Traditionelle Ensemble-Methoden, die früher zur Untersuchung dieser Ereignisse verwendet wurden, konzentrieren sich auf die gesamte Population molekularer Spezies. Dies führt zu einer inhärenten Durchschnittsbildung des molekularen Verhaltens und einem Verlust von Heterogenitätsinformationen. Hier haben wir zunächst den experimentellen Arbeitsablauf zur Untersuchung der RNA-Strukturen und der Wirkung potenzieller trans-aktiver Faktoren mithilfe der Einzelmolekül-Kraftspektroskopietechnik Optischer Pinzetten etabliert. Um die Datenanalyse zu optimieren, haben wir außerdem einen Algorithmus zur automatisierten Datenverarbeitung entwickelt. Als nächstes nutzten wir dieses Wissen, um virale RNA-Elemente zu untersuchen, die für die Stimulierung von −1PRF verantwortlich sind, und wie sich das Vorhandensein trans-aktiver Faktoren auf das Verhalten der RNA auswirkt. Wir haben diese Einzelmolekülstrukturdaten weiter durch Ensemble-Funktionsassays ergänzt, um einen komplexen Überblick über die Dynamik hinter der programmierten ribosomalen Rasterverschiebung zu erhalten. Konkret wurden in der vorgestellten Arbeit zwei verschiedene virale RNA-Elemente untersucht. Zunächst wurden die Dynamik des SARS-CoV-2-FSE und die Rolle erweiterter Sequenzen untersucht. Anschließend wurde die hemmende Wirkungsweise des vom Wirt kodierten trans-wirkenden Faktors ZAP-S auf SARS-CoV-2-PRF untersucht. Schließlich wurde der Mechanismus der, durch den trans-aktiven Virusfaktor induzierten PRF beim Enzephalomyokarditis-Virus (EMCV), entschlüsselt

Platelets are the second most abundant blood cells and their main function is maintenance of vascular integrity. In addition, platelets are increasingly recognized as cells with immune functions, as they participate in the recruitment of immune cells and modulate the progression and severity of an immune response. So-called lipid mediators, which are – besides other cells – released by activated platelets, influence the immune response. LTB4 is one of these potent lipid mediators and is able to activate neutrophils and induce their infiltration into injured tissue. In order to investigate the involvement of platelets in inflammatory processes, a murine model of hepatic ischemia reperfusion injury as well as confocal intravital microscopy of the liver were established. Both methods were used to analyze the influence of platelets on the inflammation that follows sterile liver inflammation. We found platelet function to be unaltered after three hours of reperfusion and platelet aggregation to be irrelevant for the outcome of hepatic ischemia reperfusion injury. However, a strong impact of the GPIb-vWF axis could be observed, as antibody mediated blockade of GPIb as well as vWF-deficiency significantly reduced liver damage markers and decreased neutrophil infiltration. GPIb-IL-4R mice were used to exclude the possibility that the protective effects of the anti-GPIbα antibody treatment (p0p/B) results from something else than blocking GPIbα. Furthermore, the slope of neutrophil infiltration was decreased in p0p/B-treated mice, leading to overall decreased neutrophil numbers in the liver after three hours of reperfusion. Blockade of the integrin αIIbβ3, however, showed no reduction in neutrophil infiltration into the post-ischemic liver, in line with unaltered liver damage. To study the role of leukotriene B4, conditional and constitutive knockout mice for the LTA4 hydrolase, which catalyzes the last step in LTB4 synthesis, were generated. Lta4h deficiency did not affect general platelet functionality in hemostasis and thrombosis. Interestingly, Lta4h-/- mice were not protected from cellular damage following hepatic ischemia, despite lower neutrophil numbers in the post-ischemic liver. Intravital microscopy of the pancreas was established and revealed increased CD4+ T cell numbers in GPVI-deficient animals compared to WT controls in line with the pre-diabetic phenotype of Gp6-/- mice that was revealed in Grzegorz Sumara’s group. Furthermore, platelet ‘behavior’ in pancreatic islets was observed following glucose injection. We found a high number of platelets adherent to islet sinusoids under basal conditions and no rolling/decelerating of platelets following glucose injection. This was accompanied by temporary sinusoidal constriction and stop of the blood flow. This phenomenon was not observed in control settings (injection of PBS, insulin or L-glucose). In a side project, which was carried out jointly with Tobias Heib, a side by side comparison of the classical syringe-based flushing and the centrifugation-based spinning method to isolate murine bone marrow was conducted. Flow cytometry revealed no differences in the distribution of hematopoietic stem cells and immune cells and functional analysis with primary and cultured megakaryocytes (MKs) showed comparable results in all conducted assays. Thus, our data demonstrated that the faster and more efficient spinning method can be used for the isolation of bone marrow cells. / Thrombozyten gehören zu den am stärksten im Blut vertretenen Zellen, deren Hauptaufgabe der Erhalt der vaskulären Integrität darstellt. Des Weiteren werden Thrombozyten immer mehr als „Immunzellen“ betrachtet, da sie andere Zellen rekrutieren, sowie zum Verlauf und der Schwere der Immunantwort beitragen. So genannte Lipidmediatoren, die neben anderen Zellen auch von Thrombozyten freigesetzt werden, sind in der Lage die Immunantwort zu beeinflussen. Leukotrien B4 (LTB4) ist ein solcher hochwirksamer Lipidmediator, der dafür bekannt ist, Neutrophile zu aktivieren und deren Infiltration in verletztes/entzündetes Gewebe zu begünstigen. Um einen besseren Einblick in den Beitrag von Thrombozyten in entzündlichen Prozessen zu bekommen, wurden ein Mausmodell des hepatischen Ischämie/Reperfusionsschadens sowie konfokale Intravitalmikroskopie etabliert. Beide Methoden wurden benutzt, um den Einfluss von Thrombozyten auf eine sterile Entzündungsreaktion zu untersuchen. Wir konnten zeigen, dass die Thrombozytenaktivität nach 3-stündiger Reperfusion unverändert blieb. Des Weiteren scheint Thrombozytenaggregation für den Ausgang im hepatischen Ischämie- und Reperfusionsmodell vernachlässigbar zu sein, während ein deutlicher Einfluss der GPIb-vWF Achse beobachtet wurde. Antikörper vermittelte GPIb-Blockade sowie vWF Defizienz zeigten reduzierte Werte des Leberschadens sowie geringere Neutrophilzahlen im Lebergewebe. Um auszuschließen, dass die schützenden Effekte der anti-GPIbα Applikation (p0p/B) durch etwas anderes als die Blockade von GPIbα verursacht werden, wurden GPIb-IL-4R Tiere verwendet. Hinzu kommt ein flacherer Anstieg der Neutrophilzahlen in p0p/B behandelten Tieren, was letztlich auch zur geringeren Gesamtzahl nach 3-stündiger Reperfusion führt. Die Blockade des Integrins αIIbβ3 zeigte im Vergleich zu Kontrolltieren unveränderte Einwanderung von neutrophilen Granulozyten in der post-ischämischen Leber, was in Einklang mit dem unveränderten Leberschaden nach Ischämie/Reperfusion steht. Um den Einfluss von Leukotrienen zu untersuchen, wurden konstitutive und konditionelle Knockout Tiere für die LTA4 Hydrolase generiert, die den letzten Schritt der LTB4-Synthese katalysiert. LTA4H-Defizienz hatte keinen Einfluss auf normale Thrombozytenfunktion in Thrombose und Hämostase. Interessanterweise zeigten diese Tiere jedoch keinen Leber-spezifischen Schutz nach Ischämie, obwohl die Zahl der einwandernden neutrophilen Granulozyten signifikant verringert war. Intravitalmikroskopie des Pankreas wurde erfolgreich etabliert und zeigte erhöhte CD4+ T-Zellzahlen in GPVI-defizienten Tieren im Vergleich zu WT Kontrolltieren. Diese Ergebnisse sind im Einklang mit dem von Grzegorz Sumaras Gruppe gefundenen prä-diabetischen Phänotyp in Gp6-/- Mäusen. Des Weiteren wurde das „Verhalten“ von Thrombozyten in Langerhans-Inseln nach Glukoseinjektion untersucht. Wir fanden bereits unter Grundbedingungen eine hohe Anzahl von adhärenten Thrombozyten im Gefäßsystem, jedoch kein Verlangsamen/Rollen von Thrombozyten nach Glukose Injektion. Dieser Effekt wurde von einer temporären Verengung des Gefäßsystems und einem Stoppen des Blutflusses begleitet und konnte nicht in Kontrollbedingungen (Injektion von PBS, Insulin oder L-Glukose) beobachtet werden. In einem Nebenprojekt, das gemeinsam mit Tobias Heib durchgeführt wurde, wurden die klassische nadel-basierte Flush- sowie die Zentrifugations-basierte Spin-Methode zur Isolation von murinem Knochenmark verglichen. Durchflusszytometrie zeigte, dass die Verteilung von Stamm- und Immunzellpopulationen unverändert war. Des Weiteren zeigten funktionale Analysen von primären und kultivierten Megakaryozyten (MKs) vergleichbare Ergebnisse in allen durchgeführten Tests. Somit haben unsere Daten gezeigt, dass die schnellere und effizientere Spin-Methode zur Isolierung von Knochenmarkszellen verwendet werden kann.

In contrast to the well described molecular basis for S-type anion currents, the genes underlying R-type anion currents were unknown until 2010. Meyer S. and colleagues (2010) showed that, localized in the guard cell plasma membrane, AtALMT12 is an R-type anion channel involved in stomatal closure. However, knocking out AtALMT12 did not fully shut down R-type currents; the almt12 loss-of-function mutant has residual R-type-like currents indicating that ALMT12 is not the only gene encoding Arabidopsis thaliana R-type channels (Meyer S. et al., 2010). This PhD thesis is focussed on understanding the properties, regulation and molecular nature of the R-type channels in Arabidopsis thaliana plants. To fulfil these aims, the patch clamp technique was used to characterize electrical features of R-type currents in various conditions such as the presence/absence of ATP, variation in cytosolic calcium concentration or the presence of cytosolic chloride. Electrophysiological study revealed many similarities between the features of Arabidopsis thaliana R-type currents (Col0) and residual R-type currents (the almt12 loss-of-function mutant). Strong voltage dependency, channel activity in the same voltage range, position of maximal recorded current and blockage by cytosolic ATP all pointed to a shared phylogenetic origin of the channels underlying these R-type currents. Expression patterns of the ALMT family members for Col0 and the almt12 mutant revealed ALMT13 and AMT14 as potential candidates of the R-type channels. Electrical characterization of Col0, almt12 and the two double loss-of-function mutants (almt12/almt13 and almt12/almt14) strongly suggest that ALMT13 mediates the calcium-dependent R-type current component that is directly regulated by cytosolic calcium. Additionally, similarly to ALMT12, ALMT14 could participate as a calcium-independent R-type anion channel. Differences in response to the cytosolic calcium concentration between ALMT12, ALMT13 and ALMT14 suggest their possible involvement in different signalling pathways leading to stomatal closure. Moreover, a study performed for the two Arabidopsis thaliana ecotypes Col0 and WS showed drastically increased ALMT13 expression for WS, which is related to R-type current properties. The WS ecotype has calcium-dependent R-type current behaviour, while it is calcium-independent in Col0. Furthermore, this plant line showed lower peak current densities compared to Col0 and almt mutants. These facts strongly suggest interaction between ALMT12 and ALMT13, with ALMT13 as a repressor of the ALMT12. Acquired patch clamp data revealed sulphate-dependent increases in ALMT13 current. This could be caused by changes in absolute open probability and/or permeability for sulphate and possibly chloride and links ALMT13 with sulphate-mediated stomatal closure under drought stress. It was then confirmed that ATP affects R-type currents. In contrast to Vicia faba, ATP was identified as a negative regulator of the Arabidopsis thaliana R-type anion channels. The effect of ATP is ambiguous but there is a high probability that it is a result of direct block and phosphorylation. However, the phosphorylation site and place of ATP binding needs further investigation. The story of the ALMT family, as examined in this thesis, sheds light on the complexity of the stomatal closure process. / Im Gegensatz zu den gut beschriebenen S-Typ Anionenströmen, die durch Kanäle der SLAC1 Familie vermittelt werden, waren die Gene, die für R-Typ Anionenkanäle kodieren bis 2010 unbekannt (Negi J. et al., 2008, Vahisalu T. et al., 2008). In diesem Jahr identifizierten Meyer S. und Kollegen AtALMT12 als R-Typ Anionenkanal, der in der Plasmamembran von Schließzellen lokalisiert und am Stomaschluss beteiligt ist. In almt12 Verlustmutanten sind jedoch restliche R-Typ Ströme messbar, die darauf hinweisen, dass ALMT12 nicht das einzige Gen ist, das in Arabidopsis thaliana für R-Typ Anionenkanäle kodiert (Meyer S. et al., 2010). Diese Dissertation konzentriert sich auf die Analyse der Eigenschaften, der Regulation und der molekularen Natur der R-Typ Kanäle in Arabidopsis thaliana Pflanzen. Dafür wurde die Patch Clamp Technik angewandt, um den Einfluss verschiedener Faktoren wie z.B. das Fehlen/Vorhandensein von ATP, Unterschiede in der zytosolischen Kalziumkonzentration oder das Vorhandensein von zytosolischem Chlorid auf die elektrische Eigenschaften der R-Typ Ströme der verschiedene Kanäle zu untersuchen. Die elektrophysiologischen Untersuchungen zeigten viele Ähnlichkeiten zwischen den Eigenschaften von R-Typ Ströme in Wildtyp Pflanzen (Col0) und den noch vorhandenen Strömen in der Verlustmutante almt12. Beide sind stark spannungsabhängig, zeigen Kanalaktivität im gleichen Spannungsbereich und werden durch zytosolisches ATP inhibiert, was auf einen gemeinsamen phylogenetischen Ursprung der R-Typ Anionenkanäle hinweist. Die Expressionsanalyse der Gene der ALMT-Familie zeigte, dass ALMT13 und ALMT14 weitere potenzielle Kandidaten für Anionenkanäle des R-Typs sind. Die elektrophysiologische Charakterisierung von Col0, almt12 und den beiden zweifachen Verlustmutanten almt12/almt13 und almt12/almt14 ermöglichte es, die durch ALMT13 vermittelten Ströme als kalziumabhängige Komponente der R-Typ Ströme zu spezifizieren. Dabei wird ALMT13 direkt durch zytosolisches Kalzium reguliert. ALMT14 vermittelt dagegen kalziumunabhängige Ströme, ähnlich wie ALMT12. Unterschiede in der Reaktion auf die zytosolische Kalziumkonzentration zwischen ALMT12, ALMT13 und ALMT14 deuten auf eine mögliche Beteiligung an verschiedenen Signalwegen hin, die zum Stomaschluss führen. Darüber hinaus wurde eine Studie für zwei Arabidopsis thaliana Ökotypen durchgeführt. Pflanzen des Ökotyps WS zeigten eine erhöhte Expression von ALMT13 im Vergleich zu Col0 Pflanzen, während die Expression von ALMT12 in beiden vergleichbar ist. Diese Unterschiede wirken sich auf die R-Typ Ströme aus, die nur in WS-Pflanzen kalziumabhängig sind und eine geringere Amplitude haben. Diese Fakten deuten stark auf eine Interaktion zwischen ALMT12 und ALMT13 hin, bei der ALMT13 als Repressor von ALMT12 wirkt. Die Auswertung der Patch-Clamp-Daten zeigte außerdem eine sulfatabhängige Zunahme der durch ALMT13 vermittelten R-Typ Ströme. Diese wird wahrscheinlich durch eine Änderung der Offenwahrscheinlichkeit und/oder der Permeabilität für Sulfat und möglicherweise für Chlorid verursacht, und die darauf hinweist, dass ALMT13 für frühe Antworten im sulfatvermittelten Stomaschluss bei Trockenstress eine Rolle spielt. Außerdem wurde gezeigt, dass ATP die R-Typ Ströme beeinflusst. In Arabidopsis thaliana Pflanzen wirkt ATP als negativer Regulator der Anionenkanäle vom R-Typ, nicht jedoch in Vicia faba (Hedrich R. et al., 1990). Der Mechanismus, über den ATP wirkt ist nicht eindeutig geklärt, aber es wird davon ausgegangen, dass es sich um eine direkte Inhibierung und Phosphorylierung handelt. Die Phosphorylierungsstelle und der Ort der ATP-Bindung bedürfen jedoch weiterer Untersuchungen. Die Geschichte der ALMT-Familie, wie sie in dieser Arbeit untersucht wird, wirft ein Licht auf die Komplexität des stomatalen Verschlussprozesses.

Gephyrin is a 93 kDa moonlighting protein, which is involved in the last two steps of the molybdenum cofactor (Moco) biosynthesis pathway while at the same time playing a central role in the anchoring, clustering and stabilization of glycine receptors (GlyRs) ... / Gephyrin ist ein multifunktionales 93 kDa-Protein. Dieses Protein katalysiert die letzten beiden Schritte des Biosynthesewegs des Molybdän-Cofaktors (Moco). Gleichzeitig spielt es eine zentrale Rolle bei der Verankerung, Clusterbildung und Stabilisierung sowohl von Glycinrezeptoren (GlyRs) als auch von ...

T-Zell-aktivierende Formate, wie BiTE (bispecific T-cell engagers) Antikörper und CAR T Zellen haben in den vergangen Jahren die Therapiemöglichkeiten für Tumorpatienten erweitert. Diese Therapeutika verknüpfen T-Zellen mit malignen Zellen über je ein spezifisches Oberflächenmolekül und initiieren, über eine T-Zell-vermittelte Immunantwort, die Lyse der Tumorzelle. Tumorspezifische Antigene sind jedoch selten. Häufig werden Proteine adressiert, die neben den Tumorzellen auch auf gesunden Zellen exprimiert werden. Die Folgen sind toxische Effekte abseits der Tumorzellen auf Antigen-positiven gesunden Zellen (on target/off tumor), welche nicht nur die Dosis des Therapeutikums und dessen Effektivität limitieren, sondern zu geringen bis letalen Begleiterscheinungen führen können. Der Bedarf an effektiven Therapieformen mit geringen Nebenwirkungen ist folglich immer noch sehr hoch. Diese Lücke soll durch ein neues Antikörperformat, sogenannten Hemibodies, geschlossen werden. Hemibodies sind eine neue Klasse von T-Zell-aktivierenden Antikörpern, die sich gegen eine Antigenkombination und nicht einzelne Antigene auf Tumorzellen richten. Sie bestehen aus zwei komplementären Molekülen mit je einer Antigen-bindenden Sequenz, die entweder mit der leichten (VL) oder der schweren (VH) Kette eines T-Zell-aktivierenden anti CD3 Antikörpers fusioniert ist. Nur wenn beide Hemibody-Fragmente gleichzeitig in unmittelbarer Nähe an ihr jeweiliges Antigenepitop auf der Tumorzelle binden, komplementieren die beiden Antikörperkonstrukte über das geteilte anti-CD3 und bilden einen trivalenten T Zell aktivierenden Komplex aus. Diese funktionale Einheit rekrutiert T-Zellen zur Tumorzelle und induzierte die T-Zell-vermittelte Lyse der malignen Zelle. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden geeignete Antigenkombinationen identifiziert und die erste effektive und spezifische Hemibody-basierte Immuntherapie gegen das Multiple Myelom (MM), ohne Nebenwirkungen auf Antigen-einfach-positiven gesunden Zellen, entwickelt. Basierend auf einer umfangreichen Analyse von Kandidaten-Antigenen wurden Kombinationen aus bekannten MM Zielmolekülen, wie BCMA, CD38, CD138, CD229 und SLAMF7, und für das MM unbekannte Oberflächenmolekülen, wie CHRM5 und LAX1, untersucht. Gegen die vielversprechendsten Antigene wurden Hemibodies entwickelt und produziert. Im Zusammenhang mit Analysen zur Produzierbarkeit sowie biochemischen und funktionalen Charakterisierungen, konnte aus 75 initialen Hemibody-Kombinationen drei Kombinationen mit geeigneten Eigenschaften identifiziert werden. Die Bindung von zwei Hemibody-Partnern auf der Oberfläche der MM Zelle führte zur Ausbildung eines trivalenten T-Zell-rekrutierenden Komplexes. Dieser initiierte nachfolgend über eine T-Zell-vermittelte Immunantwort die spezifische Lyse der malignen Zellen, ohne die Viabilität von Antigen-einfach-positiven gesunden Körper- oder Effektor-Zellen zu beeinflussen. Zusätzlich führte eine Hemibody-Therapie in vivo in einem NOD SCID MM-Mausmodel innerhalb von 7 Tagen zur kompletten Remission der MM Zellen. Diese Daten zeigten Hemibodies als ein neues, sehr vielversprechendes Antikörperformat für eine effektive und tumorspezifische Immuntherapie mit potentiell geringen Nebenwirkungen. / T-cell activating therapies such as BiTEs (bispecific T-cell engagers) and CAR-T-cells have broadened the treatment options for cancer patients in the past years. These therapeutics induce a T-cell mediated immune response by linking T-cells with malignant cells by a specific target on the tumor cell. Tumor-specific antigens are rare and often antigens expressed on malignant and healthy tissues are addressed. Consequently, dosage and efficacy are limited by on-target/off-tumor toxicities, which can cause severe side effects. Efficient therapies with no side effects are still needed. To overcome these limitations and fill the gap of existing cancer immunotherapies, our novel strategy, coined hemibodies, targets an aberrant antigen signature uniquely expressed on tumor cells. Hemibodies are a new class of T-cell engaging antibodies consisting of two complementing molecules. Each hemibody molecule can bind one specific target on a tumor cell using a scFv fused to either the variable heavy (VH) or light (VL) chain domain of a T-cell activating anti-CD3 antibody. When both hemibodies simultaneously bind their specific target, the VL- and the VH-domain reconstitute and form a functional anti-CD3 domain, enabling T-cell recruitment for tumor cell lysis. This way, hemibodies form a trivalent protein complex only on tumor cells for safe cancer immunotherapy. The following work presents target combinations and the first hemibody-based immunotherapy for a precise multiple myeloma (MM) treatment, without side effects, on target-single-positiv cells. Besides combinations of known and often reported MM targets like CD138, CD38, BCMA and SLAMF7, new targets including CHRM5 and LAX1 are described. Moreover, three hemibody combinations out of 75 promising target combinations were identified that displayed favorable production and purification data as well as biochemical and functional characteristics. We demonstrated that hemibodies are able to recognize and bind MM cells on their specific targets and form a functional trivalent T-cell activating complex for tumor cell lysis. In contrast to BiTE antibodies, hemibody-fragments alone and in combination had no/low effects on the viability of target-single positive cells or on T-cells in the absence of tumor cells. Only in the presence of MM cells, hemibodies recruit T-cells to the tumor site and induce tumor specific lysis. In addition, human T-lymphocytes rejected MM cells after treatment with a hemibody combination for seven days in a murine NOD SCID model. In aggregate, the data reported here identified hemibodies as a promising therapeutic protein format for effective and safe cancer immunotherapy.

Glioblastoma (GB) is the most aggressive malignant adult brain tumour with a median survival rate of only 15 months. GB tumours are characterized by necrotic and hypoxic core, which leads to nutrient deficient areas contributing to invasive, diffuseinfiltrative and angiogenic nature of these tumours. Cells exposed to nutrient deficient conditions and are known to reprogram their metabolism to produce or procure macro molecules from their environment. This makes cancer cells uniquely dependent on transcriptional regulators and a window of opportunity to target them. Sterol regulatory element binding protein 1 (SREBP1) is a transcriptional regulator of de-novo fatty acid synthesis in cells. The aim of this thesis was to investigate if SREBP1 was involved in restructuring the transcriptional regulation of genes involved in fatty acid biosynthesis upon low serum condition, in mediating interaction with other cell types in the tumour bulk such as endothelial cells, in regulating cancer stem like cells and finally to study its upstream regulation in GB. Global transcriptional analysis on GB cells exposed to low serum conditions revealed that SREBP1 regulated several fatty acid biosynthesis and phospholipid metabolic processes. PLA2G3 was identified as a novel target of SREBP1 in GB that was uniquely regulated in low serum condition. Analysis of total fatty acid and lipid species revealed that loss of SREBP1 in low serum condition changes the proportion of saturated, MUFAs and PUFAs. These changes were not specific to loss of PLA2G3 but as a result of downregulation of many genes regulated by SREBP1 in the fatty acid biosynthetic pathway. Next, treatment of HUVEC’s (endothelial cells) with condition medium from SREBP1-silenced U87 cells inhibited sprouting and tube formation capacity compared to the control condition, emphasizing the role of SREBP1 in angiogenesis and release of signalling mediators. Further, SREBP1 was shown to be important for proliferation of patient derived stem like cells and becomes indispensable for forming neurospheres in long term cultures, indicating its role in maintaining stemness. Also, inhibition of SREBP function by blocking the esterification of cholesterol using inhibitors targeting SOAT1 showed impairment in the viability of GB cells exposed to serum-depleted condition. Overall, SREBP1 plays an important role in maintaining tumour growth in nutrient deficient conditions and help in interaction with tumour microenvironment contributing to the aggressiveness of this tumour and poses itself as an attractive and unique target for GB treatment / Das Glioblastoma (GB) ist der aggressivste bösartige Gehirntumor bei Erwachsenen mit einer medianen Überlebensrate von nur 15 Monaten. GB-Tumore zeichnen sich durch einen nekrotischen und hypoxischen Kern aus, der zu nährstoffarmen Bereichen führt, die zu invasiven, diffus-infiltrierenden und angiogenen Natur dieser Tumore beitragen. Zellen, die einem Nährstoffmangel ausgesetzt sind, sind dafür bekannt, ihren Stoffwechsel umzuprogrammieren, um Makromoleküle zu produzieren oder diese aus ihrer Umgebung zu beziehen. Dies macht Krebszellen in einzigartiger Weise abhängig von Transkriptionsregulatoren und eröffnet die Möglichkeit diese gezielt anzugreifen. Das sterol regulatory element binding protein 1 (SREBP1) ist ein Transkriptionsregulator der de-novo Fettsäuresynthese in Zellen. Das Ziel dieser Arbeit war es zu erforschen, ob SREBP1 an der Umstrukturierung der Transkriptionsregulation der Gene involviert ist, die unter niedrigen Serumbedingungen an der Fettsäurebiosynthese beteiligt sind. Des Weiteren richtete sich die Arbeit darauf, ob SREBP1 die Interaktion mit anderen Zelltypen im Tumor wie den Endothelzellen vermittelt, ob es die stammzellähnlichen Krebszellen reguliert und letztlich, dessen Stromaufwärts-Regulierung in GB zu untersuchen. Eine globale Transkriptionsanalyse von GB-Zellen, die niedrigen Serumbedingungen ausgesetzt waren, ergab, dass SREBP1 mehrere Fettsäurebiosynthese- und Phospholipid-Stoffwechselprozesse reguliert. Dabei wurde PLA2G3 als ein neuartiges Ziel von SREBP1 in GB identifiziert, welches unter geringen Serumbedingungen auf einzigartige Weise reguliert wurde. Die Analyse der gesamten Fettsäure- und Lipidspezies ergab, dass der Verlust von SREBP1 unter niedrigen Serumbedingungen das Verhältnis zwischen gesättigten, MUFAs und PUFAs verändert. Diese Veränderungen waren nicht spezifisch auf den Verlust von PLA2G3 zurückzuführen, sondern eine Folge der Herunterregulierung vieler Gene, die im Fettsäurebiosyntheseweg durch SREBP1 reguliert werden. Als Nächstes zeigte die Behandlung von HUVECs (Endothelzellen) mit dem konditionierten Medium von SREBP1-stillgelegten U87 Zellen, dass die Sprieß- und Röhrenbildungsfähigkeit im Vergleich zur Kontrollbedingung gehemmt war. Dies unterstreicht die Rolle von SREBP1 bei der Angiogenese und der Freisetzung von Signalmediatoren. Außerdem wurde nachgewiesen, dass SREBP1 wichtig für die Proliferation von aus Patienten stammenden stammzellähnlichen Zellen und für die Bildung von Neurosphären in Langzeitkulturen unverzichtbar ist, was auf die Rolle von SREBP1 bei der Aufrechterhaltung der Stammzellfähigkeit hindeutet. Auch die Hemmung der SREBP Funktion durch die Blockierung der Veresterung von Cholesterin mittels SOAT1-Inhibitoren wies eine Beeinträchtigung der Lebensfähigkeit von GB-Zellen auf, die einer serumarmen Bedingung ausgesetzt waren. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass SREBP1 eine wichtige Rolle in der Aufrechterhaltung des Tumorwachstums unter nährstoffarmen Bedingungen und bei der Interaktion mit der Tumormikroumgebung spielt, die zur Aggressivität des Tumors beiträgt und sich somit als ein attraktives und einzigartiges Ziel für die Behandlung von GB darstellt.

Ubiquitylation is a protein post translational modification, in which ubiquitin is covalently attached to target protein substrates resulting in diverse cellular outcomes. Besides ubiquitin, various ubiquitin-like proteins including FAT10 exist, which are also conjugated to target proteins. The underlying modification mechanisms are conserved. In the initial step, ubiquitin or a ubiquitin-like protein is thioester-linked to a catalytic cysteine in the E1activating enzyme in an ATP-dependent manner. The respective protein modifier is then transferred to an E2 conjugating enzyme in a transthioesterification reaction. Finally, an E3 ubiquitin ligase E3 catalyzes the covalent attachment of the protein modifier to a substrate. In the case of ubiquitin, multiple ubiquitin molecules can be attached to a substrate in the form of either linear or branched polyubiquitin chains but also as single ubiquitin modifications. Depending on the nature of the ubiquitin chain, the substrates are destined to various cellular processes such as their targeted destruction by the proteasome but also non-degradative outcomes may occur. As stated above FAT10 is a ubiquitin-like protein modifier which typically targets proteins for proteasomal degradation. It consists of two ubiquitin-like domains and is mainly expressed in cells of the human immune system. The reported involvement of FAT10 modifications in cancers and other diseases has caught the attention of the scientific community as an inhibition of the FAT10ylation process may provide avenues for novel therapeutic approaches. UBA6 is the E1 activating enzyme that resides at the apex of the FAT10 proteasomal degradation pathway. UBA6 not only recognizes FAT10 but can also activate ubiquitin as efficiently as the ubiquitin specific E1 UBA1. The dual specificity of UBA6 may complicate the inhibition FAT10ylation since targeting the active site of UBA6 will also inhibit the UBA6-catalyzed ubiquitin activation. Therefore, it is important to understand the underlying principles for the dual specificity of UBA6 prior to the development of compounds interfering with FAT10ylation. In this thesis important novel insights into the structure and function of UBA6 were derived by X-ray crystallography and biochemical methods. The first crystal structure of UBA6 reveals the multidomain architecture of this enzyme in atomic detail. The enzyme is composed of a rigid core including its active and inactive adenylation domains as well as a 4 helix bundle. Overall, the molecule adopts a “Y” shape architecture with the core at the base and the first and second catalytic half domains forming one arm of the “Y” and the ubiquitin fold domain constituting the other arm. While UBA6 shares the same domain architecture as UBA1, substantial differences were revealed by the crystal structure. In particular, the first catalytic half domain undergoes a significant shift to a position more distal from the core. This rigid body movement is assumed to generate room to accommodate the second ubiquitin-like domain of FAT10. Differences are also observed in a hydrophobic platform between the core and the first catalytic half domain and the adenylation active site in the core, which together from the binding sites for ubiquitin and FAT10. Site directed mutagenesis of key residues in these areas altered the UBA6-catalyzed activation of ubiquitin and FAT10. UBA6 variants were generated with the goal of trying to block the activation of FAT10 while still maintaining that of ubiquitin activation, in order to fully explain the dual specificity of UBA6. However, none of these mutations could block the activation of FAT10, while some of these UBA6 variants blocked ubiquitin activation. Preliminary inhibition assays with a group of E1 inhibitors belonging to the adenosyl sulfamate family demonstrated potent inhibition of FAT10ylation for two compounds. The dual specificity of UBA6 hence needs to be further examined by biochemical and structural methods. In particular, the structure of a complex between UBA6 and ubiquitin or FAT10 would provide key insights for further biochemical studies, ultimately allowing the targeted inhibition of the FAT10ylation machinery. / Der Prozess der Ubiquitinierung stellt eine posttranslationale Modifikation dar, bei der das kleine Protein Ubiquitin kovalent an ein Zielprotein angehängt wird, was zu verschiedenen zellulären Effekten führt. Neben Ubiquitin existieren verschiedene ubiquitinähnliche Proteine, wie z.B. FAT10, die an Zielproteine angehängt werden können. Die der Modifikation zugrunde liegenenden Mechanismen der Proteinmodifikation sind konserviert. Im ersten Schritt wird Ubiquitin oder das ubiquitinähnliche Protein in einer ATP-abhängigen Reaktion kovalent an das katalytische Cystein des aktivierenden Enzyms (E1) gebunden. Danach wird es durch Transthioestherifizierung an ein konjugierendes Enzym (E2) übertagen und schließlich durch eine Ligase (E3) kovalent an das Substrat gehängt. Ubiquitin kann entweder einzeln oder in Form linearer oder verzweigter Ketten an ein Substrat angehängt werden, was wiederum zu verschiedenen funktionalen Konsequenzen wie dem Abbau das Proteins durch das Proteasom führen kann. Wie schon erwähnt ist FAT10 ein ubiquitinähliches Protein, das üblicherweise Zielproteine für den Abbau durch das Proteasom markiert. Es besteht aus zwei ubiquitinähnlichen Domänen und wird im Menschen hauptsächlich in Zellen des Immunsystems exprimiert. Die Beteiligung von FAT10 an der Entstehung von Krebs and anderen Krankheiten hat die Aufmerksamkeit der wissenschaftlichen Gemeinschaft erregt, da Inhibition des ‚FAT10ylation‘ Prozesses einen neuen therapeutischen Ansatz zur Behandlung dieser Krankheiten darstellen könnte. UBA6 fungiert hierbei als E1 s Enzym, das am Anfang des FAT10-abhängigen proteasomalen Abbaus steht. UBA6 aktiviert neben FAT10 auch Ubiquitin mit ähnlicher Effizienz wie das ubiquitinspezifische E1 UBA1. Diese Bispezifität von UBA6 könnte die Inhibition der FAT10ylierung erschweren, da die Inhibition der katalytischen UBA6 Aktivität gleichzeitig UBA6-abhängige Ubiquitinaktivierung behindern würde. Daher ist für die zukünfitge Entwicklung FAT10-spezifischer UBA6 Inhibitoren ein grundlegendes Verständnis der UBA6 Bispezifität unerlässlich. In dieser Dissertation wurden wichtige, neue Einsichten in die Struktur und Funktion von UBA6 durch Röntgenkristallographie und biochemische Methoden gewonnen. Die erste Kristallstruktur von UBA6 zeigt die Multidomänenarchitektur des Enzyms bei atomarer Auflösung. Das Protein besteht aus einem starren Kern, der sowohl seine aktive als auch inaktive Adenylierungsdomäne sowie ein 4-Helix Bündel enthält. Das Molekül nimmt eine an ein Y erinnnernde Form ein, in der der Kern die Basis, die erste und zweite katalytischen Halbdomänen einen Arm und die ubiquitinähnliche gefaltete Domäne den zweiten Arm darstellen. Zwar ähneln sich der Domänenaufbau von UBA6 und UBA1, jedoch zeigte die Kristallstruktur bedeutende Unterschiede zwischen den beiden auf. Speziell die erste katalytische Halbdomäne ist in UBA6 im Vergleich zu UBA1weiter vom Enzymkern entfernt. Diese ‚Bewegung‘ erlaubt wahrscheinlich die Platzierung der zweiten UBL-Domäne von FAT10. Weitere Unterschiede konnten auch in der hydrophoben Oberfläche zwischen Kern, erster katalytischer Halbdomäne und dem aktiven Zentrum für die Adenylierung im Kern beobachtet werden, die zusammen die Bindestelle für Ubiquitin und FAT10 bilden. Durch ortsgerichtete Mutagenese von Schlüsselpositionen in dieser Region kontte die UBA6-katalysierte Aktivierung von entweder Ubiquitin oder FAT10 unterbunden werden. Um die Bispezifität von UBA6 zu entschlüsseln wurden UBA6 Varianten mit dem Ziel erzeugt, die Aktivierung von FAT10 unter Aufrechterhaltung der von Ubiquitin zu blockieren. Obwohl keine dieser Mutationen die FAT10-Aktivierung unterband, verhinderten einige jedoch die Aktivierung von Ubiquitin. Vorläufige Inhibitionsexperimente mit E1-Inhibitoren aus der Adenosylsulfamat Klasse zeigten starke Inhibition der FAT10ylierung durch zwei Verbindungen. Die Bispezifität von UBA6 bedarf weiterer strukturbiologischer und biochemischer Untersuchungen. Vor allem Kristallstrukturen von UBA6 in FAT10 und Ubiquitin-gebundener Form würden wichtige Erkenntnisse für weiteregehende biochemische Untersuchungen und schließlich die gezielte Unterdrückung der FAT10ylierungsmaschinerie liefern.