Regulatory T cells (Tregs) are the masters of immune regulation controlling inflammation and tolerance, tissue repair and homeostasis. Multiple immunological diseases result from altered Treg frequencies and Treg dysfunction. We hypothesized that augmenting Treg function and numbers would prevent inflammatory disease whereas inhibiting or depleting Tregs would improve cancer immunotherapy. In the first part of this thesis, we explored whether in vivo activation and expansion of Tregs would impair acute graft-versus-host disease (aGvHD). In this inflammatory disease, Tregs are highly pathophysiological relevant and their adoptive transfer proved beneficial on disease outcome in preclinical models and clinical studies. IL-2 has been recognized as a key cytokine for Treg function. Yet, attempts in translating Treg expansion via IL-2 have remained challenging, due to IL-2s extremely broad action on other cell types including effector T cells, NK cells, eosinophils and vascular leakage syndrome, and importantly, due to poor pharmacokinetics in vivo. We addressed the latter issue using an IL-2-IgG-fusion protein (irrIgG-IL-2) with improved serum retention and demonstrated profound Treg expansion in vivo in FoxP3-luciferase reporter mice. Further, we augmented Treg numbers and function via the selective-TNF based agonists of TNFR2 (STAR2). Subsequently, we tested a next-generation TNFR2 agonist, termed NewSTAR, which proved even more effective. TNFR2 stimulation augmented Treg numbers and function and was as good as or even superior to the IL-2 strategy. Finally, in a mouse model of aGvHD we proved the clinical relevance of Treg expansion and activation with irrIgG-IL-2, STAR2 and NewSTAR. Notably, the TNFR2 stimulating constructs were outstanding as we observed not the IL-2 prototypic effects on other cell populations and no severe side effects. In the second part of this thesis, we explored Tregs in pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) and developed targeting strategies. Among several tumor entities in which Tregs impact survival, preclinical and clinical data demonstrated their negative role on PDAC. In our studies we employed the orthotopic syngeneic Panc02 model in immunocompetent mice. Based on flow cytometric analysis of the tumor microenvironment we propose TIGIT and TNFRSF members as novel therapeutic targets. Surprisingly, we found that blocking TNFR2 did not interfere with intratumoral Treg accumulation. However, we decreased the highly abundant intratumoral Tregs when we disrupted the tumor extracellular matrix. In PDAC, Treg manipulation alone did not lead to tumor regression and we propose that an additional immune boost may be necessary for efficient tumor immune surveillance and cancer clearance. This contrasts with aGvHD, in which Treg manipulation alone was sufficient to improve disease outcome. Conclusively, we demonstrated the enormous medical benefit of Treg manipulation. Our promising data obtained with our newly developed powerful tools highlight the potential to translate our findings into clinical practice to therapeutically target human Tregs in patients. With novel TNFR2 agonists (STAR2, NewSTAR) we augmented Treg numbers and function as (or even more) effectively than with IL-2, without causing adverse side effects. Importantly, exogenous in vivo Treg expansion protected mice from aGvHD. For the therapy of PDAC, we identified novel targets on Tregs, notably TIGIT and members of the TNFRSF. We demonstrated that altering the extracellular tumor matrix can efficiently disrupt the Treg abundance in tumors. These novel targeting strategies appear as attractive new treatment options and they may benefit patients suffering from inflammatory disease and cancer in the future. / Regulatorische T-Zellen (Tregs) gelten als die Meister der Immunregulation und entscheiden über Entzündungen und Immuntoleranz, Geweberegeneration und -homöostase. Eine Vielzahl von immunologischen Erkrankungen resultiert aus Veränderung der Treg-Anzahl oder ihrer Funktion. Wir stellten die Hypothese auf, dass Steigerung der Treg-Frequenz und Funktion entzündliche Erkrankungen verhindert und dass eine Treg-Depletion die Immuntherapie gegen Krebs unterstützt. Im ersten Teil dieser Studie untersuchten wir, ob eine exogene Aktivierung und Expansion von Tregs in vivo eine akute Graft-versus-Host-Reaktion (aGvHD) therapeutisch verhindern oder abschwächen kann. Für dieses Krankheitsbild sind Tregs pathologisch hochrelevant und präklinische Modelle sowie klinische Studien zeigen, dass ein adoptiver Treg-Transfer sich positiv auf das Auftreten bzw. den Verlauf des Immunsyndroms auswirkt. IL-2 ist ein Schlüsselzytokin für die Funktion der Tregs. Dennoch bleibt die klinische Entwicklung eine große Herausforderung, da IL-2 eine breite Wirkung auf weitere Zelltypen wie Effektor T Zellen, NK-Zellen, eosinophile Granulozyten und Endothelzellen hat. Dadurch können schwerwiegende Nebenwirkungen auftreten, wie zum Beispiel das gefürchtete Vascular-Leak-Syndrom oder eine Eosinophilie. Ein weiteres großes Hindernis für den klinischen Einsatz von IL-2 stellt auch die schlechte in vivo Pharmakokinetik von IL-2 dar. Diese adressierten wir durch die Fusion von IL-2 mit einem IgG (irrIgG-IL-2), wodurch die Serumretention deutlich verbessert werden konnte. Durch die Applikation von irrIgG-IL-2 konnten wir Tregs in vivo in FoxP3-Reportermäusen expandieren. IrrIgG-IL2 verbesserte auch die Funktionen und Anzahl der Tregs, ähnlich wie der selektive, TNF-basierte Agonist des TNFR2 (STAR2). Die nächste Generation von STAR2 (NewSTAR) hatte sogar noch einen größeren Effekt auf Tregs in vivo und war STAR2 überlegen. Exogene TNFR2-Stimulation zeigte vergleichbare (oder sogar bessere) Effekte auf die Tregs in vivo wie IL-2-Stimulation ohne, dass unerwünschte Nebenwirkungen zu beobachten waren. Die medizinische Relevanz dieser Treg-Agonisten zeigte sich in der in vivo Treg-Aktivierung und -Expansion mittels irrIgG-IL-2, STAR2 und NewSTAR in einem präklinischen aGvHD Modell. Herausragend war die exogene TNFR2 Stimulation, da die für IL-2 typischen Effekte auf andere Immunzellen nicht zu beobachten waren. Im zweiten Teil dieser Arbeit untersuchten wir Tregs im duktalen Adenokarzinom des Pankreas (PDAC) zur Entwicklung neuner therapeutischer Targeting-Strategien. Unter den vielen Tumorentitäten in welchen Tregs das Überleben beeinflussen, zeigen besonders die präklinischen und klinischen Daten im PDAC ihre negative Rolle. Für unsere Studien verwendeten wir das orthotope, syngene Panc02 Modell in immunkompetenten Mäusen. Mit Hilfe der Durchflusszytometrie analysierten wir das Tumormikromilieu und präsentieren TIGIT und Mitglieder der TNFRSF als neue therapeutische Targets. Eine Blockade des TNFR2 reduzierte nicht die intratumorale Akkumulation von Tregs. Jedoch gelang es durch Manipulation der extrazellulären Tumormatrix deutlich die Anzahl an Tregs im Tumor zu reduzieren. Allerdings reichte im PDAC die Treg-Manipulation allein nicht zur Tumorregression aus und wir postulieren, dass eine weitere Verstärkung der Immunantwort nötig ist, um eine Tumorregression bzw. -kontrolle zu erreichen. Zusammenfassend zeigten wir das hohe therapeutische Potenzial der Manipulation von Tregs in vivo und stellen wirkungsvolle Strategien zu ihrer Umsetzung vor. Mit neuartigen TNFR2 Agonisten (STAR2, NewSTAR) konnten wir die Funktion und Anzahl der Tregs verstärken. Der Effekt war genauso gut (oder sogar besser) wie nach IL-2 Stimulation, jedoch ohne unerwünschte Nebenwirkungen. Bemerkenswert war der therapeutische Nutzen zur Verhinderung der aGvHD nach allogener Stammzelltransplantation. Als neue therapeutische Targets im PDAC identifizierten wir TIGIT und Mitglieder der TNFRSF. Durch Veränderung der extrazellulären Tumormatrix gelang es uns die Anzahl der tumorinfiltrierenden Tregs zu reduzieren. Diese neuen Behandlungsstrategien erscheinen als höchst attraktive Therapieoptionen, welche Patienten mit Entzündungserkrankungen bzw. mit einer Krebsdiagnose in Zukunft nutzen könnten.

Interleukin 2 (IL-2) was the first cytokine applied for cancer treatment in human history. It has been approved as monotherapy for renal cell carcinoma and melanoma by the FDA and does mediate the regression of the tumors in patients. One of the possible mechanisms is that the administration of IL-2 led to T lymphocytes expansion, including CD4+ and CD8+ T cells. In addition, a recent study demonstrated that antigen-specific T cells could also be expanded through the induction of IL-2, which plays a crucial role in mediating tumor regression. However, despite the long-term and extensive use of IL-2 in the clinic, the ratio of patients who get a complete response was still low, and only about one-fifth of patients showed objective tumor regression. Therefore, the function of IL-2 in cancer treatment should continue to be optimized and investigated. A study by Franz O. Smith et al. has shown that the combination treatment of IL-2 and tumor-associated antigen vaccine has a strong trend to increased objective responses compared to patients with melanoma receiving IL-2 alone. Peptide vaccines are anti-cancer vaccines able to induce a powerful tumor antigenspecific immune response capable of eradicating the tumors. According to the type of antigens, peptide vaccines can be classified into two distinct categories: Tumor-associated antigens (TAA) vaccine and tumor-specific neoantigens (TSA) vaccine. Currently, Peptide vaccines are mainly investigated in phase I and phase II clinical trials of human cancer patients with various advanced cancers such as lung cancer, gastrointestinal tumors, and breast cancers. Vaccinia virus (VACV) is one of the safest viral vectors, which has been wildly used in cancer treatment and pathogen prevention. As an oncolytic vector, VACV can carry multiple large foreign genes, which enable the virus to introduce diagnostic and therapeutic agents without dramatically reducing the viral replication. Meanwhile, the recombinant vaccinia virus (rVACV) can be easily generated by homologous recombination. Here, we used the vaccinia virus as the therapeutic cancer vector, expressing mouse Interleukin 2 (IL-2) and tumor-associated antigens simultaneously to investigate the combined effect of anti-tumor immune response in the 4T1 mouse tumor model. As expected, the VACV driven mIL-2 expression remarkably increased both CD4+ and CD8+ populations in vivo, and the virus-expressed tumor-associated peptides successfully elicited theantigen-specific T cell response to inhibit the growth of tumors. Furthermore, the experiments with tumor-bearing animals showed that the mIL-2 plus tumor antigens expressing VACV vector gave a better anti-cancer response than the mIL-2 alone expressing vector. The combinations did significantly more inhibit tumor growth than mIL-2 treatment alone. Moreover, the results confirmed our previous unpublished data that the mIL-2 expression driven by synthetic early/late promoter in the Lister strain VACV could enhance the tumor regression in the 4T1 mouse model. / Interleukin 2 (IL-2) war das erste Zytokin in der Geschichte des Menschen, das zur Krebsbehandlung eingesetzt wurde. Es ist von der FDA als Monotherapie für Nierenzellkarzinome und Melanome zugelassen und kann bei Patienten die Rückbildung von Tumorerkrankungen fördern. Einer der möglichen Mechanismen ist, dass die Verabreichung von IL-2 zu einer T-Zell- Expansion führte. Darüber hinaus zeigte eine aktuelle Studie, dass auch antigenspezifische T- Zellen vermehrt werden können, was eine entscheidende Rolle bei der Vermittlung der Tumorregression spielt. Trotz des langjährigen und umfangreichen Einsatzes von IL-2 in der Klinik war der Anteil der Patienten, die eine komplette Antwort Zeigten, jedoch immer noch gering, und nur etwa ein Fünftel der Patienten weist eine objektive Tumorregression auf. Daher sollte die Funktion von IL-2 in der Krebsbehandlung weiter optimiert und untersucht werden. Eine Studie von Franz O. Smith et al. hat gezeigt, dass die Kombinationsbehandlung von IL-2 und tumorassoziiertem Antigenimpfstoff im Vergleich zu Melanomapatienten, die IL-2 allein erhalten, einen starken Trend zu verstärkten objektiven Reaktionen aufweist. Peptidimpfstoff ist ein Anti- Krebs-Impfstoff, der in der Lage ist, eine starke tumorantigenspezifische Immunantwort zu induzieren, die die Tumore ausrotten kann. Je nach Art der Antigene kann es in zwei verschiedene Kategorien eingeteilt werden: Impfstoff gegen tumorassoziierte Antigene (TAA) und Impfstoff gegen tumorspezifische Neoantigene (TSA). Derzeit werden Peptidimpfstoffe hauptsächlich in klinischen Studien in Phasen I und II an Patienten mit verschiedenen fortgeschrittenen Krebsarten wie Lungenkrebs, Magen-Darm-Tumoren und Brustkrebs untersucht ...

This thesis aimed the development of a correlated device which combines FluidFM® with Fluorescence Microscopy (FL) (FL-FluidFM®) and enables the simultaneous quantification of adhesion forces and fluorescent visualization of mature cells. The implementation of a PIFOC was crucial to achieve a high-resolution as well as a stable but dynamic focus level. The functionality of SCFS after hardware modification was verified by comparing two force-curves, both showing the typical force progression and measured with the optimized and conventional hardware, respectively. Then, the integration of FL was examined by detaching fluorescently labeled REF52 cells. The fluorescence illumination of the cytoskeleton showed the expected characteristic force profile and no evidence of interference effects. Afterwards a corresponding correlative data analysis was addressed including manual force step fitting, the identification of visualized cellular unbinding, and a time-dependent correlation. This procedure revealed a link between the area of cytoskeletal unbinding and force-jumps. This was followed by a comparison of the detachment characteristics of intercellular connected HUVECs and individual REF52 cells. HUVECs showed maximum detachment forces in the same order of magnitude as the ones of single REF52 cells. This contrasted with the expected strong cohesiveness of endothelial cells and indicated a lack of cell-cell contact formation. The latter was confirmed by a comparison of HUVECs, primary HBMVECs, and immortalized EA.hy926 cells fluorescently labeled for two marker proteins of intercellular junctions. This unveiled that both the previous cultivation duration and the cell type have a major impact on the development of intercellular junctions. In summary, the correlative FL FluidFM® represents a powerful novel approach, which enables a truly contemporaneous performance and, thus, has the potential to reveal new insights into the mechanobiological properties of cell adhesion. / Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines korrelierten Gerätes, das FluidFM® mit Fluoreszenzmikroskopie (FL) kombiniert (FL-FluidFM®) und die gleichzeitige Quantifizierung von Adhäsionskräften und Fluoreszenzvisualisierung ausgereifter Zellen ermöglicht. Die Implementierung eines PIFOC war entscheidend, um eine hohe Auflösung sowie ein stabiles, aber dynamisches Fokusniveau zu erreichen. Die Funktionalität der SCFS nach der Hardwaremodifikation wurde durch den Vergleich zweier Kraftkurven verifiziert, die beide den typischen Kraftverlauf zeigten und jeweils mit der optimierten bzw. konventionellen Hardware gemessen wurden. Anschließend wurde die Integration von FL durch das Ablösen fluoreszenzmarkierter REF52-Zellen untersucht. Unter Fluoreszenzbeleuchtung des Zytoskeletts zeigte sich das erwartete charakteristische Kraftprofil und kein Hinweis auf Störeffekte. Anschließend wurde eine entsprechende korrelative Datenanalyse durchgeführt, die eine manuelle Kraftstufenanpassung, die Identifizierung der visualisierten zellulären Ablösung und eine zeitabhängige Korrelation umfasste. Dieses Verfahren ergab einen Zusammenhang zwischen dem Bereich der Zytoskelett-Ablösung und den Kraftsprüngen. Es folgte ein Vergleich der Ablösungseigenschaften von interzellulär verbundenen HUVECs und einzelnen REF52-Zellen. HUVECs zeigten maximale Ablösekräfte in der gleichen Größenordnung wie die von einzelnen REF52-Zellen. Dies stand im Gegensatz zu der erwarteten starken Kohäsion von Endothelzellen und deutete auf eine fehlende Zell-Zell-Kontaktbildung hin. Letzteres wurde durch einen Vergleich von HUVECs, primären HBMVECs und immortalisierten EA.hy926-Zellen bestätigt, die für zwei Markerproteine für interzelluläre Verbindungen fluoreszierend markiert wurden. Dabei zeigte sich, dass sowohl die vorherige Kultivierungsdauer als auch der Zelltyp einen großen Einfluss auf die Entwicklung von interzellulären Verbindungen haben. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das korrelative FL-FluidFM® einen leistungsstarken neuen Ansatz darstellt, der eine korrelative Durchführung ermöglicht und somit das Potenzial hat, neue Erkenntnisse über die mechanobiologischen Eigenschaften der Zelladhäsion zu liefern

Living beings evolved in an environment with cyclic changing conditions where a variety of factors such as light, temperature, or food availability oscillate in a daily 24-h rhythm. Endogenous circadian clocks in addition to controlling daily rhythms, are also thought to serve as an internal reference for measuring day length. This allows animals to adapt to seasonal changes through photoperiodic responses. While these responses are well-documented in insects, the underlying timing mechanisms for day-length discrimination remain incompletely understood. This thesis aimed at the characterization of the circadian clock of a strongly photoperiodic insect, the pea aphid Acyrthosiphon pisum, that allowed us to find putative neuronal connection between the circadian clock and the photoperiodic system of this insect. In the first chapter, we characterized the neuronal organization of aphid clock clusters using antibodies against the clock proteins Period and Cryptochrome. These clusters were found in the dorsal and lateral protocerebrum, and in the lamina and exhibited daily oscillations. Notably, the clusters expressing Cryptochrome showed light-dependent oscillations, indicating their potential role as clock photoreceptors. These Cryptochrome-positive clusters projected towards the pars intercerebralis, a region crucial for photoperiodism in aphids. In the second chapter, we focused on the Pigment-dispersing factor (PDF), the most important clock neuropeptide in insects. We discovered significant changes in the, otherwise highly conserved, insect C-terminal amino acid sequence of the newly identified pdf gene. PDF was identified in the lateral clock neurons, and their terminals in the dorsal protocerebrum close to the insulin-producing cells located in the pars intercerebralis. These terminals showed daily and seasonal variations, suggesting PDF’s involvement in regulating neurohormone release. To further explore the neuroanatomy of the aphid circadian clock and identify clock-related neuropeptides, we conducted transcriptomic analysis, mass spectrometry, and fluorescent immunohistochemistry. We found that the lateral clock neurons expressed various neuropeptides (in particular Allatotropin, FMRFamide, Orcokinin-A and PDF), similar to those in cockroaches involved in light input pathways. The dorsal clock neurons also exhibit neuropeptide immunoreactivity (precisely of Allatostatin A, Diuretic Hormone31, FMRFamide and Myoinhibitory Peptide), supporting their involvement in modulating circadian and seasonal neurohormonal rhythms. Finally, in the fourth chapter, we provide an overview of the putative mechanisms of photoperiodic control in aphids, from the photoreceptors involved in this process to the circadian clock and the neuroendocrine system. / Organismen haben sich in einer Umwelt mit zyklisch wechselnden Umweltbedingungen entwickelt, in der eine Vielzahl von Faktoren wie Licht, Temperatur oder Nahrungsver fügbarkeit in einem 24-Stunden-Rhythmus schwanken. Es wird angenommen, dass endogene, zirkadiane Uhren nicht nur die Tagesrhythmen steuern, sondern auch als eine interne Referenz für die Messung der Tages länge dienen. Durch photoperiodische Anderungen des Verhaltens, des Stoffwechsels , etc. ermöglicht dies den Tieren, sich an saisonale Veränderungen anzupassen. Während diese Reaktionen bei Insekten gut dokumentiert sind, sind die zugrundeliegenden zeitlichen Mechanismen für die Unterscheidung der Tages längen noch nicht vollst ändig geklärt. Ziel dieser Arbeit war die Charakterisierung der zirkadiane Uhr eines stark photoperiodischen Insekts, der Erbsenblattlaus Acyrthosiphon pisum um eine mögliche neuronale Verbindung zwischen der zirkadianen Uhr und dem photoperiodischen System zu finden. Im ersten Kapitel wurden Antik¨orper gegen die Uhrenproteine Period und Cryptochrom verwendet, um die Organisation der verschiedenen Gruppen der Uhrneurone in der Blattlaus zu charakterisieren. Diese Cluster befanden sich sowohl im dorsalen und lateralen Protocerebrum als auch in der Lamina und zeigten tägliche Oszillationen in den untersuchten Proteinen der zirkadianen Uhr. Insbesondere die Cryptochrom-positiven Gruppen zeigten lichtabhängige Oszillationen, was auf ihre potenzielle Rolle als Photorezeptoren für die Uhr hinweist. Diese Cryptochrom-positiven Cluster projizierten in Richtung der Pars intercerebralis, einer für den Photoperiodismus der Blattl¨ause entscheidenden Region. Das zweite Kapitel fokussiert sich auf das wichtigste Neuropeptid der Inneren Uhr in Insekten, Pigment-Dispersing Factor (PDF). Das PDF der Blattläuse weißt bedeutende Veränderungen in der C-terminalen Aminosäuresequenz auf, welche in Insekten ansonsten hoch konserviert ist. PDF wurde in lateralen Uhrenneuronen und ihren Terminalen im dorsalen Protocerebrum in der Nähe von Insulin produzierenden Zellen in der Pars intercerebralis gefunden. Diese Terminalen zeigten tages und jahreszeitliche Fluktuationen, was auf eine Beteiligung von PDF an der Regulierung der Freisetzung von Neurohormonenhindeutet. Zur weiteren Erforschung der Neuroanatomie der zirkadianen Uhr der Blattlaus und zur Identifizierung von Neuropeptiden, die mit der Uhr in Verbindung stehen, wurden Transkriptomanalysen, Massenspektrometrie und Fluoreszenz-Immunhistochemie durch geführt. Dabei wurde deutlich, dass Lateral Uhrneurone mehrere Neuropeptide exprimieren (insbesondere Allatotropin, FMRFamid, Orcokinin-A und PDF), welche denen der Schabenähneln, vi und am Lichteingang der Inneren Uhr beteiligt sind. Dorsale Uhrenneuronen weisen ebenfalls eine Immunreaktivität für Neuropeptide auf (insbesondere Allatostatin A, Diuretisches Hormon31, FMRFamid und Myoinhibitorisches Peptid), was ihre Beteiligung an der Modulation zirkadianer und saisonaler neurohormoneller Rhythmen belegt. Das vierte Kapitel befasst sich schließlich mit den möglichen Mechanismen der photoperiodischen Steuerung bei Blattläusen. Es beginnt mit den beteiligten Photorezeptoren und endend mit der zirkadianen Uhr und dem neuroendokrinen System.

The discovery of UBA6 in 2007 has challenged the ubiquitin field, as for a long time, the ubiquitin-activating enzyme 1 (UBA1) was thought to be the sole E1 responsible for the activation of ubiquitin. UBA6 shares 40% sequence identity with UBA1 in humans. However, UBA6 is present only in mammals, zebrafish, and sea urchins. UBA6 and UBA1 use a different spectrum of E2 enzymes and direct ubiquitin to different subsets of E3 enzymes and consequently substrates. Since UBA1 initiates 99% of the ubiquitylation events, UBA6 is presumably responsible for a subset of substrates. Moreover, UBA6 is an unusual E1 enzyme as it activates both ubiquitin and FAT10. FAT10 is a ubiquitin-like modifier and consists of two ubiquitin-like domains arranged in tandem. FAT10 is present in vertebrates only, and its expression is synergistically induced by the pro-inflammatory cytokines interferon γ (INFγ) and tumor necrosis factor α (TNFα). Furthermore, FAT10 is the only ubiquitin-like modifier besides ubiquitin, which can directly target proteins for proteasomal degradation. The involvement of UBA6-mediated ubiquitylation and FATylation in a broad spectrum of cellular pathways and diseases, along with the ongoing preclinical development of E1 inhibitors such as MNL4924 (Pevonedistat) and MLN7243 (TAK-243), has spurred increased research efforts to develop additional E1 inhibitors. UBA6, with its more limited role in catalyzing ubiquitin activation and being the sole E1 for FAT10, is considered to be a possible drug target. However, to reach this goal, the dual specificity of UBA6 needs to be understood first. Inhibition of UBA6-mediated FATylation while not affecting ubiquitylation or vice versa will not only provide a possibility to further investigate the roles that UBA6 plays in downstream pathways, but also open a window for targeting either the ubiquitylation or FATylation of UBA6 with specific inhibitors. In this thesis, the crystal structure of UBA6 in complex with FAT10 will be described. In the UBA6-FAT10 complex, the C-terminal domain of FAT10 interacts with UBA6 in a similar manner as ubiquitin with UBA1, while its N-terminal domain binds to the 3-helix bundle inserted into the inactive adenylation domain of UBA6. The structure was corroborated by functional studies, which, surprisingly, identified UBA6 residues specifically abrogating the activation of either ubiquitin or FAT10. These results provide the foundation to study the individual roles that UBA6 is playing in the activation of either ubiquitin or FAT10 in downstream cellular pathways. In addition, a high-throughput screening (HTS) assay for the identification of compounds inhibiting UBA6 was established, which provides the starting point to identify small molecules exclusively inhibiting the UBA6-activated ubiquitylation or FATylation. Lastly, FATylation shares a common UBA6-USE1 cascade with UBA6-activated ubiquitylation, and several studies demonstrated that the cooperation between UBA6 and USE1 is functionally crucial in different pathways. Given that USE1 is currently one of the main dedicated E2 enzymes for UBA6, the underlying mechanism regarding the transfer is unclear yet. To visualize the transthioesterification between UBA6 and USE1, a cross-linking strategy was applied to form the binary UBA6-USE1 complex. Besides, to improve the yield and homogeneity of the complex samples, a non-catalytical cysteine variant of USE1 (3M_USE1) was generated, thus representing promising starting point samples that can be used for cryo-EM screening and x-ray crystallography. Ultimately, visualizing the catalytic transfer of ubiquitin/FAT10 from UBA6 to USE1 would provide insights into the molecular basis of UBA6-USE1 pathway mediated ubiquitylation and FATylation. / Die Entdeckung von UBA6 im Jahr 2007 hat die Ubiquitinforschung in Frage gestellt, da man lange Zeit davon ausging, dass das Ubiquitin-aktivierende Enzym 1 (UBA1) das einzige E1 ist, das für die Aktivierung von Ubiquitin verantwortlich ist. UBA6 weist eine 40%ige Sequenzidentität mit UBA1 beim Menschen auf. Allerdings kommt UBA6 nur bei Säugetieren, Zebrafischen und Seeigeln vor. UBA6 und UBA1 verwenden ein unterschiedliches Spektrum von E2-Enzymen und leiten Ubiquitin an unterschiedliche Untergruppen von E3-Enzymen und somit Substrate weiter. Da UBA1 99 % der Ubiquitylierungsvorgänge initiiert, ist UBA6 vermutlich für eine Untergruppe von Substraten verantwortlich. Außerdem ist UBA6 ein ungewöhnliches E1-Enzym, da es sowohl Ubiquitin als auch FAT10 aktiviert. FAT10 ist ein Ubiquitin-ähnlicher Modifikator und besteht aus zwei tandemartig angeordneten Ubiquitin-ähnlichen Domänen. FAT10 kommt nur in Wirbeltieren vor, und seine Expression wird durch die pro-inflammatorischen Zytokine Interferon γ (INFγ) und Tumor-Nekrose-Faktor α (TNFα) synergistisch induziert. Außerdem ist FAT10 neben Ubiquitin der einzige ubiquitinähnliche Modifikator, der Proteine direkt für den proteasomalen Abbau ansteuern kann. Die Beteiligung von UBA6-vermittelter Ubiquitylierung und FATylierung an einem breiten Spektrum von zellulären Stoffwechselwegen und Krankheiten sowie die laufende präklinische Entwicklung von E1-Inhibitoren wie MNL4924 (Pevonedistat) und MLN7243 (TAK-243) haben zu verstärkten Forschungsanstrengungen zur Entwicklung weiterer E1-Inhibitoren geführt. UBA6, das bei der Katalyse der Ubiquitin-Aktivierung eine geringere Rolle spielt und das einzige E1 für FAT10 ist, gilt als mögliches Ziel für Medikamente. Um dieses Ziel zu erreichen, muss jedoch zunächst die duale Spezifität von UBA6 verstanden werden. Die Hemmung der UBA6-vermittelten FATylierung, ohne die Ubiquitylierung zu beeinträchtigen, oder umgekehrt, wird nicht nur die Möglichkeit bieten, die Rolle von UBA6 in nachgeschalteten Stoffwechselwegen weiter zu untersuchen, sondern auch ein Fenster öffnen, um entweder die Ubiquitylierung oder die FATylierung von UBA6 mit spezifischen Inhibitoren anzugehen. In dieser Arbeit wird die Kristallstruktur von UBA6 im Komplex mit FAT10 beschrieben. Im UBA6-FAT10-Komplex interagiert die C-terminale Domäne von FAT10 mit UBA6 auf ähnliche Weise wie Ubiquitin mit UBA1, während seine N-terminale Domäne an das 3-Helix-Bündel bindet, das in die inaktive Adenylierungsdomäne von UBA6 eingefügt ist. Die Struktur wurde durch funktionelle Studien bestätigt, die überraschenderweise UBA6-Reste identifizierten, die spezifisch die Aktivierung von Ubiquitin oder FAT10 aufheben. Diese Ergebnisse bilden die Grundlage für die Untersuchung der einzelnen Rollen, die UBA6 bei der Aktivierung von Ubiquitin oder FAT10 in nachgeschalteten zellulären Pfaden spielt. Darüber hinaus wurde ein Hochdurchsatz-Screening-Assay (HTS) zur Identifizierung von Verbindungen, die UBA6 hemmen, entwickelt, der den Ausgangspunkt für die Identifizierung kleiner Moleküle bildet, die ausschließlich die durch UBA6 aktivierte Ubiquitin- oder FATylierung hemmen. Schließlich ist die FATylierung eine gemeinsame UBA6-USE1-Kaskade mit der UBA6-aktivierten Ubiquitylierung, und mehrere Studien gezeigt, dass die Zusammenarbeit zwischen UBA6 und USE1 in verschiedenen Signalwegen funktionell entscheidend ist. Da USE1 derzeit eines der wichtigsten E2-Enzyme für UBA6 ist, ist der zugrundeliegende Mechanismus des Transfers noch unklar. Um die Umesterung zwischen UBA6 und USE1 sichtbar zu machen, wurde eine Vernetzungsstrategie angewendet, um den binären UBA6-USE1-Komplex zu bilden. Um die Ausbeute und Homogenität der Komplexproben zu verbessern, wurde außerdem eine nicht-katalytische Cystein-Variante von USE1 (3M_USE1) erzeugt, die vielversprechende Ausgangsproben für das Kryo-EM-Screening und die Röntgenkristallographie darstellt. Letztendlich würde die Visualisierung des katalytischen Transfers von Ubiquitin/FAT10 von UBA6 auf USE1 Einblicke in die molekularen Grundlagen des UBA6-USE1-Wegs vermittelnder Ubiquitinylierung und FATylierung liefern.

The essential open reading frame YNL152w (now called INN1) of Saccharomyces cerevisiae was previously identified in a screen for negative regulators of cell integrity signaling. Subsequent studies and data from genome-wide functional analyses suggested, that the encoded protein plays a role in cell division. This was further addressed in the thesis presented here. Functional Inn1-GFP fusions were shown to co-localize with the contractile actomyosin ring component Myo1 during cytokinesis. Mutants depleted for Inn1 failed to form a primary septum, but did not affect the dynamics of the cytokinetic actin ring (CAR). This has been attributed to the inability to couple plasma membrane ingression (hence Inn1) to CAR constriction, a phenomenon also found by Sanchez-Diaz et al. (2008). Further investigations focused on the question of how Inn1 is recruited to the bud neck and identified the cytokinetic regulators Hof1 and Cyk3, which act in concert for this purpose. Each of them contains a SH3 domain, which interacts with the proline-rich carboxy-terminal part of Inn1. Localization studies and genetic analyses indicate that Inn1 acts downstream of Hof1 and Cyk3. Either the simultaneous repression of HOF1 and CYK3 gene expression or the deletion of their SH3 domains was lethal, with a concomitant failure to localize Inn1-GFP to the division site. Overproduction of either, Hof1 or Cyk3 perturbed the dynamics of Inn1-GFP distribution, which followed that of the overproduced proteins. This atypical CAR-independent localization of Inn1 supports a presumed role of Hof1 and Cyk3 in an alternative cytokinesis pathway to form a primary septum. Since INN1 is also a multicopy suppressor of a myo1 deletion, this further supports the notion that Inn1 may be required for plasma membrane ingression, also in CAR-independent cytokinesis. Preliminary data suggest, that the protein Vrp1 is responsible for the required removal of Inn1 from the bud neck after completion of cytokinesis. The essential amino-terminal C2 domain of Inn1 may mediate plasma membrane ingression by interaction with the membrane lipid phosphatidic acid, observed in biochemical studies. Alternatively, the C2 domain has been suggested to modulate chitin synthesis in the primary septum by modulating Chs2 activity (Nishihama et al., 2009).

Summary Platelet activation and aggregation at sites of vascular injury is critical to prevent excessive blood loss, but may also lead to life-threatening ischemic disease states, such as myocardial infarction and stroke. Glycoprotein (GP) VI and C type lectin-like receptor 2 (CLEC-2) are essential platelet activating receptors in hemostasis and thrombo-inflammatory disease which signal through a (hem)immunoreceptor tyrosine-based activation motif (ITAM)-dependent pathway. The adapter molecules Src-like adapter protein (SLAP) and SLAP2 are involved in the regulation of immune cell receptor surface expression and signaling, but their function in platelets is unknown. As revealed in this thesis, single deficiency of SLAP or SLAP2 in mice had only moderate effects on platelet function, while SLAP/SLAP2 double deficiency resulted in markedly increased signal transduction, integrin activation, granule release, aggregation, procoagulant activity and thrombin generation following (hem)ITAM-coupled, but not G protein-coupled receptor activation. Slap-/-/Slap2-/- mice displayed accelerated occlusive arterial thrombus formation and a dramatically worsened outcome after focal cerebral ischemia. These results establish SLAP and SLAP2 as critical inhibitors of platelet (hem)ITAM signaling in the setting of arterial thrombosis and ischemic stroke. GPVI has emerged as a promising novel pharmacological target for treatment of thrombotic and inflammatory disease states, but the exact mechanisms of its immunodepletion in vivo are incompletely understood. It was hypothesized that SLAP and SLAP2 may be involved in the control of GPVI down-regulation because of their role in the internalization of immune cell receptors. As demonstrated in the second part of the thesis, SLAP and SLAP2 were dispensable for antibody-induced GPVI down-regulation, but anti-GPVI treatment resulted in prolonged strong thrombocytopenia in Slap-/-/Slap2-/- mice. The profound thrombocytopenia likely resulted from the powerful platelet activation which the anti-GPVI antibody induced in Slap-/-/Slap2-/- platelets, but importantly, not in wild-type platelets. These data indicate that the expression and activation state of key modulators of the GPVI signaling cascade may have important implications for the safety profile and efficacy of anti-GPVI agents. Small GTPases of the Rho family, such as RhoA and Cdc42, are critically involved in the regulation of cytoskeletal rearrangements during platelet activation, but little is known about the specific roles and functional redundancy of both proteins in platelet biogenesis. As shown in the final part of the thesis, combined deficiency of RhoA and Cdc42 led to marked alterations in megakaryocyte morphology and the generation of platelets of heterogeneous size and granule content. Despite severe hemostatic defects and profound thrombo¬cytopenia, circulating RhoA-/-/Cdc42-/- platelets were still capable of granule secretion and the formation of occlusive thrombi. These results implicate the existence of both distinct and overlapping roles of RhoA and Cdc42 in platelet production and function. / Zusammenfassung Die Aktivierung und Aggregation von Thrombozyten nach einer Gefäßverletzung ist entscheidend, um einen starken Blutverlust zu vermeiden. Diese Prozesse können aber auch zu lebensbedrohlichen ischämischen Erkrankungen führen, wie beispielsweise Myokardinfarkt und Schlaganfall. Die aktivatorischen Thrombozytenrezeptoren Glykoprotein (GP) VI und C type lectin-like receptor 2 (CLEC-2) spielen eine wichtige Rolle im Prozess der Hämostase und Thrombo-Inflammation. Die Aktivierung beider Rezeptoren leitet eine (hem)immunoreceptor tyrosine-based activation motif (ITAM)-abhängige Signalkaskade ein. Die Adapterproteine Src-like adapter protein (SLAP) und SLAP2 sind an der Regulation der Oberflächenexpression von Immunzellrezeptoren und der Steuerung nachgeschalteter Signalwege beteiligt, aber ihre Funktion in Thrombozyten ist unbekannt. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die Einzeldefizienz von SLAP oder SLAP2 in Mäusen einen milden Effekt auf die Thrombozytenfunktion hatte. Hingegen führte das Fehlen beider Proteine zu deutlich verstärkter Signaltransduktion, Integrinaktivierung, Freisetzung von Granula, Aggregation, prokoagulatorischer Aktivität und Thrombingenerierung nach (hem)ITAM-abhängiger, aber nicht G Protein-gekoppelter Rezeptoraktivierung. Die SLAP/SLAP2-Doppeldefizienz ging mit beschleunigter Bildung okklusiver arterieller Thromben und dramatisch verschlechtertem Zustand nach fokaler zerebraler Ischämie einher. Diese Ergebnisse etablieren SLAP und SLAP2 als essentielle Inhibitoren des (hem)ITAM-Signalwegs in arterieller Thrombose und im ischämischen Schlaganfall. GPVI wird zunehmend als vielversprechender neuer pharmakologischer Angriffspunkt für die Behandlung von thrombotischen und entzündlichen Erkrankungen betrachtet. Die genauen Mechanismen der Herabregulierung von GPVI nach Antikörper-Gabe in vivo sind jedoch unvollständig aufgeklärt. Im Hinblick auf die Rolle von SLAP und SLAP2 in der Internalisierung von Immunzellrezeptoren wurde die Hypothese aufgestellt, dass beide Adapterproteine entscheidend an der Herabregulierung von GPVI beteiligt sein könnten. Im zweiten Teil dieser Dissertation wurde aber gezeigt, dass SLAP und SLAP2 nicht erforderlich sind für die Depletion von GPVI. Dagegen ging die Antikörper-induzierte Herabregulierung von GPVI mit lang anhaltender starker Thrombozytopenie in Slap-/-/Slap2-/- Mäusen einher. Der anti-GPVI-Antikörper induzierte eine starke Aktivierung von Slap-/-/Slap2-/- Thrombo¬zyten, nicht aber von Wildtypthrombozyten, was eine mögliche Erklärung für die schwere Thrombozytopenie lieferte. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Expression und der Aktivierungszustand von Molekülen, die die Feinregulierung der GPVI-Signalkaskade steuern, wichtige Auswirkungen auf das Sicherheitsprofil und die Wirksamkeit von an GPVI angreifenden Substanzen haben könnten. Kleine GTPasen der Rho-Proteinfamilie, wie z.B. RhoA und Cdc42, sind maßgeblich an der Regulation von Umstrukturierungen des Zytoskeletts während der Aktivierung von Thrombozyten beteiligt. Dennoch ist wenig über spezifische und überlappende Funktionen von RhoA und Cdc42 während der Thrombozyten-Biogenese bekannt. Der letzte Teil der Arbeit befasste sich mit den Auswirkungen einer Doppeldefizienz von RhoA und Cdc42 in Megakaryozyten. Das Fehlen beider Proteine führte zu einer dramatisch veränderten Megakaryozyten¬morphologie und zur Produktion von Thrombozyten heterogener Größe und Granulainhaltes. Trotz markanter Thrombozytopenie und stark beeinträchtigter Hämostase in den RhoA-/-/Cdc42-/- Mäusen waren zirkulierende Thrombozyten in der Lage, ihre Granula freizusetzen, und die Bildung okklusiver Thromben war weitestgehend unverändert. Diese Ergebnisse implizieren, dass RhoA und Cdc42 sowohl unterschiedliche als auch überlappende Rollen in der Produktion und Funktion von Thrombozyten spielen.

Die Histidin-Kinase BvgS des BvgAS-Zwei-Komponentensystems gehört zu den unorthodoxen Histidin-Kinasen, die im Gegensatz zu den klassischen Sensorkinasen durch eine komplexere Domänen-Struktur gekennzeichnet ist. Schon seit längerem ist bekannt, dass BvgS durch niedrige Temperaturen oder die Anwesenheit von chemischen Substanzen, wie Sulfationen oder Nikotinsäure inaktiviert wird. Zudem konnte in vitro gezeigt werden, dass die Autophosphorylierungs-Aktivität der BvgS Histidin-Kinase nach Inkubation mit oxidiertem Ubichinon inhibiert wird (Bock & Gross, 2002). Bislang ist weitgehend unklar, welche Bedeutung die zusätzlichen Domänen, wie die periplasmatische-, PAS- bzw. HPt-Domäne für die Signalwahrnehmung besitzen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde deshalb nach Erstellung einer B. bronchiseptica spezifischen Genbank mit Hilfe des GAL4-Yeast Two-Hybrid (YTH) Systems nach Interaktionspartnern der einzelnen BvgS-Domänen gesucht. Nach dem Ausschluss von falsch-positiven Klonen und dem Durchlauf entsprechender Kontrollen konnten im YTH-System für die periplasmatische und die PAS-Domäne von BvgS insgesamt vier Interaktionspartner identifiziert werden. Für die HPt-Domäne konnte mit Hilfe des YTH-Systems kein möglicher Interaktionspartner gefunden werden. Als ein putativer Interaktionspartner der BvgS-PAS-Domäne wurde das BB0602-Protein identifiziert, das ein ATP-Bindeprotein darstellt, welches als Bestandteil eines ABC-Transport-System für den Transport von verzweigten Aminosäuren verantwortlich gemacht wird. Diese Interaktion konnte mittels eines GST-Pulldownassays bestätigt werden. Der biochemische Nachweis der übrigen identifizierten Protein-Interaktionen konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht erbracht werden. Die Ergebnisse des YTH-Screenings deuten darauf hin, dass die Aktivität der BvgS Histidin-Kinase und damit die Virulenzgenexpression durch die An- bzw. Abwesenheit von verzweigten Aminosäuren beeinflusst werden könnte. Im Rahmen dieser Arbeit konnte die Relevanz der Interaktion zwischen der PAS-Domäne und dem ATP-Bindeprotein BB0602 nicht näher charakterisiert werden, so dass in Zukunft unter anderem die Konstruktion einer B. bronschiseptica bb0602-Deletionsmutante geplant ist, um somit mögliche Auswirkungen auf die Expression von bvg-abhängigen Genen zu beobachten. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit lag in der Struktur-Funktionsanalyse des Response Regulators BvgA aus B. holmesii (BvgABH). Kürzlich konnte gezeigt werden, dass trotz der umfangreichen Sequenzkonservierung der BvgA-Proteine aus B. holmesii und B. pertussis, eine B. pertussis bvgA-Mutante nicht durch den bvgA-Lokus aus B. holmesii komplementiert werden konnte (Gerlach et al., 2004). Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein hybrider Response Regulator BvgAfus konstruiert, der aus der Receiver- und Linker-Domäne des BvgABH-Proteins und der Output-Domäne von BvgABP zusammengesetzt ist. Voraussetzung hierfür war die Kenntnis der einzelnen Domänengrenzen und die Sequenz des Linker-Bereiches des Response Regulators BvgA aus B. pertussis (BvgABP), welche durch limitierte Proteolyse und massenspektrometrische Methoden identifiziert wurden (Bantscheff et al., 2000). Im Falle des hybriden Proteins konnte im Gegensatz zu BvgABH eine Bindung an BvgABP-abhängige Promotorsequenzen beobachtet werden. Zudem war BvgAfus in der Lage, die Expression BvgABP-abhängiger Gene in vivo zu induzieren. Allerdings war es in seiner Phosphorylierungseffizienz im Vergleich zum wildtypischen Response Regulator-Protein aus B. holmesii eingeschränkt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die wenigen Abweichungen zwischen den Aminosäuresequenzen der Output-Domänen dafür verantwortlich sind, dass das BvgABH-Protein die Funktion von BvgABP in vivo und in vitro nicht übernehmen kann. So unterscheiden sich die Output-Domänen der Response Regulatoren aus B. pertussis und B. holmesii in zehn Aminosäureaustauschen, wobei davon vier Aminosäuren innerhalb des Helix-Turn-Helix-Motives verändert sind. Um zu untersuchen, ob die unterschiedlichen DNA-Binde- und transkriptionsaktivierenden Eigenschaften von BvgABH im Besonderen auf diese Aminosäureunterschiede zurückzuführen sind, wurden mittels ortspezifischer Mutagenese die Aminosäuresequenz innerhalb des Helix-Turn-Helix-Motives an die Sequenz aus B. pertussis angeglichen. Das resultierende Protein BvgABH* zeigte eine dem wildtypischen BvgABH-Protein ähnliche Phosphorylierungseffizienz, war aber nicht in der Lage, BvgABP-abhängige Zielsequenzen spezifisch zu erkennen bzw. die Funktion des BvgABP-Proteins in vivo zu ersetzen. Dieses Ergebnis lässt vermuten, dass die wenigen Aminosäureunterschiede der Output-Domäne außerhalb der DNA-Binderegion zwar nicht im Zusammenhang mit der Phosphorylierungseffizienz stehen, jedoch die DNA-Bindeeigenschaften beeinflussen. / The BvgS protein of the BvgAS two-component system belongs to the family of unorthodox histidine-kinases, which are characterized by a more complex domain-structure compared to the classical sensor proteins. Since a long time it is known that the activity of BvgS can be modulated by several external stimuli. At low temperature or in the presence of nicotinic acid or sulfate, the protein is inactivated in vivo and therefore the respective system is switched off under these conditions. Moreover, it has been shown that the incubation of BvgS with oxidized ubichinone had an inhibitory effect on the autophosphorylation activity of the kinase (Bock & Gross, 2002). So far, the relevance for the signal perception of the additional BvgS-domains, like the periplasmic, the PAS- or the HPt-domain is still unclear. Therefore in this work a self-constructed Bordetella bronchiseptica specific gene bank was screened with the periplasmic, the PAS- and the HPt-Domain of BvgS for protein-interactions in the GAL4-yeast two-hybrid (YTH) system. All together four putative protein-interactions were found in the case of the periplasmic and the PAS domain after exclusion of false-positive clones and after going through corresponding controls, while on the other hand no protein interaction could be detected for the HPt domain. Among the detected putative protein interactions of the PAS domain the protein BB0602 was identified as an ATP binding protein of an ABC transport system for branched chain amino acids. This interaction could also be verified by GST-pull down assay. The biochemical proof for the other protein interactions still remains to be done. The results of the YTH screening indicate that the activity of BvgS and therefore the virulence gene expression might be influenced by the presence or absence of branched chain amino acids. Among others characterization of a B. bronchiseptica bb0602 deletion mutant with respect to the possible effect on the expression of bvg-dependent genes will further elucidate the relevance of the detected protein interaction between the BvgS-PAS domain and the BB0602 protein. Another aim of this work was the structural and functional characterization of the response regulator BvgA of B. holmesii (BvgABH). Recently, it was shown that despite extensive sequence conservation between the response regulator BvgA of B. holmesii and BvgA of B. pertussis (BvgABP), the BvgABH protein is not able to replace the function of the BvgABP protein in vitro and in vivo (Gerlach et al., 2004). Therefore in this work a hybrid response regulator protein BvgAfus was constructed, which contains the receiver and the linker domain of BvgABH and the output domain of BvgABP. A Prerequisite for this experiment was the knowledge of domain borders and linker sequences of BvgABP, which have been identified by means of limited proteolysis in combination with mass spectrometric methods (Bantscheff et al., 2000). In contrast to the BvgABH protein, the hybrid response regulator BvgAfus showed binding to BvgABP-dependent promoter sequences. Additionally, BvgAfus was able to induce the expression of BvgABP-dependent genes in vivo. But compared to the wild-type protein BvgABH the hybrid response regulator BvgAfus was limited in its phosphorylation efficiency. These results indicate that the inability of BvgABH to complement BvgABP in B. pertussis is due to the small number of sequence variations present in its output domain. The output domains of BvgABH and BvgABP differ in ten amino acids of which four amino acid substitutions are located in the helix-turn-helix motif (HTH). To investigate whether the different binding and transcription activating properties of BvgABH are due to the sequence variations in the HTH, the sequence was adjusted as compared to BvgABP by means of site directed mutagenesis. The resulting protein BvgABH* showed similar phosphorylation efficiency compared to the wild-type protein BvgABH but no specific binding to BvgABP-dependent promoter sequences and was not able to replace BvgABP functionally in vivo. This result indicates that the few additional amino acid differences outside of the HTH present in the output domain of BvgABH which do not interfere much with the phosphorylation efficiency of the protein influence its DNA binding properties. The identification of further BvgABH regulated genes of B. holmesii and the characterization of BvgABH binding sites will help to further clarify the functional differences between the orthologous BvgA proteins of B. holmesii and B. pertussis.

Obwohl Protein-Mikroarrays ursprünglich aus dem gut entwickelten und fest etablierten DNA-Pendant entstanden sind, repräsentierte jedoch die Umstellung der Mikroarray-Technik von der DNA- auf die Proteinanalyse aufgrund der enormen physikalisch-chemischen Variabilität der Proteine, deren relativ niedrigen Stabilität und der komplexen Mikrospot-Kinetik eine große technologische Herausforderung. Deshalb setzt das Vorhaben, die Technik der Antikörper–Mikroarrays von ihrem konzeptuellen Zustand ausgehend zu einem robusten, real funktionierenden Werkzeug zu etablieren, nicht nur eine Vielzahl an technologischen Lösungen, sondern auch eine systematische und physikalisch begründete Herangehensweise in dieser technologischen Entwicklung voraus. Das waren im Wesentlichen die zwei wichtigsten, der eigentlichen Entwicklung der Antikörper-Mikroarrays untergeordneten Ziele der Arbeit. Mit dem Ziel, Antikörper-Mikroarrays prinzipiell zu etablieren und eine optimale Immobilisierungschemie für deren Herstellung zu finden, wurden im ersten Teil dieser Arbeit mehrere chemische Beschichtungen von Glasslides optimiert, unterschiedliche Spotting-Bedingungen von Antikörpern für verschiedene Oberflächen getestet und verschiedene Blockierungsverfahren und Strategien zur Aufbewahrung von Slides analysiert. Anschließend wurde eine Reihe von kommerziellen und selbst hergestellten chemisch beschichteten Slides unter den optimierten Bedingungen miteinander verglichen. Als Hauptergebnis dieser Untersuchung wurde die Herstellung der Antikörper-Microarrays etabliert. Unter anderem konnte im Zuge dieser systematischen Analyse gezeigt werden, dass Epoxysilan-modifizierte Oberflächen am besten geeignet sind. Diese Oberfläche ist heutzutage auf dem Gebiet der Protein-Microarrays am weitesten verbreitet und wurde für alle weiteren Studien innerhalb dieser Dissertation verwendet. Die Entwicklung der Antikörper-Mikroarrays in den letzten Jahren demonstrierte erhebliche Schwierigkeiten im Erreichen der nötigen Sensitivität und Reproduzierbarkeit. Um dieser Problematik auf den Grund zu gehen, und die Mikrospot-Kinetik experimentell untersuchen zu können, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine modifizierte und für den Fall der Mikrorrays angepasste Variante des Two-Compartment Modells (TCM) entwickelt. TCM ermöglicht auf eine phänomenologische Weise, d.h., dass Diffusionskoeffizienten, Mischintensität oder Dichte der Bindungsstellen nicht bekannt sein müssen, eine quantitative experimentelle Analyse der Mikrospot-Kinetik unter Berücksichtigung von Effekten des Massentransports. Um die phänomenologischen TCM-Werte interpretieren zu können und um den Mechanismus der Mikrospot-Reaktion zu untersuchen, wurden auch andere, für die Mikrospot-Kinetik relevante, klassische Theorien an die Bedingungen der Mikrospot-Reaktion angepasst und mit dem modifizierten TCM mathematisch verbunden. Als das erste in der Mikroarray-Technologie mathematisch-physikalische Werkzeug dieser Art hat die hier entwickelte Theorie ein großes Potential, auch in den anderen verwandten Techniken wie DNA- oder Peptid-Mikroarrays Verwendung zu finden. Außerdem wurde innerhalb dieser Arbeit ein anderes einheitliches theoretisches Modell entwickelt, das eine kinetische Simulation von verschiedenen Reaktionsphasen sowohl für konventionelle als auch für Mikrospot-Immunoassays ermöglicht. Im Rahmen dieser Arbeit konnte für einen typischen Standard-Antikörper-Mikroarray theoretisch und experimentell eine lang andauernde, stark massentransportabhängige Mikrospot-Kinetik beschrieben werden. Es konnte gezeigt werden, dass das Erreichen eines thermodynamischen Gleichgewichts in Mikroarrays wegen eines relativ langsamen Ligandentransports zum Spot eine lange Zeit dauert, je nach Bindungskonstante, Diffusionsgeschwindigkeit und Ligandenkonzentration mehrere Stunden bis hin zu Wochen. In dieser Arbeit wurde ein neues physikalisches Konzept, das dem heutzutage dominierenden Blickwinkel, der sogenannten ambient analyte Theorie, opponierend gegenübersteht, formuliert. Auch konnten viele Konsequenzen fürs Design und die zukünftige Entwicklung dieser relativ neuen Technologie gezogen werden. Als eine logische Folge der massentransportlimitierten Reaktionen ist das Design eines Antikörper-Mikroarray ein kritischer Punkt für die Leistung des Verfahrens. Im Laufe der experimentellen und/oder theoretischen Betrachtungen konnte gezeigt werden, dass eine Reihe allgemeiner Parameter wie Größe eines Spots, Spotting-Muster, Inkubationsgeometrie, Volumen und Konzentration einer Probe, Viskosität des Inkubationspuffers und Mischintensität die Reaktionsraten auf den Spots insgesamt um mehrere Größenordnungen beeinflusst. Ist die maximale Rate des Massentransports in einem Mikroarray-Verfahren gewährleistet, kann dann auch die maximale Bindungsleistung der Spots, die durch die Dichte der Bindungsstellen, Bindungsaffinität, Inkubationszeit und andere relevante Parameter eingestellt wird, erreicht werden. Aber nicht nur in der Inkubationsphase, sondern auch bei den Wasch- und Detektionsschritten sollte die gleiche Liste der Parameter berücksichtigt werden. Durch die Optimierung all dieser Parametern konnte eine deutliche Verbesserung der Sensitivität von Antikörper-Mikroarrays in der Protein-Expressionsanalyse von klinischen Blutproben erzielt werden In einer weiteren Studie zur Analyse von unterschiedlichen Detektionsverfahren konnte die Sensitivität und Reproduzierbarkeit der etablierten Antikörper-Mikroarrays weiter verbessert werden. Eine Reihe unterschiedlicher Markierungssubstanzen mit NHS (N-hydroxysuccinimide) und ULS (universal linkage system) reaktiven Gruppen wurden innerhalb drei Detektionsverfahren untersucht: 1) eine direkte Probenmarkierung mit Fluoreszenzfarbstoffen, 2) Markierung der Probe mit Biotin-Substanzen und nachfolgender Detektion mittels fluoreszenzmarkierten Extravidin und 3) Markierung der Probe mit Fluorescein-Substanzen mit Anti-Fluorescein-Detektion. Aus den Erfahrungen der vorherigen kinetischen Untersuchungen wurde hier vorerst das kinetische Verhalten des Testsystems analysiert und optimale Inkubationsbedingungen festgelegt. Anschließend wurden optimale Konzentrationen all dieser Substanzen für die Markierung von Blutplasma bestimmt. Im Vergleich zur direkten Fluoreszenzmarkierung resultierten sich die indirekten Detektionsverfahren mit Biotin- und Fluorescein-Substanzen in wesentlich besseren Signal-zu-Hintergrund-Verhältnissen. In einer anschließenden Vergleichsanalyse zeigten sich einige Substanzen wie Biotin-ULS oder Fluoresceine-NHS als am besten geeignet für eine Protein-Expressionsanalyse von Blutplasma. Sensitivitäten im femtomolaren Bereich konnten mittels der etablierten Antikörper-Mikroarrays sowohl für eine markierte Antigenmischung als auch für komplexe klinische Proben innerhalb dieser Dissertation erzielt werden. Viele niedrig konzentrierte Proteine wie beispielsweise Zytokine, die normalerweise in einer piko-oder femtomolaren Konzentration im Blut vorliegen, wurden in dieser Arbeit mit sehr hohen Signal-zu-Hintergrund-Verhältnissen detektiert. Das hier beschriebene Verfahren öffnet zusätzliche Möglichkeiten für schnelle, kostengünstige und unbeschränkt erweiterungsfähige Mikrospot-Immunoassays. / Although protein microarrays are superficially similar to DNA microarrays, the conversion of microarray technology to the protein world still represents a big technological challenge because of the enormous physicochemical variability and relatively low stability of proteins as well as complex microspot kinetics. Therefore, the intention of developing the concept of antibody microarray into a really functioning tool requires a multiplicity of technological solutions as well as a systematic and physically justified approach in this technological development. These were essentially the two most important goals while developing antibody microarrays. Aiming to establish antibody microarrays in principle und to find optimal antibody immobilization chemistry, several chemical coatings of glass slides, antibody spotting conditions for different surfaces, different blocking procedures and strategies for slides storage were analysed and optimised in the first part of this dissertation. Subsequently, a set of commercial and home-made chemically coated slides was compared under these optimized conditions. As a main result, manufacturing of antibody microarrays was established. Among other things, the epoxysilan surface was found to be best suitable for fabrication of antibody microarrays in course of this systematic analysis. This kind of chemical coating is nowadays one of the most popular in the protein microarray field and it was also used in all other studies presented here. The development of antibody microarray technology in the last years demonstrated substantial difficulties trying to achieve the required sensitivity and reproducibility. In order to get the bottom of this issue and to be able to examine microspot kinetics experimentally, the so-called two-compartment model (TCM) was modified and adapted for the case of microrrays in this work. TCM enables a quantitative experimental analysis of microspot kinetics with regard to effects of mass transport. It is a phenomenological model, so that one does not need to know density of binding sites or any parameters of mass transport such as diffusion coefficient or mixing intensity. To be able to interpret the phenomenological reaction descriptors of TCM and to investigate reaction mechanism, some relevant theoretical models were also adapted for the case of microspot reaction as well as were mathematically joined with the modified TCM. Our theory is the first mathematical tool of this sort in the microarray technology and it has therefore a lot of potential to be applied also in the other related techniques such as DNA or peptide microarrays. Additionally, another uniform theoretical model was developed in this work. It enables a kinetic simulation of different reaction regimes for the case of conventional as well as microspot immunoassays. Long-lasting and strongly mass transport dependent microspot kinetics was described in this work, both theoretically and experimentally. The attainment of the thermodynamic equilibrium in microarrays may require many hours, days or even weeks due to a relatively slow ligand transport to spots. A new physical concept, which represents the opposite view to the today’s most widespread concept, so called ambient analyte theory, could be formulated in consequence of this investigation. Also, we could draw many consequences for design and future development of this relatively new techique. As a logical consequence of the mass transport limited reactions, proper assay design is cruicial for performance of antibody microarrays. In the course of our experimental and/or theoretical considerations, it was shown that a number of general parameters such as size of a spot, spotting pattern, incubation geometry, volume and concentration of a sample, viscosity of incubation buffer and mixing intensity could altogether affect signal velocity by many orders of magnitude. If the maximum rate of mass transport in a microarray procedure is ensured, then also the maximum binding capacity of spots could be achieved by adjusting such parameters as density of binding sites, binding affinity, incubation time etc. The same factors should be also considered for washing and detection steps in a kinetically relevant design of microarray procedure. Optimizing these parameters, the performance of antibody microarrays as applied for protein profiling of clinical specimens could be strongly improved. A significant improvement of the antibody microarray performance as applied for protein profiling of clinical blood samples could be also achieved in a further study aiming to analyze different detection approaches. A number of labeling substances containing either NHS (N-hydroxysuccinimide) or ULS (universal linkage system) reactive groups was examined within three general detection procedures: 1) direct sample labeling with fluorescence dyes, 2) sample labelling with biotin- containing substances with subsequent detection using fluorescently labeled extravidin and 3) sample labelling with fluorescein-substances with detzection by anti-fluorescein. Based on the experience of the previous kinetic investigations, kinetic behavior of the applied test system was first analyzed in this study to find optimal incubation conditions. Also, optimal blood plasma labelling concentration for every analyzed substance was determined in this study. The indirect detection approaches (biotin/extravidin and fluorescein/anti-fluorescein) resulted in substantially better signal-to-noise ratios as compared to direct fluorescent labeling. Some substances such as biotin-ULS or fluorescein-NHS were found to be best suitable for microarray-based protein profiling of blood plasma. Using the established antibody microarrays, sensitivities in the fM range could be attained in this dissertation both for a labeled mix of antigens as well as for complex clinical samples. Many low abundant proteins as for example cytokines, which are normally present in a pM-fM concentration in the blood, was detected in this work with very high signal-to-noise ratios. The approach described here opens additional possibilities for fast, economical and unrestricted multiplexing microspot immunoassays.

The insulin receptor ortholog EmIR of the fox-tapeworm Echinococcus multilocularis displays significant structural homology to the human insulin receptor (HIR) and has been suggested to be involved in insulin sensing mechanisms of the parasite’s metacestode larval stage. In the present work, the effects of host insulin on Echinococcus metacestode vesicles and the proposed interaction between EmIR and mammalian insulin have been studied using biochemical and cell-biological approaches. Human insulin, exogenously added to in vitro cultivated parasite larvae, (i) significantly stimulated parasite survival and growth, (ii) induced DNA de novo synthesis in Echinococcus, (iii) affected overall protein phosphorylation in the parasite, and (iv) specifically induced the phosphorylation of the parasite’s Erk-like MAP kinase orthologue EmMPK1. These results clearly indicated that Echinococcus metacestode vesicles are able to sense exogenous host insulin which induces a mitogenic response. To investigate whether EmIR mediates these effects, anti-EmIR antibodies were produced and utilized in biochemical assays and immunohistochemical analyses. EmIR was shown to be expressed in the germinal layer of the parasite both on the surface of glycogen storing cells and undifferentiated germinal cells. Upon addition of exogenous insulin to metacestode vesicles, the phosphorylation of EmIR was significantly induced, an effect which was suppressed in the presence of specific inhibitors of insulin receptor-like tyrosine kinases. Furthermore, upon expression of EmIR/HIR receptor chimera containing the extracellular ligand binding domain of EmIR in HEK 293 cells, a specific autophosphorylation of the chimera could be induced through the addition of exogenous insulin. These results indicated the capability of EmIR to sense and to transmit host insulin signals to the Echinococcus signaling machinery. The importance of insulin signaling mechanisms for parasite survival and growth were underscored by in vitro cultivation experiments in which the addition of an inhibitor of insulin receptor tyrosine kinases led to vesicle degradation and death. Based on the above outlined molecular data on the interaction between EmIR and mammalian insulin, the parasite’s insulin receptor orthologue most probably mediates the insulin effects on parasite growth and is, therefore, a potential candidate factor for host-parasite communication via evolutionary conserved pathways. In a final set of experiments, signaling mechanisms that act downstream of EmIR have been analyzed. These studies revealed significant differences between insulin signaling in Echinococcus and the related cestode parasite Taenia solium. These differences could be associated with differences in the organo-tropism of both species. / Der orthologe Insulinrezeptor EmIR des Fuchsbandwurmes Echinococcus multilocularis weist signifikante strukturelle Homologie zum humanen Insulinrezeptor (HIR) auf. Es wurde schon seit geraumer Zeit vermutet, dass EmIR an den Mechanismen beteiligt sein könnte, die es dem Metacestoden Larvenstadium des Parasiten erlauben Insulin zu detektieren. In dieser Arbeit wurden die Effekte von Wirtsinsulin auf Echinococcus Metacestoden-Vesikel und die vermutete Interaktion zwischen EmIR und Insulin von Säugern mittels biochemischer und zellbiologischer experimenteller Ansätze untersucht. Die exogene Zugabe von humanem Insulin zu in vitro kultivierten Parasitenlarven hatte folgende Effekte: (i) das Überleben und das Wachstum des Parasiten wurde signifikant stimuliert; (ii) die DNA de novo Synthese in Echinococcus wurde induziert; (iii) die generelle Proteinphosphorylierung des Parasiten wurde beeinflusst; (iv) die Phosphorylierung der orthologen Erk-like MAP Kinase, EmMPK1, des Parasiten wurde spezifisch induziert. Diese Beobachtungen zeigen deutlich, dass Echinococcus Metacestoden-Vesikel exogenes Insulin des Wirtes detektieren können und dass dieses Insulin einen mitogenischen Effekt auf den Parasiten hat. Um zu untersuchen, ob diese Effekte durch EmIR vermittelt werden, wurden anti-EmIR Antikörper hergestellt und in biochemischen experimentellen Ansätzen und immunohistochemischen Analysen eingesetzt. Es konnte gezeigt werden, dass EmIR in der Germinalschicht des Parasiten expremiert wird, sowohl an der Oberfläche von Glykogen-Speicherzellen als auch von undifferenzierten Germinalzellen. Nach der Zugabe von exogenem Insulin konnte eine signifikante Zunahme der Phosphorylierung von EmIR festgestellt werden. Diese Stimulierung konnte durch die Zugabe eines spezifischen Inhibitors für Insulinrezeptor-ähnliche Tyrosinkinasen unterdrückt werden. Desweiteren konnte mittels der Expression eines chimären EmIR/HIR-Rezeptors, der die extrazelluläre Ligandenbindungsdomäne von EmIR enthielt, in HEK293 Zellen gezeigt werden, dass die Zugabe von exogenem Insulin eine spezifische Autophosphorylierung der Chimäre induziert. Diese Ergebnisse bezeugen die Fähigkeit von EmIR Insulin-abhängige Signale des Wirtes einerseits zu detektieren und andererseits an die Echinococcus Signalwege weiter zu leiten. Die Bedeutung von Insulin-Signalmechanismen für das Überleben und das Wachstum des Parasiten konnte durch in vitro Kultivierungsexperimente aufgezeigt werden. Die Zugabe eines Inhibitors spezifisch für Insulinrezeptor Tyrosinkinasen verursachte die Degradation und den Tod der Metacestoden-Vesikel. Basierend auf den dargelegten molekularen Daten bezüglich der Interaktion zwischen EmIR und Insulin von Säugern erscheint es sehr wahrscheinlich, dass der orthologe Insulinrezeptor des Parasiten die Effekte von Insulin auf das Wachstum des Parasiten vermittelt. Aus diesem Grund ist EmIR ein potentieller Kandidat für die Kommunikation zwischen Wirt und Parasiten mittels evolutionär konservierten Signalwegen. Die Signalmechanismen unterhalb von EmIR wurden in abschließenden Experimenten untersucht. Diese offenbarten deutliche Unterschiede in der Weiterleitung von Insulin induzierten Signalen zwischen Echinococcus und dem verwandten parasitären Zestoden Taenia solium. Diese Unterschiede könnten mit dem unterschiedlichen Organtropismus beider Arten in Verbindung stehen.