The Gram-negative bacterium Pseudomonas aeruginosa is a life-threatening nosocomial pathogen due to its generally low susceptibility toward antibiotics. Furthermore, many strains have acquired resistance mechanisms requiring new antimicrobials with novel mechanisms to enhance treatment options. Proline-rich antimicrobial peptides, such as the apidaecin analog Api137, are highly efficient against various Enterobacteriaceae infections in mice, but less active against P. aeruginosa in vitro. Here, we extended our recent work by optimizing lead peptides Api755 (gu-OIORPVYOPRPRPPHPRL-OH; gu = N,N,N′,N′-tetramethylguanidino, O = L-ornithine) and Api760 (gu-OWORPVYOPRPRPPHPRL-OH) by incorporation of Ile-Orn- and Trp-Orn-motifs, respectively. Api795 (gu-O(IO)2RPVYOPRPRPPHPRL-OH) and Api794 (gu-O(WO)3RPVYOPRPRPPHPRL-OH) were highly active against P. aeruginosa with minimal inhibitory concentrations of 8–16 and 8–32 μg/mL against Escherichia coli and Klebsiella pneumoniae. Assessed using a quartz crystal microbalance, these peptides inserted into a membrane layer and the surface activity increased gradually from Api137, over Api795, to Api794. This mode of action was confirmed by transmission electron microscopy indicating some membrane damage only at the high peptide concentrations. Api794 and Api795 were highly stable against serum proteases (half-life times >5 h) and non-hemolytic to human erythrocytes at peptide concentrations of 0.6 g/L. At this concentration, Api795 reduced the cell viability of HeLa cells only slightly, whereas the IC50 of Api794 was 0.23 ± 0.09 g/L. Confocal fluorescence microscopy revealed no colocalization of 5(6)-carboxyfluorescein-labeled Api794 or Api795 with the mitochondria, excluding interactions with the mitochondrial membrane. Interestingly, Api795 was localized in endosomes, whereas Api794 was present in endosomes and the cytosol. This was verified using flow cytometry showing a 50% higher uptake of Api794 in HeLa cells compared with Api795. The uptake was reduced for both peptides by 50 and 80%, respectively, after inhibiting endocytotic uptake with dynasore. In summary, Api794 and Api795 were highly active against P. aeruginosa in vitro. Both peptides passed across the bacterial membrane efficiently, most likely then disturbing the ribosome assembly, and resulting in further intracellular damage. Api795 with its IOIO-motif, which was particularly active and only slightly toxic in vitro, appears to represent a promising third generation lead compound for the development of novel antibiotics against P. aeruginosa.

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Riboswitches have gained attention as tools for synthetic biology, since they enable researchers to reprogram cells to sense and respond to exogenous molecules. In vitro evolutionary approaches produced numerous RNA aptamers that bind such small ligands, but their conversion into functional riboswitches remains difficult. We previously developed a computational approach for the design of synthetic theophylline riboswitches based on secondary structure prediction. These riboswitches have been constructed to regulate ligand dependent transcription termination in Escherichia coli. Here, we test the usability of this design strategy by applying the approach to tetracycline and streptomycin aptamers. The resulting tetracycline riboswitches exhibit robust regulatory properties in vivo. Tandem fusions of these riboswitches with theophylline riboswitches represent logic gates responding to two different input signals. In contrast, the conversion of the streptomycin aptamer into functional riboswitches appears to be difficult. Investigations of the underlying aptamer secondary structure revealed differences between in silico prediction and structure probing. We conclude that only aptamers adopting the minimal free energy (MFE) structure are suitable targets for construction of synthetic riboswitches with design approaches based on equilibrium thermodynamics of RNA structures. Further improvements in the design strategy are required to implement aptamer structures not corresponding to the calculated MFE state.

In der vorliegenden Arbeit wurden die molekularen Grundlagen für die Agonistspezifität des G-Protein-gekoppelten Rezeptors GPR34 untersucht. Mittels verschiedener funktioneller Versuche konnte an ausgewählten Orthologen des Rezeptors gezeigt werden, dass, im Gegensatz zu publizierten Daten, Lysophosphatidylserin (Lyso-PS) nicht der natürliche Agonist des GPR34 ist. Lediglich an einigen cyprinoiden Subtypen des GPR34 hat Lyso-PS surrogat-agonistische Effekte. Anhand eines detaillierten evolutionären Vergleichs von Orthologen konnten Bereiche des Rezeptors ermittelt werden, welche an der Ligandenbindung, und damit an der Agonistspezifität des GPR34 beteiligt sind. Durch Übertragung dieser Bereiche vom Karpfen-GPR34-Subtyp 2a auf den humanen GPR34 konnte dieser zu einem Lyso-PS-sensitiven Rezeptor modelliert werden. Weiterhin wurde Aminoethyl-Carbamoyl-ATP (EDA-ATP) als inverser Agonist an cyprinoiden Orthologen des GPR34 identifiziert. Die Erweiterung des möglichen Ligandenspektrums von Lipiden zu Nukleotidderivaten gibt Hinweise auf die Promiskuität der Bindungsstelle des GPR34. Die Ergebnisse zeigen, dass Lyso-PS nur eine zufällige Aktivität an einigen Orthologen des GPR34 hat. Mit Identifizierung eines Nichtlipides als invers-agonistischen Liganden ist die Suche nach dem natürlichen Liganden des GPR34 noch nicht abgeschlossen und sollte auf weitere chemische Entitäten ausgeweitet werden. / Lyso-PS (lyso-phosphatidylserine) has been shown to activate the G(i/o)-protein-coupled receptor GPR34. Since in vitro and in vivo studies provided controversial results in assigning lyso-PS as the endogenous agonist for GPR34, we investigated the evolutionary conservation of agonist specificity in more detail. Except for some fish GPR34 subtypes, lyso-PS has no or very weak agonistic activity at most vertebrate GPR34 orthologues investigated. Using chimaeras we identified single positions in the second extracellular loop and the transmembrane helix 5 of carp subtype 2a that, if transferred to the human orthologue, enabled lyso-PS to activate the human GPR34. Significant improvement of agonist efficacy by changing only a few positions strongly argues against the hypothesis that nature optimized GPR34 as the receptor for lyso-PS. Phylogenetic analysis revealed several positions in some fish GPR34 orthologues which are under positive selection. These structural changes may indicate functional specification of these orthologues which can explain the species- and subtype-specific pharmacology of lyso-PS. Furthermore, we identified aminoethyl-carbamoyl ATP as an antagonist of carp GPR34, indicating ligand promiscuity with non-lipid compounds. The results of the present study suggest that lyso-PS has only a random agonistic activity at some GPR34 orthologues and the search for the endogenous agonist should consider additional chemical entities.

Amadori-Produkte werden spontan während der ersten Phase der Maillard-Reaktion aus reduzierenden Zuckern und Aminen wie Lysin gebildet. Sie entstehen während der Erhitzung von Lebensmitteln und in vivo. Der enzymatische Abbau solcher spontan gebildeten Produkte ist Thema dieser Arbeit. Ein Teil untersuchte die Rolle von Oligosaccharid-Amadori-Produkten während der Verdauung von Kohlenhydraten im Dünndarm. Aufgrund ihrer strukturellen Ähnlichkeit mit bekannten Glycosidase-Inhibitoren wurde eine hemmende Wirkung der Amadori-Produkte auf die Kohlenhydratverdauung vermutet. Der andere Teil beschäftigte sich mit Fructosamin-3-kinase (FN3K) und dessen verwandtem Enzym Fructosamin-3-kinase-related Protein (FN3K-RP) aus humanen Erythrocyten. Diese Ketosaminkinasen werden als Proteinreparaturenzyme betrachtet, sogar als enzymatische Verteidigung gegen Glykierung in vivo diskutiert. Durch ihre Reaktion entstehen jedoch auch hoch-reaktive 1,2-Dicarbonylverbindungen, die weitere Proteinschäden bewirken können. Noch ist nicht klar, ob die Ketosaminkinasen die pathophysiologischen Folgen der Glykierung verhindern oder fördern. In dieser Arbeit wurde die Substratspezifität von Ketosaminkinasen mit einer Reihe von Amadori-Produkten untersucht. Damit könnten Inhibitoren zur weiteren Enzymcharakterisierung oder sogar für pharmazeutische Anwendungen identifiziert werden. Außerdem wurde die Variabilität der Enzymaktivitäten von Mensch zu Mensch in einer Kohorte von 100 Probanden untersucht. Als Modell für die menschliche Kohlenhydratverdauung im Dünndarm wurden Caco-2-Zellen als Monolayer etabliert. Deren Sucrase-Isomaltase kann die alpha-glycosidische Bindung in Amadori-Produkten von Maltose und Maltotriose mit Lysin und auch in Maltulose hydrolysieren. Trotz der Aminogruppe hemmen diese Amadori-Produkte die Maltosehydrolyse nur schwach als konkurrierende Substrate. Lactulosyllysin konnte nicht durch die Lactase der Caco-2-Zellen hydrolysiert werden. Tagatosyllysin und die Heyns-Produkte Glucosyllysin und Mannosyllysin hemmten die Lactosehydrolyse schwach. Alle beobachteten Hemmeffekte sind wahrscheinlich zu schwach, um während der Verdauung in vivo bedeutsam zu sein. Für FN3K konnte Desoxypiperidinofructose als kompetitiver Inhibitor identifiziert werden (Kic 0,006 mM). FN3K zeigte nur geringe Selektivität gegenüber Amadori-Produkten verschiedener Amine, ausgenommen aromatischer Amine. FN3K-RP war in Erythrocyten wesentlich aktiver als FN3K, auch wenn die Aktivität nicht selektiv inhibiert werden konnte. Beide Enzymaktivitäten unterscheiden sich unter den 100 Probanden, mit einer Spannweite von 3 bis 12 mU/g Hämoglobin für FN3K und 60 bis 135 mU/g Hb für FN3K und FN3K-RP zusammen. Es scheint eine Verbindung zwischen der Ketosaminkinase-Aktivität in Erythrocyten und Nierenerkrankungen, familiär auftretendem Diabetes mellitus, sowie familiär aufgetretenen Herzinfarkten oder Schlaganfällen zu bestehen, wie orientierende Auswertungen zeigten. Deshalb ist eine genauere Untersuchung der physiologischen Bedeutung der Ketosaminkinasen nötig. / Amadori products are formed spontaneously from reducing sugars and amines, e.g. lysine, during the first phase of the Maillard reaction. They occur in heated food and in vivo. The thesis focuses on the enzymatic degradation of such spontaneously formed compounds. One part of this work investigated the faith and impact of oligosaccharide derived Amadori products during small intestinal carbohydrate digestion. Due to their structural similarity with known glycosidase inhibitors, an inhibitory action of Amadori products towards carbohydrate digestions was assumed. The other part dealt with fructosamine-3-kinase (FN3K) and its related protein (FN3K-RP) from human erythrocytes. Such ketosamine kinases are regarded as protein repair enzymes, maybe even an enzymatic defence against glycation in vivo. While deglycating protein bound Amadori products, however, they produce highly reactive 1,2-dicarbonyl compounds, which can lead to further protein damage. It is unclear, whether the ketosamine kinase action prevents or supports the pathophysiological effects of glycation. This work studied the substrate specifity of ketosamine kinases with a variety of Amadori products, which could result in inhibitors for further enzyme characterisation or even pharmaceutical uses. Further, the variability of both enzyme activities in a cohort of 100 subjects was examined. As a model for human small intestinal carbohydrate digestion, a Caco-2 cell monolayer was employed. Their sucrase-isomaltase is able to hydrolyse the alpha-glucosidic linkage in Amadori products of maltose and maltotriose with lysine, as well as in maltulose. Despite their amino group, those amadori products inhibited maltose hydrolysis merely weakly as competing substrates. Lactulosyl lysine on the other hand could not be hydrolysed by Caco-2 lactase. Tagatosyl lysine and the Heyns products glucosyl lysine and mannosyl lysine showed weak inhibition of lactose hydrolysis. All observed inhibitory effects are probably too weak to be of importance during carbohydrate digestion in vivo. Deoxypiperidinofructose was identified as a competitive inhibitor of FN3K (Kic 0,006 mM). FN3K acted rather non-specific towards Amadori products of different amines, except aromatic amines. FN3K-RP showed much higher activity in erythrocytes than FN3K, although its activity could not be inhibited selectively. Both enzyme activities vary among 100 subjects, with a range of 3 to 12 mU/g hemoglobin for FN3K and 60 to 135 mU/g hb for FN3K and FN3K-RP together. Relations of ketosamine kinase activity in erythrocytes with renal diseases, familial diabetes mellitus and familial cardiovascular events seem to exist. Thus, investigating the physiological impact of ketosamine kinases is necessary.

Dreiwertige Actinide (An(III)) und Lanthanide (Ln(III)) stellen im Falle ihrer Inkorporation eine ernste Gefahr für die Gesundheit des Menschen dar. An(III) sind künstlich erzeugte, stark radioaktive Elemente, die insbesondere bei der nuklearen Energiegewinnung in Kernkraftwerken entstehen. Durch Störfälle oder nicht fachgerechte Lagerung radioaktiven Abfalls können sie in die Umwelt und die Nahrungskette des Menschen gelangen. Ln(III) sind hingegen nicht radioaktive Elemente, die natürlicherweise vorkommen und für vielfältige Anwendungen in Technik und Medizin abgebaut werden. Folglich kann der Mensch sowohl mit An(III) als auch Ln(III) in Kontakt kommen bzw. sie inkorporieren. Es ist daher von enormer Wichtigkeit, das Verhalten dieser Elemente im menschlichen Körper aufzuklären. Während makroskopische Vorgänge wie Verteilung, Anreicherung und Ausscheidung bereits sehr gut untersucht sind, ist das Wissen hinsichtlich der chemischen Bindungsform (Speziation) von An(III) und Ln(III) in Körperflüssigkeiten noch sehr lückenhaft. In der vorliegenden Arbeit wurde daher erstmals die chemische Bindungsform von Cm(III) und Eu(III) in natürlichem menschlichem Urin (in vitro) spektroskopisch aufgeklärt und die gebildeten Komplexe identifiziert. Hierzu wurden auch grundlegende Untersuchungen zur Komplexierung von Cm(III) und Eu(III) in synthetischem Modellurin sowie mit den urinrelevanten organischen Modellliganden Harnstoff, Alanin, Phenylalanin, Threonin und Citrat durchgeführt und die noch unbekannten Komplexbildungskonstanten bestimmt. Abschließend wurden alle experimentellen Ergebnisse mit Literaturdaten und Vorherberechnungen mittels thermodynamischer Modellierung verglichen. Auf Grund der hervorragenden Lumineszenzeigenschaften von Cm(III) und Eu(III) konnte insbesondere auch die Eignung der zeitaufgelösten laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie (TRLFS) als Methode zur Untersuchung dieser Metallionen in unbehandelten, komplexen biologischen Flüssigkeiten demonstriert werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern damit neue Erkenntnisse zu den biochemischen Reaktionen von An(III) und Ln(III) in Körperflüssigkeiten auf molekularer Ebene und tragen zu einem besseren Verständnis der bekannten, makroskopischen Effekte dieser Elemente bei. Darüber hinaus sind sie die Grundlage weiterführender in-vivo-Untersuchungen. / In case of incorporation, trivalent actinides (An(III)) and lanthanides (Ln(III)) pose a serious health risk to humans. An(III) are artificial, highly radioactive elements which are mainly produced during the nuclear fuel cycle in nuclear power plants. Via hazardous accidents or nonprofessional storage of radioactive waste, they can be released in the environment and enter the human food chain. In contrast, Ln(III) are nonradioactive, naturally occurring elements with multiple applications in technique and medicine. Consequently it is possible that humans get in contact and incorporate both, An(III) and Ln(III). Therefore, it is of particular importance to elucidate the behaviour of these elements in the human body. While macroscopic processes such as distribution, accumulation and excretion are studied quite well, knowledge about the chemical binding form (speciation) of An(III) and Ln(III) in various body fluids is still sparse. In the present work, for the first time, the speciation of Cm(III) and Eu(III) in natural human urine (in vitro) has been investigated spectroscopically and the formed complex identified. For this purpose, also basic investigations on the complex formation of Cm(III) and Eu(III) in synthetic model urine as well as with the urinary relevant, organic model ligands urea, alanine, phenylalanine, threonine and citrate have been performed and the previously unknown complex stability constants determined. Finally, all experimental results were compared to literature data and predictions calculated by thermodynamic modelling. Since both, Cm(III) and Eu(III), exhibit unique luminescence properties, particularly the suitability of time-resolved laser-induced fluorescence spectroscopy (TRLFS) could be demonstrated as a method to investigate these metal ions in untreated, complex biofluids. The results of this work provide new scientific findings on the biochemical reactions of An(III) and Ln(III) in human body fluids on a molecular scale and contribute to a better understanding of the known macroscopic effects of these elements. Furthermore, they are the basis of subsequent in vivo investigations.

CRISPR-Cas ist ein adaptives Immunsystem, dass Bakterien und Archaeen vor eindringenden Nukleinsäuren schützt. Es besteht aus einem sogenannten CRISPR-Array, der als genetisches Gedächtnis vorangegangene Infektionen speichert und einem cas Lokus, welcher für die Abwehr essentielle Proteine codiert. Das CRISPR-assoziierte Protein 9 (Cas9) des Typ II CRISPR-Cas Systems aus Streptococcus pyogenes ist heutzutage das Mittel der Wahl für Gentherapie und Genom-Modifikationen. Allerdings gibt es nach wie vor Probleme mit der Ungenauigkeit dieses Systems, welche für eben genannte Ansätze behoben werden müssen. Aus diesem Grund ist es besonders wichtig zu verstehen, in welcher Weise die Spezifität von Cas9 beeinflusst wird. In dieser Arbeit wurden die Voraussetzungen für eine spezifische Erkennung der Zielsequenz durch drei verschiedene Cas9 Proteine des Typs II-A und ein Cas12a Protein des Typs V-A CRISPR-Cas Systems untersucht. Wir zeigen, dass Arginin Seitenketten der sogenannten „bridge“ Helix in Cas9 von S. pyogenes eine wichtige Rolle in der Bindung und Spaltung der DNS spielen. Diese Seitenketten können in zwei Gruppen unterteilt werden, welche die Spezifität von Cas9 entweder vergrößern oder verkleinern. Die Aminosäuren R63 und R66 reduzieren die Spezifität von Cas9 indem sie den sogenannten R-loop in Anwesenheit einer Fehlpaarung stabilisieren. Wir zeigen außerdem, dass Q768 eine erhöhte Toleranz von Cas9 zu Fehlpaarungen an Position 15 der Zielsequenz vermittelt und dass das Entfernen dieser Aminosäure die Spezifität von Cas9 im Bereich der Zielsequenz, die am weitesten von der PAM entfernt ist, erhöht. Eine Kombination der Mutationen der oben genannten Arginin und Glutamin Seitenketten führt zur Erhöhung der Gesamtspezifität von Cas9. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen zum Verständnis bei, wie Cas9 Fehlpaarungen innerhalb der Zielsequenz detektiert und können dabei helfen weitere Strategien für eine verbesserte Spezifität von Cas9 zu entwickeln. / CRISPR-Cas (CRISPR-associated) systems are adaptive immune systems that have evolved in bacteria and archaea for protection against invading nucleic acids. They consist of a CRISPR array, where the genetic memory of the infection is stored and ultimately transcribed and processed into CRISPR RNAs (crRNAs), and of an operon of cas genes that encodes the Cas proteins. This thesis is focused on class 2 CRISPR-Cas systems that employ single RNA-guided nucleases in the interference phase. Dual-RNA guided CRISPR-associated protein 9 (Cas9) of the type II CRISPR-Cas system has become the tool of choice for genome editing applications in life sciences. However, off-target cleavage by Cas9 is one major issue that needs to be addressed for applications of the CRISPR-Cas9 technology for therapeutic purposes. Therefore, understanding the features that govern Cas9 specificity is of great importance. In this thesis, seed sequence requirements of three Cas9 proteins from the class 2 type II-A and one Cas12a protein from the class 2 type V-A CRISPR-Cas system have been investigated. We analyze the influence of mismatches and show that they affect target binding and/or cleavage by S. pyogenes Cas9. Additionally, we demonstrate that the arginine residues from the bridge helix of S. pyogenes Cas9 are important for target DNA binding and cleavage. Furthermore, these residues comprise two groups that either increase or decrease Cas9 sensitivity to mismatches i.e. specificity. R63 and R66 reduce Cas9 specificity by stabilizing the R-loop in the presence of mismatches. We also show that Q768 mediates Cas9 tolerance to a mismatch at target position 15 and removal of Q768 increases Cas9 specificity in the PAM-distal part of the target. Combination of arginine mutations and Q768A increased overall the sensitivity to mismatches. The results of this thesis elucidate how Cas9 senses PAM-adjacent mismatches and provide a basis to develop strategies for Cas9 variants with enhanced specificity.

Die Interleukin 1β (IL-1β) vermittelte Signaltransduktion ist für die akute Entzündung von entscheidender Bedeutung, muss aber gleichzeitig streng reguliert werden. Wie setzt das intrazelluläre IL-1β-Signalnetzwerk den extrazellulären Nachweis von IL-1β effizient in eine präzise und angemessene zelluläre Reaktion um? Welche Kontrollmechanismen kommen zum Einsatz, um eine angemessene Antwort zu gewährleisten und eine Hypo- oder Hyperantwort zu verhindern? Diese Arbeit charakterisiert die IL-1β-vermittelte Signalwegdynamik in EL4-Zellen mithilfe der Immunpräzipitations-Massenspektrometrie (IP-MS), konkret von MyD88, IRAK4 und IRAK1. Statistischer Analysen identifizierten das Interaktom dieser Proteine nach 15-, 30- und 60-minütiger IL-1β-Stimulation, sowie Proteine, die potenziell an der Runterregulierung des IL-1β-Signalwegs beteiligt sind. Um zu verstehen, wie das IL-1β-Signalwegnetzwerk die Translationsmaschinerie in EL4 Zellen beeinflusst, um eine angemessene Reaktion zu gewährleisten, untersuchte ich den IL-1β-abhängigen Proteinumsatz mittels gepulste stabile Isotopenmarkierung durch Aminosäuren in der Zellkultur (pSILAC) in Kombination mit Azidohomoalanin (AHA)- Klickchemie und MS nach IL-1β-Stimulation. Das Ergebnis aller Proteomik-Untersuchungen war die Identifizierung des TNFα-induzierten Proteins 3 (Tnfaip3) interagierendes Protein 1 (TNIP1) als potenziellen Kandidaten für die Herunterregulierung des IL-1β-Signalwegs. Nach IL-1β-Stimulation kolokalisiert TNIP1 mit allen Myddosomen-Proteinen sowie mit der Deubiquitinase Tnfaip3. Mittels CRISPR/Cas9 erzeugte ich eine TNIP1-KO-EL4 Zelllinie. Nach IL-1β Stimulation zeigten TNIP1-KO-Zellen vermehrt phosphoryliertes p65, aber verringertes phosphoryliertes JNK sowie eine langfristig verringerte IL-2-Sekretion. Daher ist TNIP1 nicht nur an der Herunterregulierung des NF-κB-Signalwegs beteiligt, sondern aktiviert auch den MAPK-Signalweg. / Interleukin 1β (IL-1β)-mediated signal transduction is crucial for acute inflammation, but at the same time needs tight regulation. The IL-1β-mediated signal transduction is encoded by the spatial and temporal dynamics of downstream signaling networks. How does the intracellular IL-1β signaling network efficiently convert the extracellular detection of IL-1β into a precise and proportionate cellular response? What control mechanisms apply in order to ensure a proportionate response and pre- vent a hypo- or hyper response? This study characterizes the IL-1β mediated signaling dynamics using immunoprecipitation purification mass spectrometry (IP-MS). specifically, of MyD88, IRAK4, and IRAK1. Statistical analyses identified the interactome of these proteins after 15-, 30-, and 60-minute of IL-1β stimulation, as well as proteins potentially involved in IL-1β signaling downregulation using pathway annotation analysis. Further, in order to understand how the IL-1β signaling network affects the translational machinery in EL4 cells to ensure a proportionate response, , I investigated IL-1β-dependent protein turnover in EL4 cells. Specifically, I applied pulsed stable isotope labeling by amino acids in the culture (pSILAC) combined with azidohomoalanine (AHA)-click chemistry and MS after 30-, 60-, 120- and 240-min of IL-1β stimulation. The result of these proteomics approaches was the identification of TNFα induced protein 3 (Tnfaip3) interacting protein 1 (TNIP1) as a potential candidate in IL-1β signal downregulation. TNIP1 co-localizes with all myddosome proteins and the deubiquitinase Tnfaip3 after IL-1β stimulation. I generated a TNIP1 KO EL4 cell line using CRISPR/Cas9. After IL-1β stimulation, TNIP1 KO cells show increased levels of phosphorylated p65, but decreased levels of phosphorylated JNK as well as decreased levels of long-term IL-2 secretion. Therefore, TNIP1 is not only involved in downregulatory NF-κB signaling but activates MAPK pathway.

Die Durchflusszytometrie und Fluoreszenzmikroskopie sind zentrale Techniken zur Analyse von Zellen, Geweben und Organen. Besonders in der Immunologie werden sie zur Identifizierung und Charakterisierung von Biomolekülen mittels fluoreszenzmarkierter Antikörper verwendet. Fluoreszenzmarker müssen je nach Anwendung hohe Helligkeit, geringe Größe und minimierte Löschung des Signals aufweisen. Stark markierte Konstrukte leiden jedoch oft unter Fluoreszenzlöschung oder großen Molekularmassen. Diese Arbeit untersucht verzweigtes Polyethylenglykol (PEG) als Träger für Fluorophore. PEG-Ketten wurden als räumliche Trennmittel identifiziert und an Aminodextran gekoppelt, wodurch hochgradig multimerisierte Fluorophor-PEG-Dextran-Zwischenprodukte entstanden. Diese Konjugate, gekoppelt mit Antikörpern, zeigen hohe Fluoreszenzintensität und wurden bei der Detektion von CAR SUP-T1-Zellen erfolgreich eingesetzt. PEG-basierte Reagenzien durchdringen jedoch oft die Zellmembran nicht, was für intrazelluläre Ziele und größere Gewebe wichtig ist. Sequentielle Multiplex-Analysen sind durch unvollständige Spaltung und Restsignale problematisch. Deshalb wurden synthetische Peptide als Rückgrat für die Fluorophor-Multimerisierung untersucht. Diese Konstrukte, verbunden mit Nanokörpern, zeigten erhöhte Helligkeit und Gewebepenetration in der Lichtblattmikroskopie von Mausorganen. Zudem wurde ein dualer Entfernungsmechanismus in die REAdyelease-Technologie integriert. Basierend auf Oligonukleotiden, Disulfiden oder Peptiden in Kombination mit Aminodextran konnte eine schnellere Signalreduktion ermöglicht werden. Dies wurde in der Konfokalmikroskopie an einer Pankreastumorzelllinie demonstriert. / Flow cytometry and fluorescence microscopy are crucial for analyzing cells and tissues, especially in immunology, where immunofluorescence is used for identifying, visualizing, and characterizing biomolecules with fluorescently labeled antibodies. These labels must meet various requirements: high brightness, small size, and the ability to be rendered non-fluorescent. However, highly labeled constructs often suffer from fluorescence self-quenching or high molecular masses, limiting their effectiveness. This work demonstrates that branched polyethylene glycol (PEG) serves as an efficient fluorophore multimerization platform for protein labeling. I explored factors critical for preventing fluorophore self-quenching in multi-fluorophore systems. Fluorescent PEGs were multimerized on an amino-dextran scaffold, generating highly multimerized fluorophore-PEG-dextran intermediates. When conjugated to antibodies, these intermediates allowed bright labeling of biomarkers on cells and tissues and were successfully used in detecting CAR SUP-T1 cells. Despite their strengths, PEG-based reagents often lack deep tissue penetration, essential for intracellular targets and 3D organ imaging. To enhance tissue penetration, I designed small peptide-based backbones for fluorophore multimerization. These constructs, coupled with nanobodies, produced homogeneous fluorescent conjugates that quickly penetrated mouse organs and enabled bright staining in light-sheet microscopy. The final part of the thesis focuses on synthesizing labels for cyclic immunofluorescence. I addressed the issue of incomplete label removal by creating erasable conjugates with two release sites. Fluorescent conjugates based on oligonucleotides, disulfides, or peptides combined with amino-dextran can be rapidly erased from labeled epitopes using a dual-release approach. This method was demonstrated in confocal microscopy and used for iterative imaging of biomarkers on a sample of a pancreatic tumor cell line.

Die phosphorylierungsabhängige Bindung von Arrestin an G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) ist ein weit verbreiteter Mechanismus, um aktive Rezeptoren zu inhibieren. Für die Bindung von Arrestin an lichtaktiviertes, phosphoryliertes Rhodopsin (pRho), einem GPCR, der sich in der Diskmembran der Stäbchenzellen der Netzhaut befindet, ist in Lipidmembranen die Phosphorylierung von 2 der insgesamt 7 Phosphorylierungsstellen im Rezeptor-C-Terminus nötig, wohingegen 3 Phosphate das Arrestin quantitativ aktivieren. Welchen Einfluss höhere Phosphorylierungsniveaus auf die Rezeptor-Arrestin-Interaktion haben, ist bisher ungeklärt. In dieser Arbeit wurde daher eine Methode zur quantitativen Bestimmung der Rhodopsin-Phosphorylierung etabliert, die unterschiedlich pRho-Spezies präparativ getrennt und mit den isolierten pRho-Spezies verschiedene Parameter der Rezeptor-Arrestin-Interaktion, wie z.B. die Bindungsstöchiometrie der resultierenden pRho-Arrestin-Komplexe, untersucht. Für die Charakterisierung der Arrestinbindung wurden Titrationen mit 3 verschiedenen fluoreszenzmarkierten Arrestinmutanten und pRho in gemischten Phospholidipd/Detergens-Mizellen durchgeführt. Die in dieser Arbeit gewonnenen Daten zeigen, dass der Phosphorylierungsgrad von Rhodopsin neben der Affinität von Arrestin auch die Bindungsstöchiometrie beeinflusst. So haben die Komplexe bei geringem Phosphorylierungsgrad eine 2 : 1 (pRho : Arrestin) Stöchiometrie, während bei einem sehr hohen Phosphorylierungsgrad bevorzugt 1 : 1 pRho-Arrestin-Komplexe gebildet werden. Zudem weisen ein unterschiedliches Elutionsverhalten bei der säulenchromatographischen Trennung und Abweichungen in der pRho-Arrestin-Stöchiometrie verschiedener pRho-Präparationen mit ähnlicher Gesamtanzahl an Phosphaten auf einen zusätzlichen Einfluss unterschiedlicher Phosphorylierungsmuster hin. Insgesamt deuten die Daten auf eine komplexe Beziehung zwischen dem Phosphorylierungsgrad der Rezeptoren und dem Arrestin-Bindungsmodus hin. / The phosphorylation-dependent binding of arrestin to G protein-coupled receptors (GPCRs) is a widely used mechanism to inhibit active receptors. In lipid membranes, the binding of arrestin to light-activated, phosphorylated rhodopsin (pRho), a GPCR located in the disc membranes of retinal rod cells, requires the phosphorylation of 2 of the 7 phosphorylation sites in the receptor C-terminus, whereas 3 phosphates are required to completely activate arrestin. The influence of higher phosphorylation levels on the receptor/arrestin interaction is still unclear. In this thesis, a method for the quantitative determination of rhodopsin phosphorylation was established, rhodopsin species with varying degrees of phosphorylation were separated preparatively and different parameters of the receptor/arrestin interaction, such as the binding stoichiometry of the resulting pRho/arrestin complexes, were investigated for each isolated pRho species. For the characterization of arrestin binding, titrations with 3 different fluorescently labeled arrestin mutants and pRho in mixed phospholipid/detergent micelles were performed. The data obtained in this work show that the phosphorylation level of rhodopsin influences the binding stoichiometry in addition to the affinity of arrestin binding to rhodopsin. Thus, complexes with a low level of phosphorylation have a 2 : 1 (pRho : arrestin) stoichiometry, whereas 1 : 1 pRho/arrestin complexes are preferably formed at a very high degree of phosphorylation. In addition, a different elution behaviour during chromatographic separation and variances in the pRho/arrestin stoichiometry of different pRho preparations with similar overall number of phosphates indicate an additional influence of distinct phosphorylation patterns. Overall, the data indicate a complex relationship between receptor phosphorylation level and arrestin binding mode.