Die Fähigkeit dendritischer Zellen (DC) Immunität zu erzeugen und Antigen-spezifische Toleranz zu induzieren macht DC zu idealen Zielen pharmakologischer Interventionen zur Beeinflussung von Immunreaktionen. NF-kappaB Faktoren sind eine Gruppe von Transkriptionsregulatoren, die für die Entwicklung und Funktion von DC bedeutend sind. Trotz ihrer zentralen Bedeutung für die DC Biologie ist die Identität von NF-kappaB regulierten Genen in DC weitestgehend unbekannt. In der vorliegenden Studie wurde die Hemmung der NF-kappaB Aktivierung durch den IkappaBalpha Super Repressor (IkappaBalpha-SR) und die Analyse der Genexpression durch DNA Microarrays genutzt, um das Repertoire an NF-kappaB regulierten Genen in DC zu ermitteln. Mit diesem Ansatz wurden unter anderem Connexin-43 und Fascin als direkte NF-kappaB regulierte Gene identifiziert. Die Beeinflussung des NF-kappaB Signalwegs wurde als möglicher Weg zur Modifizierung von Immunantworten vorgeschlagen. Es wird vermutet, dass verschiedene immunmoduloratorische Verbindungen wie z.B. Vitamin D3 (VD3) in NF-kappaB vermittelte Immunmechanismen eingreifen. Um die Effekte von VD3 in der Aktivierung von DC zu untersuchen, wurden DNA Microarray Analysen an DC von Mäusen mit mutiertem und wildtyp Vitamin D3 Rezeptor (VDR) durchgeführt und die Beteiligung der VDR vermittelten Repression von NF-kappaB regulierten Genen wie z.B. Connexin-43 untersucht. Die so identifizierten Gene stellen potentielle Ansatzpunkte für die Entwicklung von spezifischeren entzündungshemmenden Medikamenten für die klinische Anwendung dar. / The ability of dendritic cells (DC) to initiate immunity and induce antigen-specific tolerance makes DC ideal targets for pharmacological intervention into immune responses. NF-kappaB factors are a family of transcriptional regulators important for DC development and function. However, the identity of NF-kappaB target genes that are central to DC biology is largely unknown. In the present study, inhibition of the NF-kappaB activation by the IkappaBalpha super repressor (IkappaBalpha-SR) and DNA microarray analysis were used to determine the repertoire of NF-kappaB responsive genes in DC. This approach identified, among others, connexin-43 and fascin as direct NF-kappaB regulated genes. The targeting of the NF-kappaB signalling pathway has been suggested as a useful means to modify immune responses. A number of immunomodulatory compounds, such as vitamin D3 (VD3), are believed to affect NF-kappaB mediated immune mechanisms. Microarray analysis employing vitamin D3 receptor (VDR) mutant and wild-type mice was used to survey the effects of VD3 in DC. In this study, effects of VD3 on the activation of DC are evaluated, and involvement of VDR mediated repression of NF-?B regulated genes, such as connexin-43, is surveyed. Identified genes can be potentially useful targets for the development of more specific anti-inflammatory agents for clinical applications.

In der vorliegenden Arbeit wurde das Colicin V-codierende Plasmid p1ColV5155 des aviär pathogenen E. coli-Stammes (APEC) IMT5155 (O2:K1:H5) weitestgehend sequenzanalysiert und seine virulenzassoziierten Eigenschaften untersucht. Das ~ 180 kb große p1ColV5155 weist mit EitABC, EtsABCD, Salmochelin, SitABCD und Aerobaktin fünf ABC-Transportsysteme auf, deren Bedeutung für die Aufnahme von Eisenionen für die letztgenannten zwei Systeme mit Hilfe von Cosmidklonen (GB5155cD34, GB5155cD27) in einer Enterobaktin-negativen E. coli 1017-Transformante mittels CAS-Assays nachgewiesen werden konnte. Eine signifikante regulatorische Bedeutung von Eisenionen für die Expression plasmidcodierter virulenzassoziierter Faktoren konnte durch beta-Galaktosidase-Expressionsassays in einer IMT5155-Mutante (Iln) für das Serumresistenz steigernde Protein Iss, nicht jedoch für das Temperatursensitive Hämagglutinin (Tsh) nachgewiesen werden. Eine Aktivitätssteigerung beider Promotoren wurde durch eine gute Nährstoffversorgung bei einer Wachstumstemperatur von 37 °C erreicht. Insgesamt lassen die Studienergebnisse darauf rückschließen, dass der Promotor von tsh im Gegensatz zu iss sehr viel schwächer ist und spezifischer reguliert wird. In vivo-Versuche mit einer p1ColV5155-E. coli K12-Transformante (IMTp1D01) hatte weder Morbidität noch Mortalität der infizierten 5 Wochen alten SPF-Hühner zur Folge. Verschiedene in vitro-Versuche ergaben, dass das Plasmid nicht konjugationsfähig und über Generationen sehr stabil in der E. coli K12-Transformante nachzuweisen war. Das Plasmid vermittelte der Transformante eine erhöhte Resistenz beim Wachstum in Hühnerserum sowie eine erhöhte Tenazität in Makrophagen (Maus, J774). Damit weist das ColV-Plasmid eine Reihe genetischer Eigenschaften auf, die den APEC und anderen extraintestinal pathogenen E. coli-Stämmen sowohl eine Steigerung der Fitness in der Umwelt als auch ihre Vermehrung im Blut von Mensch und Tier ermöglichen. / In this study a high molecular weight, colicin V encoding plasmid p1ColV5155 of APEC strain IMT5155 (O2:K1:H5) was nearly complete sequenced and analysed. The most prevalent virulence traits of the ~ 180 kb plasmid are serum resistance (increased serum survival protein, Iss), adhesion (temperature-sensitive hemagglutinin, Tsh) and five different ABC-transport systems (EitABC, EtsABCD, salmochelin, SitABCD and aerobactin), the latter three being acquisition systems for iron. Studies with cosmids (GB5155cD34, GB5155cD27) which possess only sequences of p1ColV5155 salmochelin and aerobactin in an enterobactin-deficient E. coli1017, confirmed their importance for iron acquisition. The importance of iron in the regulation of the assumed virulence associated genes of the ColV-plasmid was tested especially for the promoter activity of iss and tsh. Expression studies in beta-galactosidase mutated strain of IMT5155 (Iln) corroborated the importance of environmental factors including source of sugar and a temperature of 37 °C of both promoter activities. The lack of iron decreases, and growth on serum increased the promoter activity of iss. In contrast the activity of the tsh promoter was much weaker and there was no indication found for iron-depending factors which regulate the promoter in a special way. Results of in vivo assays with a p1ColV5155-transformant of E. coli K12 (IMTp1D01) in five week old SPF-chickens did not result in disease. However, the presence of p1ColV5155 in the E. coli K12-strain was solid and increased the ability of the transformant to avoid destruction by bactericidal effects of macrophages (mouse, J774) and to survive in serum in vitro. In summary the ColV-plasmid seams to increase the fitness of the APEC and other extraintestinal pathogenic E. coli. Multiple iron acquisition and a potent defending system of the host serum help to remain to the environmental and in blood of human and animals alike.

One of the central themes of biology is to understand how individual cells achieve a high fidelity in gene expression. Each cell needs to ensure accurate protein levels for its proper functioning and its capability to proliferate. Therefore, complex regulatory mechanisms have evolved in order to render the expression of each gene dependent on the expression level of (all) other genes. Regulation can occur at different stages within the framework of the central dogma of molecular biology. One very effective and relatively direct mechanism concerns the regulation of the stability of mRNAs. All organisms have evolved diverse and powerful mechanisms to achieve this. In order to better comprehend the regulation in living cells, biochemists have studied specific degradation mechanisms in detail. In addition to that, modern high-throughput techniques allow to obtain quantitative data on a global scale by parallel analysis of the decay patterns of many different mRNAs from different genes. In previous studies, the interpretation of these mRNA decay experiments relied on a simple theoretical description based on an exponential decay. However, this does not account for the complexity of the responsible mechanisms and, as a consequence, the exponential decay is often not in agreement with the experimental decay patterns. We have developed an improved and more general theory of mRNA degradation which provides a general framework of mRNA expression and allows describing specific degradation mechanisms. We have made an attempt to provide detailed models for the regulation in different organisms. In the yeast S. cerevisiae, different degradation pathways are known to compete and furthermore most of them rely on the biochemical modification of mRNA molecules. In bacteria such as E. coli, degradation proceeds primarily endonucleolytically, i.e. it is governed by the initial cleavage within the coding region. In addition, it is often coupled to the level of maturity and the size of the polysome of an mRNA. Both for S. cerevisiae and E. coli, our descriptions lead to a considerable improvement of the interpretation of experimental data. The general outcome is that the degradation of mRNA must be described by an age-dependent degradation rate, which can be interpreted as a consequence of molecular aging of mRNAs. Within our theory, we find adequate ways to address this much debated topic from a theoretical perspective. The improvements of the understanding of mRNA degradation can be readily applied to further comprehend the mRNA expression under different internal or environmental conditions such as after the induction of transcription or stress application. Also, the role of mRNA decay can be assessed in the context of translation and protein synthesis. The ultimate goal in understanding gene regulation mediated by mRNA stability will be to identify the relevance and biological function of different mechanisms. Once more quantitative data will become available, our description allows to elaborate the role of each mechanism by devising a suitable model. / Ein zentrales Ziel der modernen Biologie ist es, ein umfassendes Verständnis der Genexpression zu erlangen. Die fundamentalen Prozesse sind im zentralen Dogma der Genexpression zusammengefasst: Die genetische Information wird von DNA in Boten-RNAs (mRNA) transkribiert und im Prozess der Translation von mRNA in Proteine übersetzt. Zum Erhalt ihrer Funktionalität und der Möglichkeit von Wachstum und Fortpflanzung muss in jeder Zelle und für jedes Gen die optimale Proteinkonzentration akkurat eingestellt werden. Hierzu hat jeder Organismus detaillierte Regulationsmechanismen entwickelt. Regulation kann auf allen Stufen der Genexpression erfolgen, insbesondere liefert der Abbau der mRNA-Moleküle einen effizienten und direkten Kontrollmechanismus. Daher sind in allen Lebewesen spezifische Mechanismen - die Degradationsmechanismen - entstanden, welche aktiv den Abbau befördern. Um ein besseres Verständnis von den zugrunde liegenden Prozessen zu erlangen, untersuchen Biochemiker die Degradationsmechanismen im Detail. Gleichzeitig erlauben moderne molekularbiologische Verfahren die simultane Bestimmung der Zerfallskurven von mRNA für alle untersuchten Gene einer Zelle. Aus theoretischer Perspektive wird der Zerfall der mRNA-Menge als exponentieller Zerfall mit konstanter Rate betrachtet. Diese Betrachtung dient der Interpretation der zugrunde liegenden Experimente, berücksichtigt aber nicht die fundierten Kenntnisse über die molekularen Mechanismen der Degradation. Zudem zeigen viele experimentelle Studien ein deutliches Abweichen von einem exponentiellen Zerfall. In der vorliegenden Doktorarbeit wird daher eine erweiterte theoretische Beschreibung für die Expression von mRNA-Molekülen eingeführt. Insbesondere lag der Schwerpunkt auf einer verbesserten Beschreibung des Prozesses der Degradation. Die Genexpression kann als ein stochastischer Prozess aufgefasst werden, in dem alle Einzelprozesse auf zufällig ablaufenden chemischen Reaktionen basieren. Die Beschreibung erfolgt daher im Rahmen von Methoden der stochastischen Modellierung. Die fundamentale Annahme besteht darin, dass jedes mRNA-Molekül eine zufällige Lebenszeit hat und diese Lebenszeit für jedes Gen durch eine statistische Lebenszeitverteilung gegeben ist. Ziel ist es nun, spezifische Lebenszeitverteilungen basierend auf den molekularen Degradationsmechanismen zu finden. In dieser Arbeit wurden theoretische Modelle für die Degradation in zwei verschiedenen Organismen entwickelt. Zum einen ist bekannt, dass in eukaryotischen Zellen wie dem Hefepilz S. cerevisiae mehrere Mechanismen zum Abbau der mRNA-Moleküle in Konkurrenz zueinander stehen. Zudem ist der Abbau durch mehrere geschwindigkeitsbestimmende biochemische Schritte charakterisiert. In der vorliegenden Arbeit wurden diese Feststellungen durch ein theoretisches Modell beschrieben. Eine Markow-Kette stellte sich als sehr erfolgreich heraus, um diese Komplexität in eine mathematisch-fassbare Form abzubilden. Zum anderen wird in Kolibakterien die Degradation überwiegend durch einen initialen Schnitt in der kodierenden Sequenz der mRNA eingeleitet. Des Weiteren gibt es komplexe Wechselwirkungen mit dem Prozess der Translation. Die dafür verantwortlichen Enzyme - die Ribosomen - schützen Teile der mRNA und vermindern dadurch deren Zerfall. In der vorliegenden Arbeit wurden diese Zusammenhänge im Rahmen eines weiteren spezifischen, theoretischen Modells untersucht. Beide Mechanismen konnten an experimentellen Daten verifiziert werden. Unter anderem konnten dadurch die Interpretation der Zerfallsexperimente deutlich verbessert und fundamentale Eigenschaften der mRNA-Moleküle bestimmt werden. Ein Vorteil der statistischen Herangehensweise in dieser Arbeit liegt darin, dass theoretische Konzepte für das molekulare Altern der mRNAs entwickelt werden konnten. Mit Hilfe dieser neuentwickelten Methode konnte gezeigt werden, dass sich die Komplexität der Abbaumechanismen in einem Alterungsprozess manifestiert. Dieser kann mit der Lebenserwartung von einzelnen mRNA-Molekülen beschrieben werden. In dieser Doktorarbeit wurde eine verallgemeinerte theoretische Beschreibung des Abbaus von mRNAMolek ülen entwickelt. Die zentrale Idee basiert auf der Verknüpfung von experimentellen Zerfallsmessungen mit den biochemischen Mechanismen der Degradation. In zukünftigen experimentellen Untersuchungen können die entwickelten Verfahren angewandt werden, um eine genauere Interpretation der Befunde zu ermöglichen. Insbesondere zeigt die Arbeit auf, wie verschiedene Hypothesen über den Degradationsmechanismus anhand eines geeigneten mathematischen Modells durch quantitative Experimente verifiziert oder falsifiziert werden können.

Mammals have two orthologs, Mll and Trx2, for the Drososphila protein Trithorax (TRX), which is the founding member of the trithorax group (TrxG) of epigenetic regulators. TrxG proteins are characterized by an evolutionary conserved SET domain. A major function of all SET domain- containing proteins is to modulate gene activity, but the underlying mechanisms are poorly understood. Apparently TRX, Mll and Trx2 are histone H3 lysine 4 specific methyltransferases. So far all evidence points to roles in expression of specific target genes. However, target genes and function of the epigenetic regulator Trx2 were still unknown. Homozygous trx2 mutant embryos arrest in development because of severe and widespread defects {Glaser, 2005 #296}. Thus mouse embryonic stem (ES) cells carrying a null mutation of trx2 were used as an alternative model system to address the implication of Trx2 in differentiation. This study showed that Trx2 is redundant for ES cell self-renewal. Homozygous trx2 knockout ES cells did not exhibit cell cycle defects. However, loss of Trx2 resulted in reduced proliferation and increased apoptosis rates in trx2-/- ES cells. Due to the fact that differentiation requires an appropriate rate of population growth, trx2-/- cells were affected adversely upon in vitro differentiation. Neurogeneic differentiation of trx2 mutant cells generated fewer mature neurons than wild type cells. Moreover a temporal delay in the developmental progression to differentiation became apparent. Cardiac differentiation of trx2-/- cells confirmed the developmental defect and temporal delay. Notably differentiation of trx2-/- cells was merely delayed or impaired but it was not absent, implying that Trx2 is not required for gene expression programs specific for neurons or cardiac myocytes. We propose that differentiation of trx2-/- ES cells is impaired because apoptosis is disturbing differentiation. Apart from analyzing the phenotype of trx2 mutant cells, this work was focused on the identification of Trx2 target genes. Oligonucleotide expression arrays were used to identify genes whose expression levels were affected by the absence of Trx2. In general, loss of Trx2 function resulted in more genes with decreased than increased expression levels. This is consistent with the hypothesis that Trx2 functions as a transcriptional activator. Comparison of gene expression profiles for constitutive and conditional trx2 mutant cells enabled a distinction between direct and indirect target genes for Trx2. As a result Magoh2 was identified as the key candidate target gene for Trx2. Interaction between Trx2 and Magoh2 suggested a potential regulatory role for Trx2 in alternative splicing. Furthermore this work provided evidence that Trx2 could be involved in the maintenance of CpG island promoter gene expression, thus providing a potent regulatory mechanism for ubiquitously expressed genes.

Mammals have two orthologs, Mll and Trx2, for the Drososphila protein Trithorax (TRX), which is the founding member of the trithorax group (TrxG) of epigenetic regulators. TrxG proteins are characterized by an evolutionary conserved SET domain. A major function of all SET domain- containing proteins is to modulate gene activity, but the underlying mechanisms are poorly understood. Apparently TRX, Mll and Trx2 are histone H3 lysine 4 specific methyltransferases. So far all evidence points to roles in expression of specific target genes. However, target genes and function of the epigenetic regulator Trx2 were still unknown. Homozygous trx2 mutant embryos arrest in development because of severe and widespread defects {Glaser, 2005 #296}. Thus mouse embryonic stem (ES) cells carrying a null mutation of trx2 were used as an alternative model system to address the implication of Trx2 in differentiation. This study showed that Trx2 is redundant for ES cell self-renewal. Homozygous trx2 knockout ES cells did not exhibit cell cycle defects. However, loss of Trx2 resulted in reduced proliferation and increased apoptosis rates in trx2-/- ES cells. Due to the fact that differentiation requires an appropriate rate of population growth, trx2-/- cells were affected adversely upon in vitro differentiation. Neurogeneic differentiation of trx2 mutant cells generated fewer mature neurons than wild type cells. Moreover a temporal delay in the developmental progression to differentiation became apparent. Cardiac differentiation of trx2-/- cells confirmed the developmental defect and temporal delay. Notably differentiation of trx2-/- cells was merely delayed or impaired but it was not absent, implying that Trx2 is not required for gene expression programs specific for neurons or cardiac myocytes. We propose that differentiation of trx2-/- ES cells is impaired because apoptosis is disturbing differentiation. Apart from analyzing the phenotype of trx2 mutant cells, this work was focused on the identification of Trx2 target genes. Oligonucleotide expression arrays were used to identify genes whose expression levels were affected by the absence of Trx2. In general, loss of Trx2 function resulted in more genes with decreased than increased expression levels. This is consistent with the hypothesis that Trx2 functions as a transcriptional activator. Comparison of gene expression profiles for constitutive and conditional trx2 mutant cells enabled a distinction between direct and indirect target genes for Trx2. As a result Magoh2 was identified as the key candidate target gene for Trx2. Interaction between Trx2 and Magoh2 suggested a potential regulatory role for Trx2 in alternative splicing. Furthermore this work provided evidence that Trx2 could be involved in the maintenance of CpG island promoter gene expression, thus providing a potent regulatory mechanism for ubiquitously expressed genes.

Die physische Nähe zwischen Genpromotoren und regulatorischen Elementen (Enhancer) spielt eine entscheidene Rolle in der Genexpression, um präzise räumliche und zeitliche Genexpressionmuster während der Embryogenese zu erzeugen. Abhängig von der Aktivität der Zielgene lassen sich zwei Typen von Interaktionen unterscheiden. Zum einen führen dynamische Enhancer-Promoter Interaktionen unmittelbar zur Genexpression, wohingegen in anderen Fällen stabile Interaktionen bereits vor der Genexpression existieren. In der vorliegenden Studie wurde die Rolle der stabilen Interaktion zwischen dem Shh Gen und dem Extremitätenenhancer, der ZRS, während der Embryonalentwicklung in der Maus untersucht. Der Verlust der konstitutiven Transkription, die den ZRS Enhancer abdeckt, führte zu einer Verschiebung innerhalb der Shh-ZRS Kontakte und einer moderaten Reduzierung der Shh Genexpression. Im Gegensatz dazu führte die Mutation von CTCF Bindungsstellen, die den ZRS Enhancer umgeben, zu einem Verlust der stabilen Shh-ZRS Interaktion und einem 50%igen Rückgang in der Shh Genexpression. Dieser Expressionsverlust hatte jedoch keine phänotypischen Auswirkungen in den Deletionsmutanten, was darauf hindeutet, dass die restliche Genaktivität und Enhancer-Promotor-Interaktion über einen zusätzlichen, CTCF-unabhängigen Mechanismus erfolgt. Erst die kombinierte Deletion von CTCF-Bindungsmotiven und einem hypomorphen ZRS-Allel führte zu einem fast vollständigen Expressionsverlust von Shh und damit zu einem schweren Funktionsverlust und Gliedmaßen-Agenesie. Die hier präsentierten Ergebnisse zeigen, dass die stabile Chromatinstruktur am Shh Locus von mehreren Komponenten getragen wird und die physicalische Interaktion zwischen Enhancern und Promotern für eine robuste Transkription während der Embryonalentwicklung benötigt werden. / Long-range gene regulation involves physical proximity between enhancers and promoters to generate precise patterns of gene expression in space and time. However, in some cases proximity coincides with gene activation, whereas in others preformed topologies already exist before activation. In this study, we investigate the preformed configuration underlying the regulation of the Shh gene by its unique limb enhancer, the ZRS, in vivo during mouse development. Abrogating the constitutive transcription covering the ZRS region led to a shift within the Shh-ZRS contacts and a moderate reduction in Shh transcription. Deletion of the CTCF binding sites around the ZRS resulted in a loss of the Shh-ZRS preformed interaction and a 50% decrease in Shh expression but no phenotype, suggesting an additional, CTCF-independent mechanism of promoter-enhancer communication. This residual activity, however, was diminished by combining the loss of CTCF binding with a hypomorphic ZRS allele resulting in severe Shh loss-of-function and digit agenesis. Our results indicate that the preformed chromatin structure of the Shh locus is sustained by multiple components and acts to reinforce enhancer-promoter communication for robust transcription.

Einzelzell-Omics-Daten stehen derzeit im Fokus der Entwicklung computergestützter Methoden in der Molekularbiologie und Genetik. Einzelzellexperimenten lieferen dünnbesetzte, hochdimensionale Daten über zehntausende Gene oder hunderttausende regulatorische Regionen in zehntausenden Zellen. Diese Daten bieten den Forschenden die Möglichkeit, Gene und regulatorische Regionen zu identifizieren, welche die Bestimmung und Aufrechterhaltung der Zellidentität koordinieren. Die gängigste Strategie zur Identifizierung von Zellidentitätsmarkern besteht darin, die Zellen zu clustern und dann Merkmale zu finden, welche die Cluster unterscheiden, wobei davon ausgegangen wird, dass die Zellen innerhalb eines Clusters die gleiche Identität haben. Diese Annahme ist jedoch nicht immer zutreffend, insbesondere nicht für Entwicklungsdaten bei denen sich die Zellen in einem Kontinuum befinden und die Definition von Clustergrenzen biologisch gesehen potenziell willkürlich ist. Daher befasst sich diese Dissertation mit Clustering-unabhängigen Strategien zur Identifizierung von Markern aus Einzelzell-Omics-Daten. Der wichtigste Beitrag dieser Dissertation ist SEMITONES, eine auf linearer Regression basierende Methode zur Identifizierung von Markern. SEMITONES identifiziert (Gruppen von) Markern aus verschiedenen Arten von Einzelzell-Omics-Daten, identifiziert neue Marker und übertrifft bestehende Marker-Identifizierungsansätze. Außerdem ermöglicht die Identifizierung von regulatorischen Markerregionen durch SEMITONES neue Hypothesen über die Regulierung der Genexpression während dem Erwerb der Zellidentität. Schließlich beschreibt die Dissertation einen Ansatz zur Identifizierung neuer Markergene für sehr ähnliche, dennoch underschiedliche neurale Vorlauferzellen im zentralen Nervensystem von Drosphila melanogaster. Ingesamt zeigt die Dissertation, wie Cluster-unabhängige Ansätze zur Aufklärung bisher uncharakterisierter biologischer Phänome aus Einzelzell-Omics-Daten beitragen. / Single-cell omics approaches are the current frontier of computational method development in molecular biology and genetics. A single single-cell experiment provides sparse, high-dimensional data on tens of thousands of genes or hundreds of thousands of regulatory regions (i.e. features) in tens of thousands of cells (i.e. samples). This data provides researchers with an unprecedented opportunity to identify those genes and regulatory regions that determine and coordinate cell identity acquisition and maintenance. The most common strategy for identifying cell identity markers consists of clustering the cells and then identifying differential features between these clusters, assuming that cells within a cluster share the same identity. This assumption is, however, not guaranteed to hold, particularly for developmental data where cells lie along a continuum and inferring cluster boundaries becomes non-trivial and potentially biologically arbitrary. In response, this thesis presents clustering-independent strategies for marker feature identification from single-cell omics data. The primary contribution of this thesis is a linear regression-based method for marker feature identification from single-cell omics data called SEMITONES. SEMITONES can identify markers or marker sets from diverse single-cell omics data types, identifies novel markers, outperforms existing marker identification approaches. The thesis also describes how the identification of marker regulatory regions by SEMITONES enables the generation of novel hypotheses regarding gene regulation during cell identity acquisition. Lastly, the thesis describes the clustering-independent identification of novel marker genes for highly similar yet distinct neural progenitor cells in the Drosophila melanogaster central nervous system. Altogether, the thesis demonstrates how clustering-independent approaches aid the elucidation of yet uncharacterised biological patterns from single cell-omics data.

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Genregulation beeinflusst Phänotypen im Kontext von Gesundheit und Krankheit. In Krebszellen regulieren genetische und epigenetische Faktoren die Genexpression in cis. Das Neuroblastom ist eine Krebserkrankung, die häufig im Kindesalter auftritt. Es ist gekennzeichnet durch eine geringe Anzahl exonischer Mutationen und durch häufige Veränderungen der somatischen Kopienzahl, einschließlich Genamplifikationen auf extrachromosomaler zirkulärer DNA. Bisher ist wenig darüber bekannt, wie lokale genetische und epigenetische Faktoren Gene im Neuroblastom regulieren. In dieser Arbeit kombiniere ich die allelspezifische Analyse ganzer Genome (WGS), Transkriptome und zirkulärer DNA von Neuroblastom-Patienten, um genetische und cis-regulatorische Effekte zu charakterisieren. Ich zeige, dass somatische Dosis-Effekte der Kopienzahl andere lokale genetische Effekte dominieren und wichtige Signalwege regulieren. Genamplifikationen zeigen starke Dosis-Effekte und befinden sich häufig auf großen extrachromosomalen zirkulären DNAs. Die vorgestellte Analyse zeigt, dass der Verlust von 11q zu einer Hochregulation von Histonvarianten H3.3 und H2A in Tumoren mit alternativer Verlängerung der Telomere (ALT) führt, und dass erhöhte somatische Kopienzahl die Expression der TERT Gens verstärken können. Weitere Erkenntnisse sind, dass 17p-Ungleichgewichte und die damit verbundene Herunterregulierung neuronaler Gene sowie die Hochregulierung des genomisch geprägten Gens RTL1 durch Kopienzahl-unabhängige allelische Dosis-Effekte mit einer ungünstigen Prognose verbunden sind. Die cis-QTL-Analyse bestätigt eine zuvor beschriebene Regulation des LMO1 Gens durch einen Enhancer-Polymorphismus und charakterisiert das regulatorische Potenzial weiterer GWAS-Risiko-Loci. Die Arbeit unterstreicht die Bedeutung von Dosis-Effekten im Neuroblastom und liefert eine detaillierte Übersicht regulatorischer Varianten, die in dieser Krankheit aktiv sind. / Gene regulation controls phenotypes in health and disease. In cancer, the interplay between germline variation, genetic aberrations and epigenetic factors modulate gene expression in cis. The childhood cancer neuroblastoma originates from progenitor cells of the sympathetic nervous system. It is characterized by a sparsity of recurrent exonic mutations but frequent somatic copy-number alterations, including gene amplifications on extrachromosomal circular DNA. So far, little is known on how local genetic and epigenetic factors regulate genes in neuroblastoma to establish disease phenotypes. I here combine allele-specific analysis of whole genomes, transcriptomes and circular DNA from neuroblastoma patients to characterize genetic and cis-regulatory effects, and prioritize germline regulatory variants by cis-QTLs mapping and chromatin profiles. The results show that somatic copy-number dosage dominates local genetic effects and regulates pathways involved in telomere maintenance, genomic stability and neuronal processes. Gene amplifications show strong dosage effects and are frequently located on large but not small extrachromosomal circular DNAs. My analysis implicates 11q loss in the upregulation of histone variants H3.3 and H2A in tumors with alternative lengthening of telomeres and cooperative effects of somatic rearrangements and somatic copy-number gains in the upregulation of TERT. Both 17p copy-number imbalances and associated downregulation of neuronal genes as well as upregulation of the imprinted gene RTL1 by copy-number-independent allelic dosage effects is associated with an unfavorable prognosis. cis-QTL analysis confirms the previously reported regulation of the LMO1 gene by a super-enhancer risk polymorphism and characterizes the regulatory potential of additional GWAS risk loci. My work highlights the importance of dosage effects in neuroblastoma and provides a detailed map of regulatory variation active in this disease.