Adult bone marrow contains a population of mesenchymal stem cells capable to self-renew and to differentiate into haematopoietic-supportive stroma, osteo, adipo- and chondrocytes. However, the identity of mesenchymal stem cells still remains uncertain. The complex population of their descendants, bone marrow mesenchymal stromal cells (BM MSCs), represents a model to study the principles of differentiation and commitment into mesodermal lineages. The experiments using BM MSCs are often hampered by their low proliferative capacity in vitro. In the present study, we established conditionally immortalized BM MSCs from tetracycline-regulated SV40 Large T-antigen transgenic mice. The identity of the conditionally immortalized BM MSCs was confirmed by marker expression, ability to support haematopoiesis and differentiation potential. The advantages of the conditional immortalization are encompassed in (1) indefinite expansion of cell populations, (2) possibility to perform cellular cloning and (3) prevention from spontaneous differentiation. We demonstrated the heterogeneity of BM MSCs and identified at least 6 types of progenitors within BM MSCs population based on their differentiation potential (“OAC”, “OA”, “OC”, “AC”, “O”, “A”). A hypothetical model of BM MSC hierarchy and the relationships between the progenitors has been proposed. We observed that the Wnt/β-catenin signaling pathway and GSK3 activity could modulate the efficiency of osteo- and adipogenic differentiation pathways, but we didn’t find evidence that the lineage commitment of BM MSCs is determined by Wnt. We elucidated the mechanism of transcriptional regulation of the adipogenic induction of BM MSCs in vitro. Our data revealed the key regulatory role of PPARγ1 during adipogenesis in BM MSCs. Furthermore, we assume that PPARγ1 is a potential trigger of the adipogenic commitment of the BM MSCs progenitors. Finally, the non-adipogenic BM MSCs progenitors were converted into the adipogenic lineage using ectopical expression of the transcription factors C/EBPα, C/EBPβ and C/EBPδ. Our findings provide a novel insight into the molecular mechanisms of BM MSCs lineage commitment.

In wissenschaftlichen wie auch in öffentlichen Kreisen wird kontrovers diskutiert, ob durch die Aufnahme von hormonell aktiven Substanzen aus Nahrungs‐ oder Nahrungsergänzungsmitteln mit positiven oder negativen Einflüssen auf die menschliche Gesundheit und Lebensqualität zu rechnen ist. Das Interesse an solchen Substanzen ist in den letzten Jahren permanent gewachsen, und der Markt erhielt einen zusätzlichen Zulauf, als Studien zeigten, dass die klassische Hormonersatztherapie für postmenopausale Frauen aus Östrogen‐Progestagen‐Kombinationen mit einem erhöhten Risiko für hormonabhängige Krebsarten wie Brust‐ oder Endometriumskarzinomen verbunden ist. Demgegenüber implizieren epidemiologische Beobachtungen aus ostasiatischen Ländern, dass die Aufnahme sojareicher Nahrung mit einer verringerten Inzidenz für diese hormonabhängigen Krebsarten korreliert zu sein scheint. Stofflich betrachtet stehen in diesem Zusammenhang Isoflavone wie Genistein und Daidzein, die in großen Mengen z. B. in Sojabohnen vorkommen, im Fokus des wissenschaftlichen Interesses. Eine Vielzahl von in vitro und in vivo Studien ergab für Isoflavone ein heterogenes Wirkspektrum. Neben hormonellen Wirkungen wie schwach östrogenen bzw. antiöstrogenen Eigenschaften, sind ebenfalls eine Reihe nicht‐hormoneller Wirkungen, wie beispielsweise antioxidative Eigenschaften oder die Fähigkeit zur Hemmung von Tyrosinkinasen, beschrieben. Trotz der hohen Anzahl an Studien zu Isoflavonen ist immer noch unklar wie valide die Beobachtungen beim Menschen sind, da ihre Langzeitwirkungen experimentell kaum untersucht sind. Daher war es das Ziel dieser Arbeit, zur Aufklärung der Langzeitwirkung von Isoflavonen als Nahrungsbestandteile und damit zum Verständnis ihrer Wirkmechanismen beizutragen, um anschließend mit den erzielten Resultaten die Risikobewertung dieser Substanzklasse zu optimieren. Zu diesem Zweck wurden in einem generationsübergreifenden Fütterungsexperiment die Einflüsse eines sojabasierten Futters mit denen eines, mit isoliertem Genistein supplementierten, Futters verglichen und anschließend denen eines phytoöstrogenfreien Futters gegenüber gestellt. Sowohl in juvenilen als auch adulten Ratten wurden die gewebespezifischen, physiologischen und molekularen Antworten des Uterus evaluiert. In einer zusätzlichen Studie sollte zudem geklärt werden, inwieweit Gestagene die genistein‐ bzw. östrogenregulierten Prozesse im Uterus adulter ovariektomierter Ratten zu modulieren vermögen. Anhand etablierter molekularbiologischer Methoden zur Gen‐ (qPCR) und Proteinexpression (Western Blot), aber auch durch neu zu etablierende immunohistochemische Analysen wurden diverse physiologische (z. B. Körpergewicht, Futteraufnahme, spezifische Organgewichte) und molekulare Marker (z. B. uterine Markergene für Östrogenität oder Proliferation) analysiert und untereinander verglichen. Bei der Betrachtung der Ergebnisse wird deutlich, dass die lebenslange, kontinuierliche Isoflavonexposition der Mütter während fetaler und pränataler Entwicklungsphasen unterschiedliche gewebespezifische Effekte in juvenilen und adulten Weibchen der Tochtergeneration auslöst. Während auf der einen Seite die bereits in utero begonnene Exposition mit Genistein in juvenilen Tieren in einer relativ starken Uterotrophie sowie östrogenen Effekten hinsichtlich der Expressionsmuster einiger Markergene resultiert, zeigt Genistein in den gleichen Tieren andererseits auch Eigenschaften die als antiproliferativ und antiöstrogen zu bewerten sind. Interessanterweise sind diese Effekte im adulten Organismus anschließend nicht mehr nachweisbar. Des Weiteren zeigen unsere Untersuchungen, dass die Östrogenresponsivität des juvenilen Uterus nicht durch diätetische Isoflavone modifiziert wird. Genistein wirkt in diesen Tieren als Östrogenrezeptor β Partialagonist, wobei das antiproliferative sowie antiöstrogene Potenzial erst in hohen Konzentrationen erkennbar wird. Im Gegensatz zum juvenilen zeigt sich im adulten Uterus eine erheblich gesteigerte Östrogenresponsivität infolge der lebenslangen, kontinuierlichen und bereits in utero begonnenen Isoflavon‐ bzw. Genisteinexposition. Diese Tiere reagieren mit dramatisch erhöhten Uterusfeuchtgewichten auf Östrogenrezeptor α vermittelte östrogene Stimuli. Bemerkenswerterweise sind diese stark erhöhten Uterusfeuchtgewichte jedoch nicht auf vermehrte Proliferation, sondern auf eine gesteigerte Einlagerung von Luminalflüssigkeit zurückzuführen. Analysen zur Genexpression von Aquaporinen deuten zwar auf östrogenabhängige Mechanismen hin, jedoch konnte kein direkter Bezug zur chronischen Isoflavon‐ bzw. Genisteinexposition nachgewiesen werden. Wie schon in den Untersuchungen am juvenilen Uterus beobachtet, vermittelt Genistein auch im adulten Uterus seine molekularen Wirkungen als tendenzieller Östrogenrezeptor β‐selektiver Partialagonist. Unsere Analysen der Expression spezifischer uteriner Markergene legen darüber hinaus die Vermutung nahe, dass Genistein seine molekularen Wirkungen präferenziell über den klassischen ERE‐abhängigen Signalweg vermittelt, da durch Genistein besonders Gene reguliert werden, die diese Transkriptionsfaktor Bindungsstellen in der Promotorregion besitzen. Die Rolle von Gestagenen bei genisteinregulierten Prozessen im Uterus ist nicht ganz klar. Während unsere Ergebnisse zeigen, dass Progesteron in einem kurzfristigen dreitägigen experimentellen Design, unabhängig von der Ab‐ bzw. Anwesenheit von 17β‐Östradiol, kaum einen Einfluss auf genisteinregulierte Prozesse hat, legen die Ergebnisse unserer längerfristigen Experimente hingegen die Vermutung nahe, dass Gestagene die chronischen Effekte von Isoflavonen modulieren können. Schlussfolgernd kann anhand unserer Studien festgehalten werden, dass die molekularen Wirkungen von Genistein stark von Faktoren wie der Expositionsdauer, der Expositionskonzentration sowie dem Alter des Organismus abhängen. Unsere Daten zeigen eindeutig, dass eine traditionelle sojabasierte ostasiatische Diät in keiner Weise mit einer, durch isolierte Isoflavone supplementierten, westlichen Diät gleichzusetzen ist. Des Weiteren konnten wir im Rahmen dieser Arbeit zeigen, dass die Exposition mit diätetischen Isoflavonen während der Embryogenese einen lebenslangen Einfluss auf die Nachkommen hat, indem die östrogenresponsivität dieser Individuen massiv beeinflusst wird.

Das Tumormikromilieu beeinflusst maßgeblich Tumorwachstum und -progression sowie das Ansprechen von Tumorzellen auf Strahlen- und Chemotherapie. Weiterhin ist bekannt, dass Wachstumsfaktoren, Sauerstoffgehalt und extrazelluläre Matrix (EZM) als Resistenzfaktoren das Zellüberleben nach Exposition mit ionisierender Strahlung oder zytotoxischen Substanzen bestimmen. Weitere zelluläre Parameter, wie Zellmorphologie, Zytoskelettarchitektur und Chromatinkondensation, werden ebenfalls in Abhängigkeit der Wachstumsbedingungen moduliert, wie vergleichende Untersuchungen an physiologischeren drei- (3D) mit herkömmlichen zwei-dimensionalen (2D) Zellkulturen zeigen. Veränderungen der Chromatindichte beeinflussen zudem die Genexpression, wodurch wichtige zelluläre Prozesse, wie Überleben, Proliferation und Differenzierung der Zellen, reguliert werden. Außerdem ist die Chromatinkondensation für eine effektive Reparatur strahleninduzierter DNA-Schäden, wie DNA-Doppelstrangbrüche (DSB), von großer Bedeutung. Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand darin, die zelluläre Strahlenempfindlichkeit unter Berücksichtigung der Chromatinkondensation in humanen Bronchial- (A549) und Plattenepithelkarzinomzellen (UTSCC-15) in Abhängigkeit der Wachstumsbedingungen zu analysieren. Da die molekularen Mechanismen der Wechselwirkung zwischen Chromatindichte und Reparatur strahleninduzierter DSB bis heute unklar sind, war die Untersuchung dieser Zusammenhänge unter 2D, 3D und in vivo Wachstumsbedingungen von besonderem Interesse. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass das Zellwachstum in einer physiologischen 3D Matrix im Vergleich zur herkömmlichen 2D Zellkultur zu einer geringeren Anzahl an strahleninduzierten residuellen DSB (rDSB) und letalen Chromosomenaberrationen führen kann, was wiederum für ein verbessertes Zellüberleben nach Bestrahlung verantwortlich sein könnte. Des Weiteren konnte in 3D im Zusammenhang mit einer höheren Chromatinkondensierung eine Erhöhung der zellulären Strahlenresistenz gezeigt werden. Auf molekularer Ebene zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit außerdem, dass eine siRNA-vermittelte Hemmung chromatinmodifizierender Histondeacetylasen (HDAC 1, 2 und 4) zu keiner Strahlensensibilisierung führt, während durch die Behandlung mit dem pharmakologischen HDAC-Inhibitor Panobinostat (LBH589) neben der Chromatindekondensierung auch eine erhöhte Strahlenempfindlichkeit der Zellen erreicht werden konnte. In Abhängigkeit der untersuchten Wachstumsbedingungen konnten Unterschiede in der Verteilung strahleninduzierter DSB zwischen hetero- und euchromatischen DNA-Bereichen nachgewiesen werden. Interessanterweise nimmt in 2D dosisabhängig der prozentuale Anteil der Heterochromatin (HC)-assoziierten Foci ab, wohingegen in 3D und im Xenografttumormodell dosisunabhängig etwa die Hälfte der Foci mit heterochromatischen DNA-Bereichen assoziiert sind. Diese Daten zeigen, dass Tumorzellen in 3D und in vivo in Abhängigkeit der veränderten Zellmorphologie und Chromatinkondensierung deutlich mehr HC-assoziierte rDSB besitzen als in 2D, was die Hypothese einer beeinträchtigten Reparatur im HC unterstützt. Dennoch zeigt die Korrelation zwischen der deutlich geringeren rDSB Gesamtanzahl und dem erhöhtem Zellüberleben in 3D, dass neben dem Anteil an kondensiertem Chromatin auch die Gesamtanzahl rDSB ein wichtiger Einflussfaktor der zellulären Strahlenempfindlichkeit zu sein scheint. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern somit wichtige Erklärungsansätze für einen direkten Zusammenhang zwischen Zellmorphologie, Chromatinkondensation und zellulärer Strahlenempfindlichkeit. Des Weiteren unterstreichen diese Untersuchungen das verwendete 3D Zellkulturmodell als Annäherung an die in vivo Situation. Damit sind diese Daten von großer Relevanz für ein besseres Verständnis der zellulären Strahlenempfindlichkeit auf molekularer Ebene und können entscheidend dazu beitragen die Behandlung von Tumorerkrankungen sowie die Heilungschancen der Patienten zu verbessern.

Hedgehog (Hh) shape up development by playing important role in signaling, and thereby controlling growth and pattern formation. It is for this reason that their spatial distribution is tightly regulated. The 19kDa active form of Hh is modified with a palmitate at its N-terminal and with cholesterol at its C-terminal. This dually lipid modified form of Hh act as a morphogen, and is also referred to as HhNp (Mann and Beachy, 2004). In most cases, they are released from producing cells and spread into adjacent non-expressing cells within the tissue, where it activates target gene expression in a concentration-dependent manner. In Drosophila, Lipophorin (Lpp) particles carry these lipid-modified forms of Hh and play a role in long range signaling in the developing wing disc. Further, these particles circulate throughout the larvae in the hemolymph to distribute nutrients mostly in the form of lipids to different tissues of the animal. Thus, Lpp plays important role in metabolism and development. Hh as a morphogen plays a very important role in development and patterning of embryo and imaginal discs in Drosophila. We wanted to understand the role of Hh in overall development of Drosophila. In my thesis work, I discovered a new form of Hh that is systemically circulating in the 3rd instar larva of Drosophila. I show that imaginal tissues do not produce this form of circulating Hh. Our experiments strongly suggest that systemic Hh can travel from one tissue to another, a feature that was previously unknown. I also show that it could rescue the growth of the imaginal disc, implying its ability to influence cell proliferation. Since the concentration of systemic Hh is low it fails to up regulate the target genes. I characterized fat body as a target of systemically circulating Hh. I clearly demonstrate that fat body transcribes most of the components of Hh signaling pathway except Hh. Further, Hh accumulates in the fat body during late 3rd instar larvae. That makes the fat body an ideal target of systemic Hh. This could shed light in understanding the role of Hh in overall development of Drosophila melanogaster that includes tissue-based interaction.

Humans can, if they survived a cardiac injury such as heart infarction, heal this cardiac injury only by scarring and with minimal regeneration of some cardiac cells. Zebrafish, however, can fully regenerate cardiac tissue after surgical resection of up to 20% of the ventricle. Regenerating tissue includes cells of the three cardiac layers, i.e. myocardium, epicardium and endocardium. Thus, zebrafish, with its ability to regenerate damaged heart and as a model enabling genetic manipulations, provides the possibility to study cellular and molecular mechanisms of heart regeneration. Understanding these mechanisms may help develop new therapeutic approaches to improve the situation after a heart injury in humans. Since molecular mechanisms regulating heart regeneration are so far largely unknown, I aimed to identify and analyze molecular signals that are important for cardiac regeneration in zebrafish. Molecular signals that are crucial during heart development have been suggested to be reactivated during cardiac regeneration. Since Wnt/β-catenin signaling is crucial for vertebrate heart development, it is likely to be important for zebrafish cardiac regeneration as well. First, I focused on the functional role of Wnt/β-catenin signaling in cardiac regeneration mainly by using transgenic fish lines that allow inducible activation or inhibition of the pathway. By using in situ hybridization and expression profiling, I tested whether endogenous Wnt/β-catenin target genes are detectable in regenerating hearts and screened for activity of the β-catenin responsive reporter in TOPdGFP transgenic fish (Tg(TOP:GFP)w25) after ventricular resection. I could not identify endogenous Wnt/β-catenin targets during the early phase of regeneration up to 7 days post amputation (dpa) using oligoexpression microarrays or in situ hybridization. An injury specific activation of the β-catenin responsive TOPdGFP reporter was not detectable either, suggesting that Wnt/β-catenin signaling is not active during this early phase of regeneration. The manipulation of Wnt/β-catenin signaling using transgenic fish lines did not influence cell proliferation or the overall extent of zebrafish heart regeneration. These results suggested that Wnt/β-catenin signaling has no functional role during entire zebrafish heart regeneration. Second, I found the transcription factor Sox9a to be upregulated after ventricular resection during the early phase of heart regeneration. Using transgenic reporter fish lines, I detected Sox9a expression in cardiomyocytes and endothelial cells, part of which were proliferative. Furthermore Sox9a was expressed in some cells of the epicardial layer that activated the expression of developmental genes in the entire heart in response to injury. These results indicated that Sox9a is expressed in cells that were actively involved in the regenerative response. To gain insight into the functional role of Sox9a, I generated a transgenic fish line where a repressor construct is inducibly expressed, which then interferes with Sox9a target gene transcription. I detected a significant reduction in myocardial and endothelial regeneration after induction of the repressor. These results suggested that Sox9a function is important for regeneration of endothelial and myocardial cells after heart injury. Third, using oligoexpression microarrays, I performed systematic gene expression profiling of the zebrafish heart regeneration within the first 2 weeks following amputation. I found that known genes, which have previously been shown to be strongly expressed during heart regeneration, as well as novel genes were upregulated after ventricular resection. Some of these genes have been implicated in vertebrate heart development, supporting the idea that cardiac developmental genes are reactivated during heart regeneration. Hence, these results reveal a good starting point for further analysis of the cellular and molecular events occurring within the first days after cardiac injury. Finally, I developed a cryoinjury method that more closely resembled the injured tissue after human heart infarction. I induced tissue death by exposing the ventricle to dry ice and detected that the zebrafish heart can regenerate upon this cardiac injury similarly as in response to a ventricular resection injury. After cryoinjury, the entire epicardium activated the expression of developmental genes and started to proliferate. I detected also proliferating cardiomyocytes, indicating that similar cellular mechanisms are induced in the epicardium and the myocardium after cryoinjury and ventricular resection. Furthermore, activation of Sox9 expression early after cryoinjury suggested that molecular mechanisms of regeneration are also similar in both injury methods. Thus, cryoinjury provides a useful tool for future studies of zebrafish heart regeneration with more relevance to human cardiac infarction. I discuss all results with reference to vertebrate heart development and to the response after mammalian heart infarction. Furthermore, the results were put into the context of cellular mechanisms that are present in the process of zebrafish heart regeneration.

Die Anzahl neurodegenerativer Erkrankungen nimmt in unserer Gesellschaft stetig zu. Obwohl inzwischen eine Reihe genetischer Ursachen identifiziert worden sind, wird auch der Einfluss von Umweltfaktoren bei der Pathogenese dieser Erkrankungen zunehmend in Betracht gezogen. Der Beitrag von ultrafeinen Partikeln aus Industrie und Umwelt auf neurodegenerative Erkrankungen steht daher zunehmend im Fokus der Forschung. Die Translokation von ultrafeinen Partikeln bzw. Nanopartikeln ins Gehirn ist bekannt. Die Charakterisierung neuro- und gliotoxischer Wirkungen von Nanopartikeln in einem in vitro System war deshalb Ziel dieser Arbeit. Untersucht wurden Wolframcarbid-Partikel mit und ohne Cobalt, die im Herstellungsprozess von Hartmetallen von Bedeutung sind. Die meisten toxikologischen Daten wurden bisher mit mikrokristallinen WC-Pulvern an Lungenzellen bzw. -gewebe erhoben. Da aber die Verarbeitung von nanoskaligen Partikeln bessere Eigenschaften der Hartmetalle bewirkt, nimmt das Interesse an toxikologischen Studien mit WC-Nanopartikeln zu. Da die Gefahr der Translokation und Akkumulation im Gehirn beim Einatmen von Stäuben am Arbeitsplatz besteht, wurde erstmalig die Toxizität von WC-NP mit und ohne Cobalt auf Zellen des Gehirns untersucht. Für die Durchführung wurden primäre Neuronen, Astrozyten und Mikroglia sowie die Oligodendrozyten-vorläuferzelllinie OLN-93 der Ratte eingesetzt. Alle untersuchten Partikel konnten mittels Elektronenmikroskopie, ICP-Massenspektrometrie und Durchflusszytometrie in den verschiedenen Zelltypen nachgewiesen werden. Untersuchungen mit Cytochalasin D (Inhibitor der Aktinpolymerisation) deuteten auf zell- und partikelspezifische Aufnahmemechanismen hin. Experimente mit Cobaltchlorid und Natriumwolframat konnten beweisen, dass nicht die gelösten Ionen für die Toxizität von WC-Co ursächlich waren, sondern die Partikelform von entscheidender Bedeutung ist. Es zeigte sich jedoch, dass einige der WC-Co verursachten Effekte vermutlich auf dem Cobaltanteil beruhen. Offensichtlich dienen WC-Co-NP als Vehikel, um Cobalt in die Zellen einzuschleusen. Zur toxischen Wirkung trägt auch das Reaktionsvermögen von WC und Cobalt an der beiderseitigen Grenzfläche bei, denn dadurch können in der Zelle vermehrt reaktive Sauerstoffspezies gebildet werden. Im Rahmen der Untersuchungen wurden die zeit- und konzentrationsabhängigen Effekte der Nanopartikelexposition auf die Vitalität, die Proliferation, das Adhäsionsverhalten, das mitochondriale Membranpotential und die Induktion apoptotischer und nekrotischer Zelluntergänge untersucht. Dabei wurden verschiedene Vitalitäts- und Proliferationstests angewendet, um die häufig beobachteten Wechselwirkungen zwischen Reagenzien und Nanopartikeln auszuschließen. Nicht alle untersuchten Nanopartikel erwiesen sich in den durchgeführten Experimenten als akut toxisch. Nur eine Exposition mit WC-Co-NP führte nach 72 h zu einer deutlich verringerten Vitalität und Proliferation bei Astrozyten und OLN-93 Zellen. Eine Exposition mit WC-Co-NP zeigte des Weiteren eine geringe Induktion von Apoptose und Nekrose bei Astrozyten, nicht aber bei OLN-93 Zellen. Neurone wiesen nach einer Exposition mit NP eine wenig verringerte Vitalität auf. Es wurde festgestellt, dass erst die primäre Schädigung von Astrozyten zu einer sekundären Neuronenschädigung führt. Bei der Bewertung der NP-Toxizität müssen daher unbedingt die Wechselwirkungen der Zellen bedacht werden. Die Exposition mit WC- und WC-Co-NP beeinflusste das mitochondriale Membranpotential und das Adhäsionsverhalten der untersuchten Zellen. Neuronen und OLN-93 Zellen zeigten nach NP-Exposition eine verminderte Adhäsion. Auch physiologische Kalziummessungen lieferten einen Hinweis für die veränderte Funktionalität glialer Zellen nach einer NP-Exposition. Des Weiteren wurde die Expression einiger Gene, bedeutend für Adhäsion und extrazelluläre Matrix, mit realtime RT-PCR bei OLN-93-Zellen und Astrozyten überprüft. Es konnte eine Regulation von Mmp9, Timp1, Lama3, Tgfbi, Col8a1 und Hmox1 gezeigt werden. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die ausgewählten Nanopartikel nicht per se neuro- und gliotoxisch wirkten. Die Partikel können anhand abnehmender Toxizität wie folgt geordnet werden: WC-Co > WC 100na > WC 10n. Auch die Reaktionen der Zellen fielen unterschiedlich aus: die Astrozyten erwiesen sich als die sensitivsten Zellen. Eine Exposition des Gehirns mit WC-Co-NP in hohen Konzentrationen oder über einen längeren Zeitraum könnte also weit reichende Folgen haben, angefangen bei einer gestörten Signalweiterleitung über eine erhöhte Permeabilität der Blut-Hirn-Schranke bis hin zu neurodegenerativen Veränderungen. Diese und weitere Untersuchungen könnten bei der Erstellung von Arbeitsrichtlinien im Umgang mit Hartmetallen, deren Ausgangsmaterial nanoskalige Pulver sind, hilfreich sein und damit einen Beitrag zum Schutz der Arbeiter liefern.

The solvent-solute interface of a biomolecule is a dynamic but yet highly structured domain that links a chemically diverse solute surface to the chemically homogeneous bulk aqueous phase. The role of the resulting intermediate domain, i.e. the "hydration shell", in regulating DNA structure and recognition has been addressed here by time-resolved infrared spectroscopy. A highly reproducible automated hydration pulse regime was established and implemented for attenuated total reflectance (ATR) Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy to monitor the structural response of DNA to an incremental growth of its hydration shell on its intrinsic time scale of seconds. The transition from the crystallographically defined BI to the BII substate of B-DNA was found to be driven by the increase of water disorder upon growth of the hydration shell, derived from the water OH-stretching absorption frequency and band width changes. 2D correlation analysis was used to identify different water clusters from the temporal behaviour of their water OH stretching frequencies. The results show that BII-stabilizing structural constraints are exerted by strong water-DNA H-bonds in the grooves of B-DNA and are relieved when the groove-bound water merges into a contiguous hydration shell with the less H-bonded PO2- -solvation sphere at ~14 water molecules per DNA phosphate. The H-bond imbalance at the disjunct hydration sites is split symmetrically around the average H-bond strength of bulk water. Thus, merging into a contiguous hydration shell proceeds at little enthalpic cost and homogeneous connectivity to the outer bulk-like H-bond network, such that alteration in the network distant from the DNA can regulate the BI-BII transition in a cooperative manner. The water connectivity is disrupted by DNA-binding peptides. Remarkably, the data show that the replacement of hydration shell water upon ligand biding is crucial in conferring substate specific recognition by peptides that have little intrinsic structural preference. The antibacterial peptide indolicidin secreted from bovine neutrophils dehydrates the non-PO2--bound hydration sites, thereby rendering the unstructured peptide highly specific for the BI state with vibrational signature almost identical to the bacterial minor groove binder netropsin. The proposed dominant role of hydration shell water for DNA conformation was challenged by studying the competing effect of structured water in the coordination-shell of the lanthanide Eu3+ on water structure in the DNA hydration shell. Whereas no effect is seen at low hydration, a hydrogen-like phase is formed at a stoichiometric ratio of Eu3+ :DNA:H2O of 1:10:140, characterized by a strong increase of the molar volume of hydration water. This novel phase appears attractive for lanthanide and possibly actine separation approaches based on biomolecular coordination.

Das Interesse an biotechnologisch hergestellter Bernsteinsäure als ein potenzielles intermediäres Ausgangsmaterial und als Alternative zu petrochemischen Produktionsprozessen in der Industrie steigt stetig. Für industrielle Zwecke wird Succinat derzeit noch hauptsächlich petrochemisch aus Maleinsäureanhydrid ausgehend von Butan gewonnen. Aufgrund ihrer Struktur als lineare, gesättigte Dicarbonsäure hat Bernsteinsäure allerdings das Potenzial als sogenannte Building-Block-Chemikalie zu fungieren und das als Ausgangssubstanz für viele Prozesse dienende Maleinsäureanhydrid zu verdrängen. Wichtige Vorstufen für die chemische Synthese, Polyesterproduktion und andere Prozesse können aus Succinat gewonnen werden, eine preiswerte und zu Maleinsäureanhydrid günstigere Bereitstellung von Succinat vorausgesetzt. Aufgrund der zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten und der mit der petrochemischen Herstellung verbundenen Nachteile, wie z. B. hohe Kosten und der Einsatz umweltschädlicher Substanzen, ist die Forschung an succinatproduzierenden Organismen durch den voraussichtlichen ökologischen Nutzen und der besseren Kosteneffizienz einer biobasierten Succinatproduktion motiviert. Bernsteinsäure wird natürlicherweise durch viele Mikroorganismen, Pflanzen und Tiere als Intermediat im zentralen Stoffwechsel oder als Stoffwechselendprodukt gebildet. Die Mehrheit der natürlichen und optimierten Produzenten stellen Bakterienstämme dar, die Succinat unter anaeroben Bedingungen akkumulieren. In den letzten Jahren rückten auch Hefen immer stärker in den Fokus der Untersuchungen zur Entwicklung von biotechnologischen Verfahren zur Succinatproduktion. Neben der konventionellen Hefe Saccharomyces cerevisiae, mit der bisher trotz gentechnischer Veränderungen nur maximal 6,3 g Succinat je Liter produziert werden konnte, ist besonders die als Säureproduzent bekannte Hefe Yarrowia lipolytica von Bedeutung. Yarrowia lipolytica ist einzigartig in ihrer Fähigkeit zur Produktion und Sekretion von großen Mengen verschiedener organischer Säuren, wie Citrat, Isocitrat, α-Ketoglutarat und Pyruvat. Aufgrund dieser hohen Sekretionskapazität für Metabolite und Proteine und einer effizienten Verwertung eines breiten Substratspektrums, aber auch wegen ihrer Apathogenität und der guten molekularbiologischen und verfahrenstechnischen Handhabbarkeit ist diese Hefe schon seit einigen Jahren von hohem industriellen Interesse. Neben den bereits genannten organischen Säuren ist Yarrowia lipolytica unter geeigneten Bedingungen auch zur Produktion und Sekretion von Succinat fähig. In der vorliegenden Arbeit sollte das Potenzial dieser Hefe als Succinatproduzent untersucht werden. Der Fokus der Untersuchungen lag dabei vor allem auf dem succinat-metabolisierenden Enzym Succinatdehydrogenase, das im Tricarbonsäurezyklus die Oxidation von Succinat zu Fumarat katalysiert. Zu Beginn der Arbeiten wurden die Auswirkungen einer Reduktion der Aktivität der Succinatdehydrogenase durch das Antibiotikum Carboxin untersucht. Carboxin bewirkt in verschiedenen Organismen eine Hemmung der Succinatdehydrogenase. Dabei bindet Carboxin wahrscheinlich an die Ubichinon-Bindestelle der Succinatdehydrogenase und verhindert so eine Reduktion von Ubichinon. Die Wirkung von Carboxin auf die Succinatdehydrogenase und die Succinatproduktion der Hefe Yarrowia lipolytica wurde bisher allerdings nicht untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde jedoch nachgewiesen, dass Carboxin nicht nur auf das Wachstum des Wildtypstamms Yarrowia lipolytica H222, sondern auch auf die spezifische Aktivität der Succinatdehydrogenase hemmend wirkte. Es wurde außerdem gezeigt, dass eine Reduktion der Succinatdehydrogenaseaktivität zu einer deutlichen Steigerung der maximalen Succinatmengen und der Produktbildungsraten führte. So wurden mit 150 μg L-1 Carboxin maximale Succinatmengen von 31,6 ± 5,4 g L-1 mit durchschnittlichen Produktivitäten von 65,5 ± 7,6 mg L-1 h-1 und 4,3 ± 1,7 μg OD-1 h-1 im Vergleich zur Kultivierung ohne Carboxin mit 2,0 ± 0,7 g L-1, 4,3 ± 0,9 mg L-1 h-1 und 0,2 ± 0,1 μg OD-1 h-1 nachgewiesen. Um auf das für großtechnische Verfahren ungeeignete Antibiotikum Carboxin zu verzichten, sollte die Aktivität der Succinatdehydrogenase anschließend durch gezielte gentechnische Veränderungen reduziert werden. Um dies zu erreichen, wurde das Gen SDH2, das für die Eisen-Schwefel-Untereinheit der Succinatdehydrogenase kodiert, unter die Kontrolle ausgewählter Promotoren (des Isocitratlyasegens ICL1 oder des 3-Oxo-Acyl-Thiolasegens POT1) gesetzt, die unter bestimmten Bedingungen, z. B. bei Einsatz von Glycerol als Kohlenstoffquelle nur schwach expremiert werden. Die spezifische Aktivität der Succinatdehydrogenase konnte dadurch um 40 (pICL1-SDH2) bzw. 64 % (pPOT1-SDH2) herabgesetzt werden. Die so konstruierten Yarrowia lipolytica Stämme H222-AZ1 (pICL1-SDH2) und H222-AZ2 (pPOT1-SDH2) produzierten maximal 15,3 ± 0,5 g L-1 bzw. 30,0 ± 3,7 g L-1 Succinat. Die Untersuchungen mit Carboxin und gentechnisch bedingter verringerter Expression zeigten, dass es offenbar einen Zusammenhang zwischen Reduktion der Aktivität der Succinatdehydrogenase und Steigerung der Succinatproduktion gibt. Weiterhin waren die Produktbildungsraten bei beiden Stämmen im Vergleich zum Wildtyp signifikant erhöht. Eine Reduktion der Aktivität der Succinatdehydrogenase – sei es durch Carboxin oder Promotoraustausch – bewirkte außerdem eine Reduktion der Malat- und Fumaratbildung und eine Erhöhung der detektierbaren α-Ketoglutaratgehalte. Auf Basis dieser Ergebnisse wurde geschlussfolgert, dass die Succinatdehydrogenase das Schlüsselenzym zur Beeinflussung der Succinatproduktion zu sein scheint. Diese Schlussfolgerung wurde außerdem durch die Arbeiten von Yuzbashev et al. (2010) unterstützt. Parallel zu diesen Arbeiten wurden außerdem die Effekte der Überexpression der α-Ketoglutaratdehydrogenase, der Isocitratlyase und der Pyruvatcarboxylase untersucht. Trotz einer signifikanten Steigerung der spezifischen Aktivitäten hatten weder eine Überexpression der α-Ketoglutaratdehydrogenase noch der Isocitratlyase eine Steigerung der Succinatproduktion zur Folge. Nur die erhöhte Kopienzahl des Pyruvatcarboxylase kodierenden Gens und eine damit einhergehende Steigerung der Aktivität resultierte in einer geringen Erhöhung der gebildeten Succinatgehalte im Vergleich zum Wildtyp. Bei gleichzeitiger Reduktion der Succinatdehydrogenaseaktivität durch Carboxin wurde diese Tendenz eindeutig bestätigt. Aufgrund dieses Befunds wurde ausgehend von H222-AZ2 ein Stamm konstruiert, in dem zusätzlich zum Austausch des DH2-Promotors mehrere Kopien des Pyruvatcarboxylase-kodierenden Gens PYC1 eingeführt wurden. Die Überexpression von PYC1 resultierte nicht nur in einer gesteigerten Aktivität der Pyruvatcarboxylase, sondern auch in einer weiteren Steigerung der Succinatproduktion im Vergleich zu H222-AZ2. So wurden maximale Succinatmengen von 43,9 ± 7,9 g L-1 mit durchschnittlichen Produktivitäten von 129,4 ± 13,0 mg L-1 h-1 und 8,2 ± 1,5 μg OD-1 h-1 nachgewiesen. Im Vergleich zum Wildtyp entspricht dies einer Steigerung der detektierbaren Succinatmengen um das 34fache. Die in der vorliegenden Arbeit erzielten Ergebnisse verdeutlichen das große Potenzial der Hefe Yarrowia lipolytica für die biotechnologische Herstellung von Succinat. Es wurde gezeigt, dass eine Reduktion der Succinatdehydrogenaseaktivität allein oder kombiniert mit der gesteigerten Pyruvatcarboxylaseaktivität zu einer drastischen Steigerung der Succinatproduktion sowie zu einer Reduktion der Nebenprodukte Fumarat und Malat führte. Es wird davon ausgegangen, dass eine weitere Steigerung durch eine Optimierung der Kultivierungsbedingungen bzw. durch zusätzliche gentechnische Veränderungen möglich ist. So sollte durch nachfolgende gentechnische Veränderungen, z. B. eine erhöhte Expression der Gene der am Glyoxylatzyklus beteiligten Enzyme Malatsynthase und Isocitratlyase, vor allem die weitere Reduktion der Nebenprodukte, besonders eine Reduktion der α-Ketoglutaratgehalte angestrebt werden. Des Weiteren sollten auch die Transportprozesse der organischen Säuren, insbesondere durch die Membranen, untersucht und gegebenenfalls zugunsten der Succinatproduktion manipuliert werden.

In this work we report a new mechanism for ageing, where passive aggregation and stochastic segregation of protein aggregates can switch cells from a non-ageing to an ageing state. This switch is activated by the increase in the total amount of protein aggregates. We established a damage reporter system by labeling Hsp104, a chaperone which binds protein aggregates, with GFP. By observing that the accumulation of Hsp104 labeled aggregates correlated with the majority of cell death in the population, and that cells which are born with a high level of aggregates are more likely to die, we validated protein aggregation as being an ageing factor in S. pombe. To identify the mechanism of damage segregation, we monitored nucleation, fusion and partition of aggregates at division. We established that aggregates are present in the cytoplasm fraction which is not occupied by vacuoles and lipid vesicles, and that they are not actively transported by the cytoskeleton. Protein aggregates were not distributed in a biased manner at division. Their position in the cytoplasm dictates to which cell they will be partitioned at division, as confirmed by studies using an asymmetrically dividing mutant, pom1Δ, in which the larger cells inherited more aggregates. This shows that aggregate segregation in S.pombe is a stochastic process. Stochastic distribution contributes to a constant dilution of damage and the maintenance of a non-ageing division, where the total levels of damage in the individuals are on average maintained constant. Together with Steven Lade and Thilo Gross, from the MPI-PKS, we designed a model in which passive aggregation and stochastic segregation reproduced our experimental results. Surprisingly, when cells are exposed to heat stress and the total levels of protein aggregates increase, aggregates are unequally segregated, i.e., ageing is turned on. The switch in segregation results from increased fusion due to a higher number of aggregates, which generates large single aggregates, which are retained by one of the cells at division. Our model reproduced the heat stress condition, showing that fusion is an essential parameter to generate clean cells quickly after the levels of damage increase. Fission yeast cells can therefore switch between non-ageing and ageing like division depending on the total amount of damage at birth. To clarify if other cellular components could be ageing factors in S. pombe, we tested if the inheritance of the old cell wall at the cell pole was associated with an increase in division time, similarly to what occurs in E. coli. We also tested if the inheritance of the new centrosome-analog, the SPB, which is segregated to the ageing mother cell in S. cerevisiae, resulted in an increase in division time. We did not find evidence for ageing associated with these structures. Finally we determined that the feature of slow division was not a transmissible trait, i.e., daughters of slow diving cells divided faster than their mothers. Another ageing hallmark, the cumulative increase in division time with the total number of divisions before death, was not present in S.pombe. Our combined results from damage segregation and pedigree analysis show that stochastic segregation of damage is a viable strategy to avoid ageing. Passive aggregation in the presence of a high number of aggregates can switch on ageing, representing an alternative to active segregation mechanisms and to the existence of pre-defined ageing lineages, as shown for other organisms. Finally, our results show that ageing is not ubiquous to life, and that it can be a facultative strategy to cope with stress.

During development, cells consume energy, divide, rearrange, and die. Bulk properties such as viscosity and elasticity emerge from cell-scale mechanics and dynamics. Order appears, for example in patterns of hair outgrowth, or in the predominately hexagonal pattern of cell boundaries in the wing of a fruit fly. In the past fifty years, much progress has been made in understanding tissues as living materials. However, the physical mechanisms underlying tissue-scale behaviour are not completely understood. Here we apply theories from statistical physics and fluid dynamics to understand mechanics and order in two-dimensional tissues. We restrict our attention to the mechanics and dynamics of cell boundaries and vertices, and to planar polarity, a type of long-ranged order visible in anisotropic patterns of proteins and hair outgrowth. Our principle tool for understanding mechanics and dynamics is a vertex model where cell shapes are represented using polygons. We analytically derive the ground-state diagram of this vertex model, finding it to be dominated by the geometric requirement that cells be polygons, and the topological requirement that those polygons tile the plane. We present a simplified algorithm for cell division and growth, and furthermore derive a dynamic equation for the vertex model, which we use to demonstrate the emergence of quasistatic behaviour in the limit of slow growth. All our results relating to the vertex model are consistent with and build off past calculations and experiments. To investigate the emergence of planar polarity, we develop quantification methods for cell flow and planar polarity based on confocal microscope images of developing fly wings. We analyze cell flow using a velocity gradient tensor, which is uniquely decomposed into terms corresponding to local compression, shear, and rotations. We argue that a pattern in an inhomogeneously flowing tissue will necessarily be reorganized, motivating a hydrodynamic theory of polarity reorientation. Using such a coarse-grained theory of polarity reorientation, we show that the quantified patterns of shear and rotation in the wing are consistent with the observed polarity reorganization, and conclude that cell flow reorients planar polarity in the wing of the fruit fly. Finally, we present a cell-scale model of planar polarity based on the vertex model, unifying the themes of this thesis.