SHIP2 (SH2 domain-containing inositol polyphosphate 5-phosphatase type 2) est un enzyme de la famille des inositol polyphosphate 5-phosphatases qui déphosphoryle le PtdIns(3,4,5)P3, second messager intervenant dans différentes voies de signalisation cellulaire et impliqué dans de nombreux processus biologiques. La surexpression de SHIP2 en cellule, de même que son invalidation chez la souris, ont montré un rôle de cet enzyme dans le contrôle négatif de la cascade de signalisation de l’insuline et dans la sensibilité à cette hormone. Par ailleurs, plusieurs études de polymorphismes chez l’homme ont montré une association entre ce gène et le diabète de type2. La découverte au sein de notre laboratoire de la délétion d’un motif semblable à ceux présents dans les régions déstabilisatrices de type AU-riche dans la région 3’non codante (3’UTR) du gène SHIP2 chez des patients atteints de diabète de type 2, nous a conduit à explorer le rôle de cette région dans le contrôle de l’expression de SHIP2. Dans ce but, nous avons entrepris d’identifier des protéines capables de lier ce motif AU-riche et d’entraîner l’ARN de SHIP2 vers la dégradation, et ce par deux techniques distinctes : l’une in vivo chez la levure (le triple hybride) et l’autre in vitro, par l’intermédiaire d’une sonde ARN biotinylée. Malheureusement, aucune de ces deux techniques ne nous a permis d’identifier des protéines se liant à l’ARNm de SHIP2. D’autre part, l’analyse de souris génétiquement modifiées présentant dans la région 3’UTR de SHIP2 une mutation similaire à celle observée chez les patients diabétiques n’a pas montré une augmentation significative d’expression de SHIP2 comme on aurait pu s’y attendre. Malgré les différentes techniques mises en place, nous ne sommes pas parvenus à caractériser le rôle joué par le 3’UTR de SHIP2 sur le contrôle de son expression. Dans le but de caractériser l’effet d’une surexpression de SHIP2 et de déterminer si une surexpression de ce gène pouvait mimer le phénotype de diabète de type 2 observé au sein de la population, nous avons généré des souris transgéniques d’addition par transgenèse lentivirale. Deux axes phénotypiques majeurs ont été explorés chez ces souris : le métabolisme du glucose et la prise de poids consécutive à divers régimes alimentaire. Les souris transgéniques présentent un retard dans la captation du glucose en réponse à une surcharge en glucose, s’accompagnant d’un défaut de sécrétion d’insuline. Par contre, aucune altération de la sensibilité à l’insuline n’est observée suite à une injection de cette hormone. Cette absence d’altération de la sensibilité à l’insuline est également soutenue par le fait qu’aucune altération de la captation de glucose n’est observée chez des souris surexprimant le transgène spécifiquement dans le muscle squelettique. Les analyses de prise de poids des souris transgéniques ont révélé une résistance à l’obésité des mâles transgéniques lorsqu’ils sont soumis à un régime alimentaire riche en graisse. Par contre, aucune différence n’est observée sous régime alimentaire conventionnel ou faible en graisse. La plus faible prise de poids des souris transgéniques sous régime riche en graisse s’accompagnant d’une plus faible prise de nourriture, un rôle de SHIP2 dans la régulation du comportement alimentaire et de l’appétit n’est pas à exclure. En conclusion, la surexpression de SHIP2 chez la souris provoque une intolérance au glucose induite, en tout cas en partie, par une plus faible sécrétion d’insuline, ainsi qu’une résistance à l’obésité induite par un régime riche en graisse.

The phosphatidylinositol signaling pathway utilizes inositol-containing second messengers to mediate signaling events. The enzymes that metabolize phosphoinositides can in some cases serve to terminate the signaling actions of phosphoinositides. The inositol polyphosphate 5-phosphatases (5PTases) comprise a large protein family that hydrolyzes 5-phosphates from a variety of inositol phosphate and phosphoinositide substrates. I have examined the substrate specificity of the At5PTase11 protein from the model plant, Arabidopsis thaliana. The At5PTase11 gene (At1g47510) encodes an active 5PTase enzyme that can dephosphorylate the phosphoinositide substrates phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate [PtdIns(4,5)P2], phosphatidylinositol 3,5-bisphosphate [PtdIns(3,5)P2], and phosphatidylinositol 3,4,5-trisphosphate [PtdIns(3,4,5)P3]. In addition, the At5PTase11 gene is regulated by abscisic acid, jasmonic acid, and auxin, suggesting a role for phosphoinositide action in these signal transduction pathways. To further delineate the function of At5PTase11 in Arabidopsis thaliana, two independent T-DNA insertion mutant lines were isolated (At5ptase11-1 and At5ptase11-2). Analysis of At5ptase11 mutant lines revealed that At5ptase11 mutant seeds germinate slower compared to wild-type seeds. Moreover, At5ptase11 mutant seedlings demonstrated less hypocotyl growth when grown in the dark. These results indicate that At5PTase11 is required for the early stages of seed germination and seedling growth. Since there are 15 predicted 5PTases in Arabidopsis thaliana, a group of 5PTases have been analyzed to identify the 5PTases with similar substrate selectivity. At5PTase1 (At1g34120), At5PTase2 (At4g18010) and At5PTase3 (At1g71710) have been found to hydrolyze all four potential substrates, inositol 1,4,5-trisphosphate [Ins(1,4,5)P3], inositol 1,3,4,5-tetrakisphosphate [Ins(1,3,4,5)P4], PtdIns(4,5)P2, and PtdIns(3,4,5)P3. At5PTase7 (At2g32010) hydrolyzed PtdIns(4,5)P2, and PtdIns(3,4,5)P3 which is similar to the substrate selectivity of At5PTase11. In addition, At5PTase4 (At3g63240), and At5PTase9 (At2g01900) hydrolyzed only PtdIns(4,5)P2. These results indicate that there are different groups of Arabidopsis thaliana 5PTases based on the substrate selectivity. These results suggest that Arabidopsis thaliana 5PTases with similar substrate selectivity may have overlapping functions. In summary, the findings that At5PTase11 is a phospholipid-specific 5PTase and At5PTase11 functions in the early stages of seed germination and seedling growth indicate that 5PTases play important roles in plant growth and development. / Ph. D.

Die Inositol-Pyrophosphate (PP-InsPs) sind eine ubiquitäre Gruppe hochphosphorylierter eukaryotischer Signalmoleküle. Sie werden mit einer Vielzahl zentraler zellulärer Prozesse in Verbindung gebracht, doch fehlt oft ein detailliertes Verständnis der einzelnen Signalereignisse, was zum Teil auf einen Mangel an chemischen Werkzeugen zurückzuführen ist. Diese Arbeit beschreibt die chemische Synthese, Validierung und Anwendung von PP-InsP-Affinitätsreagenzien zur Identifizierung von Proteinbindungspartnern von Inositolhexakisphosphat (InsP6) und 5-Diphosphoinositol-Pentakisphosphat (5PP-InsP5), zwei wichtigen eukaryotischen Metaboliten. Die Affinitätsreagenzien wurden entwickelt, um InsP6 und ein metabolisch stabiles 5PP-InsP5-Analogon auf drei verschiedene Arten darzustellen. Die Anwendung dieser triplexierten Reagenzien auf Säugetier-Lysate lieferte einen ersten umfassenden Datensatz in HCT116- und HEK293T-Zellen. Die Interaktome wurden mittels quantitativer Proteomik annotiert und enthüllten Hunderte von potenziellen Proteinbindungspartnern. Die quantitative Analyse der InsP6- und 5PP-InsP5-bindenden Proteine zeigte Beispiele für hochspezifische Protein-Ligand-Interaktionen auf. Biochemische Untersuchungen ergaben, dass Inositol-5-Phosphatasen, PRPS1 und spezifische Phosphatidyl-Inositolphosphat-Kinasen potenziell unentdeckte Zielproteine von PP-InsPs sind. Darüber hinaus wurde durch die Entwicklung einer neuen Strategie der Myo-Inositol-Desymmetrisierung erstmals die Synthese eines Affinitätsreagens auf der Basis von 1,5-Bisdiphosphoinositol-Tetrakisphosphat (1,5(PP)2-InsP4) beschrieben. Die Affinitätsreagenzien und die proteomischen Datensätze stellen für die Gemeinschaft leistungsstarke Ressourcen dar, um künftige Untersuchungen zu den vielfältigen Signalmodalitäten von Inositolpyrophosphaten einzuleiten. / Inositol pyrophosphates (PP-InsPs) are a ubiquitous group of highly phosphorylated eukaryotic messengers. They have been linked to a panoply of central cellular processes, but a detailed understanding of the discrete signaling events is often missing, which can partially be attributed to a lack of chemical tools. This thesis describes the chemical synthesis, validation and application of PP-InsP affinity reagents to identify protein binding partners of inositol hexakisphosphate (InsP6) and 5-diphosphoinositol pentakisphosphate (5PP-InsP5), two important eukaryotic metabolites. The affinity reagents were developed to display InsP6 and a metabolically stable 5PP-InsP5 analog in three different ways. Application of these triplexed reagents to mammalian lysates provided a first comprehensive data set in HCT116 and HEK293T cells. The interactomes were annotated using quantitative proteomics and uncovered hundreds of potential protein binding partners. Quantitative analysis of InsP6 versus 5PP-InsP5 binding proteins highlighted examples of highly specific protein-ligand interactions. Biochemical studies primed inositol 5-phosphatases, PRPS1 and specific phosphatidyl inositol phosphate kinases as potentially undiscovered targets of PP-InsPs. Moreover, by developing a novel strategy of myo-inositol desymmetrization, the synthesis of an affinity reagent based on 1,5-bisdiphosphoinositol tetrakisphosphate (1,5(PP)2-InsP4) was described for the first time. The affinity reagents and the proteomic data sets constitute powerful resources for the community, to help launching future investigations into the multiple signaling modalities of inositol pyrophosphates.

The complete role of inositol signaling in plants and humans is still elusive. The plant Arabidopsis thaliana contains fifteen predicted inositol polyphosphate 5- phosphatases (5PTases, E.C. 3.1.3.36) that have the potential to remove a 5-phosphate from various inositol second messenger substrates. To examine the substrate specificity of one of these Arabidopsis thaliana 5PTases (At5PTases), recombinant At5PTase1 was obtained from a Drosophila melanogaster expression system and analyzed biochemically. This analysis revealed that At5PTase1 has the ability to catalyze the hydrolysis of four potential inositol second messenger substrates. To determine whether At5PTase1 can be used to alter the signal transduction pathway of the major drought-sensing hormone abscisic acid (ABA), plants ectopically expressing At5PTase1 under the control of a constitutive promoter were characterized. This characterization revealed that plants ectopically expressing At5PTase1 had an altered response to ABA. These plants have stomata that are insensitive to ABA, and have lower basal and ABA-induced inositol (1,4,5)-trisphosphate [Ins(1,4,5)P₃] levels. In addition, At5PTase1 mRNA and protein levels are transiently regulated by ABA. These data strongly suggest that At5PTase1 can act as a signal terminator of ABA signal transduction. Like the Arabidopsis At5PTase1, a human 5PTase, Ocrl, has the ability to catalyze the hydrolysis of a 5-phosphate from several inositol-containing substrates. The loss of functional Ocrl protein results in a rare genetic disorder known as Lowe oculocerebrorenal syndrome. To gather information concerning the specificity determinants of the Ocrl protein, a structure-function analysis of Ocrl was conducted using a vibrational technique, difference Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy. Upon the introduction of Ins(1,4,5)P₃ substrate, structural changes in carboxylic acid and histidine residues were observed. The net result of changes in these residues indicates that upon Ins(1,4,5)P₃ introduction, a carboxylic acid-containing residue is protonated, and a histidine residue is deprotonated. This interpretation supports the idea that the deprotonation of the histidine residue is concomitant with the coordination of a divalent cation upon Ins(1,4,5)P₃ introduction. This work allows for the proposal of a new model for the role of the active site histidine of OCRL. / Ph. D.

SHIP2 (SH2 domain-containing inositol polyphosphate 5-phosphatase type 2) est un enzyme de la famille des inositol polyphosphate 5-phosphatases qui déphosphoryle le PtdIns(3,4,5)P3, second messager intervenant dans différentes voies de signalisation cellulaire et impliqué dans de nombreux processus biologiques.<p>La surexpression de SHIP2 en cellule, de même que son invalidation chez la souris, ont montré un rôle de cet enzyme dans le contrôle négatif de la cascade de signalisation de l’insuline et dans la sensibilité à cette hormone. Par ailleurs, plusieurs études de polymorphismes chez l’homme ont montré une association entre ce gène et le diabète de type2.<p>La découverte au sein de notre laboratoire de la délétion d’un motif semblable à ceux présents dans les régions déstabilisatrices de type AU-riche dans la région 3’non codante (3’UTR) du gène SHIP2 chez des patients atteints de diabète de type 2, nous a conduit à explorer le rôle de cette région dans le contrôle de l’expression de SHIP2.<p>Dans ce but, nous avons entrepris d’identifier des protéines capables de lier ce motif AU-riche et d’entraîner l’ARN de SHIP2 vers la dégradation, et ce par deux techniques distinctes :l’une in vivo chez la levure (le triple hybride) et l’autre in vitro, par l’intermédiaire d’une sonde ARN biotinylée. Malheureusement, aucune de ces deux techniques ne nous a permis d’identifier des protéines se liant à l’ARNm de SHIP2. D’autre part, l’analyse de souris génétiquement modifiées présentant dans la région 3’UTR de SHIP2 une mutation similaire à celle observée chez les patients diabétiques n’a pas montré une augmentation significative d’expression de SHIP2 comme on aurait pu s’y attendre.<p>Malgré les différentes techniques mises en place, nous ne sommes pas parvenus à caractériser le rôle joué par le 3’UTR de SHIP2 sur le contrôle de son expression.<p>Dans le but de caractériser l’effet d’une surexpression de SHIP2 et de déterminer si une surexpression de ce gène pouvait mimer le phénotype de diabète de type 2 observé au sein de la population, nous avons généré des souris transgéniques d’addition par transgenèse lentivirale.<p>Deux axes phénotypiques majeurs ont été explorés chez ces souris :le métabolisme du glucose et la prise de poids consécutive à divers régimes alimentaire.<p>Les souris transgéniques présentent un retard dans la captation du glucose en réponse à une surcharge en glucose, s’accompagnant d’un défaut de sécrétion d’insuline. Par contre, aucune altération de la sensibilité à l’insuline n’est observée suite à une injection de cette hormone. Cette absence d’altération de la sensibilité à l’insuline est également soutenue par le fait qu’aucune altération de la captation de glucose n’est observée chez des souris surexprimant le transgène spécifiquement dans le muscle squelettique.<p>Les analyses de prise de poids des souris transgéniques ont révélé une résistance à l’obésité des mâles transgéniques lorsqu’ils sont soumis à un régime alimentaire riche en graisse. Par contre, aucune différence n’est observée sous régime alimentaire conventionnel ou faible en graisse. La plus faible prise de poids des souris transgéniques sous régime riche en graisse s’accompagnant d’une plus faible prise de nourriture, un rôle de SHIP2 dans la régulation du comportement alimentaire et de l’appétit n’est pas à exclure.<p>En conclusion, la surexpression de SHIP2 chez la souris provoque une intolérance au glucose induite, en tout cas en partie, par une plus faible sécrétion d’insuline, ainsi qu’une résistance à l’obésité induite par un régime riche en graisse.<p> / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

To survive, an organism must constantly adjust its internal state to changes in the environment from which it receives signals. The signals set off a chain of events referred to signal transduction. Signal transduction systems are especially important in multicellular organisms, such as plants and animals, because of the need to coordinate the activities of hundreds to trillions of cells. Plants, in particular, have a special need for perceiving signals from their environment because of their static nature. As in the animal cell, the first steps in perception of a signal include signal interaction with a receptor, signal amplification through second messenger production, and signal termination through second messenger hydrolysis. Myo-inositol polyphosphate 5-phosphatases (5PTases) (EC 3.1.3.56) have unique signal terminating abilities toward the second messenger inositol trisphosphate (Ins (1,4,5)P3, InsP3). In Arabidopsis thaliana there are 15 members of the 5PTase family, the majority of which contain a single 5PTase catalytic domain. Four members of the Arabidopsis 5PTase family, however, have a unique protein domain structure, with additional N-terminal WD40 repeats that are implicated in protein-protein interactions. The research presented here focused on the identification of 5PTase interacting proteins and the characterization of their functional role in Arabidopsis. To accomplish this goal, I examined a 5PTase13-interacting protein, the sucrose (Suc) nonfermenting-1-related kinase, SnRK1.1, an important energy sensor that is highly conserved among eukaryotes. My identification of a 5PTase13:SnRK1.1 complex points to the novel interaction of this metabolic modulator and inositol signaling/metabolism. 5PTase13 , however, plays a regulatory role in other plant specific processes as well, since I also identified the Arabidopsis homolog (Atp80) of the human WDR48 (HsWDR48, Hsp80) as a novel protein interactor of 5PTase13. My results indicate that Atp80 is important for leaf emergence, development and senescence likely via a regulatory interaction with 5PTase13 and PINOID â binding protein (PBP1). / Ph. D.

Inositolpyrophosphate (PP-InsP) sind eine Gruppe sekundärer Signalmoleküle, die in einer Vielzahl zellulärer Prozesse, von Phosphathomeostase über Insulinsignalisierung bis Apoptose eine Rolle spielen. Die Art und Weise, wie PP-InsPs ihre Funktion ausführen, noch weitgehend unbekannt. Deshalb wurden zwei neue analytische Methoden basierend auf Kernspinresonanzspektroskopie und Flüssigchromatographie mit Massenspektrometrie-Kopplung (LCMS) entwickelt. Um die limitierende Sensitivität der Kernresonanzspektroskopie zu umgehen, wurde die Synthese von kernspinresonanzaktivem, 13C-markiertem Inositol optimiert. Des Weiteren wurde eine chemoenzymatische Synthese für alle Säugetier-PP-InsP-Isomere entwickelt, die auf der skalierbaren Ausfällung mittels Mg2+ Ionen basiert. Menschliche Zellen wurden mit 13C-Inositol isotopenmarkiert und in den Spektren der Zellextrakte wurde, basierend auf den PP-InsP-Standards, Fingerabdrucksignale identifiziert mit denen die Konzentrationen der dazugehörigen Moleküle bestimmt werden konnte. Die LCMS basierte Methode wurde auf dem Prinzip der Umsetzung von hochgeladenen Inositolpyrophosphaten zu ihren korrespondieren Methylestern mittels Trimethylsilyldiazomethan geplant. Die ungeladenen, permethylierten PP-InsPs wären geeignet für LC-Auftrennungen und MS-Messungen und sollten eine von Kernspinresonanzspektroskopie nicht erreichbare Sensitivität ermöglichen. Die Methode wurde mittels Inositolhexakisphosphat (InsP6), einem einfacheren PP-InsP-Analog, etabliert und methyliertes InsP6 konnte in Mengen von 10 femtomol detektiert werden. Die Adaption der Methode für die PP-InsPs gestaltete sich jedoch herausfordernd, da der Analyt während der Reaktion zersetzt wurde. Ein Wechsel zu Diazomethan als Methylierungsagens zeigte vielversprechende Resultate. / Inositol pyrophosphates (PP-InsPs) are a well conserved group of second messengers that are involved in a plethora of cellular processes including phosphate homeostasis, insulin signaling, and apoptosis. Despite much effort, it is still mostly unknown how PP-InsPs exert their diverse functions. In order to decipher the mechanisms, researchers have relied either on metabolic labeling with radioactive inositol or on electrophoretic separation on polyacrylamide gels but these methods either lack ease of use or sensitivity. Therefore, two new analytical tools, based on nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, and liquid chromatography coupled mass spectrometry (LCMS), were developed. To overcome the limited sensitivity provided by NMR spectroscopy, a high yielding synthesis of NMR-active 13C-labeled inositol was designed and optimized. Furthermore, a chemoenzymatic synthesis of all mammalian PP-InsPs isomers was developed that relied on a scalable purification strategy utilizing precipitation with Mg2+ ions. Human cells were metabolically labeled with 13C-inositol and the prepared PP-InsPs were used as standards to identify peaks in the NMRspectra. These fingerprint signals enabled the quantification of the corresponding molecules. The LCMS-based method was based on the derivatization of the highly charged inositol pyrophosphates to their corresponding methyl esters by trimethylsilyldiazomethane. The permethylated InsPs and PP-InsPs were suitable for LC separation and MS measurement, and provide a sensitivity unmatched by NMR spectroscopy. The method was established using inositol hexakisphosphate, a simpler analog of PP-InsPs, and methylated InsP6 could be detected at quantities as low as 10 femtomole. However, the adaptation of the derivatization for PP-InsPs proved challenging as the reaction caused degradation of the analyte but strategies to circumvent the decay by changing the derivatization agent to diazomethane were promising.

Inositolpolyphosphate (InsPs) bilden eine ubiquitäre Gruppe an hochphosphorylierten, intrazellulären Signalmolekülen in eukaryotischen Zellen. Trotz deren Beteiligung an unzähligen biologischen Prozessen bleibt die Detektion von InsPs (insb. einzelner Enantiomere) eine Herausforderung, da die momentan verfügbaren Analysemethoden immer noch limitiert sind. In der vorliegenden Arbeit wird die stabile Isotopenmarkierung von myo-Inositol (Ins) und InsPs in Kombination mit Kernspinresonanzspektroskopie (engl. Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy, NMR) erkundet, um diese Lücke zu schließen. Die Abhängigkeit von NMR-Daten und chemischer Struktur erlaubte die Analyse komplexer Mixturen aus InsPs aus in vitro-Experimenten und biologischen Proben. Durch stereospezifische 13C-Markierung konnten sogar Enantiomere voneinander unterschieden werden. Mit Hilfe dieser Methode wurden mehrere InsP-Stoffwechselwege untersucht. Als Erstes wurde das menschliche, Phytase-artige Enzym MINPP1 (engl. Multiple Inositol Polyphosphate Phosphatase 1) detailliert in vitro und in lebenden Zellen charakterisiert. Dabei wurde ein bisher unbeschriebener InsP-Stoffwechselweg in menschlichen Zellen erstmals beschrieben. Als Zweites wurden InsP verdauende Bakterien aus der menschlichen Darmflora untersucht, sodass der Abbauweg von Inositolhexakisphosphat beleuchtet werden konnte. Als Drittes wurden DUSP-Enzyme (engl. Dual-Specificity Phosphatases) identifiziert und in vitro charakterisiert, die in der Lage sind, die Phosphoanhydrid-Bindung von Inositolpyrophosphaten (PP-InsPs) zu spalten. Die vorliegende Arbeit demonstriert, dass 13C-Markierung in Verbindung mit NMR ein mächtiges Werkzeug darstellt, um InsP-Stoffwechselvorgänge zu untersuchen. / Inositol polyphosphates (InsPs) comprise a ubiquitous group of densely phosphorylated intracellular messengers in eukaryotic cells. Despite their contributions to a myriad of biological processes the detection of InsPs remains challenging to this day, especially with regards to differentiating enantiomers, as the available analytical toolset is still limited. In this thesis the use of stable isotope labelling of myo-inositol (Ins) and InsPs is explored to address this shortcoming. Combining 13C-labelling and nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) provides both enhanced sensitivity and makes use of NMR’s strong structure-data dependency. This enabled the deconvolution of complex mixtures of InsPs from in vitro experiments or biological samples. With stereo-specific 13C-labels InsP mixtures could be resolved to individual enantiomers. Using this technique several InsP metabolic pathways were examined. Firstly, the human phytase-like enzyme Multiple Inositol Polyphosphate Phosphatase (MINPP1) was characterized in depth in vitro and in living cells, establishing a hitherto undescribed inositol polyphosphate metabolic path in humans. Secondly, inositol phosphate digesting bacteria isolated from the human gut microbiome were investigated, shedding light on the metabolic fate of inositol hexakisphosphate in the digestive track. Thirdly, a set of Dual-Specificity Phosphatases (DUSPs) were identified to be able to hydrolyze the phosphoanhydride bond of inositol pyrophosphates (PP-InsPs) and characterized in vitro. The 13C-labelling approach of InsPs in junction with NMR represents a powerful tool for the study of inositol polyphosphate metabolism. In the thesis at hand, this method has facilitated our understanding of inositol polyphosphate pathways and it will be continuing doing so in the future in several biological contexts.

Inositolpyrophosphate (PP-InsPs) sind eine wichtige Gruppe eukaryotischer Botenstoffe, die mit verschiedenen Prozessen wie Apoptose, Phosphathomeostase und Insulinsignalkaskaden verknüpft sind. Trotz ihrer Entdeckung vor mehr als 20 Jahren bleibt es eine Herausforderung, die Signalmechanismen dieser Moleküle zu verstehen. Ursachen dafür sind der limitierte Zugang zu synthetischen PP-InsPs und ein Mangel an allgemein zugänglichen analytischen Methoden. Daher wurden in dieser Arbeit chemische und analytische Verfahren entwickelt, um unser Verständnis von diesen Molekülen sowohl auf ein biochemischer als auch auf zelluläre Ebene zu verbessern. Um der Knappheit an synthetischen PP-InsPs entgegen zu wirken, wurde eine hocheffiziente chemoenzymatische Synthese entwickelt, bei der mehr als 100 mg aller wesentlichen PP-InsPs aus Säugern hergestellt werden konnten. Parallel wurde ein neues analytisches Werkzeug entwickelt, dass Konzentrationen von PP-InsPs in komplexen Proben quantifizieren konnte. Mittels Enzymkatalyse konnten 13C-markiertes myo-inositol und 13C-markierte PP-InsPs hergestellt werden und niedrige Konzentrationen mit nuklearer Magnetresonanzspektroskopie detektiert werden. In vitro waren diese Verbindungen sehr nützlich, um PP-InsP Kinasen von Pflanzen und Säugern zu charakterisieren. Endogene Konzentrationen von PP-InsPs konnten durch metabolisches Markieren mit 13C-markiertem myo-inositol in humanen Zelllinien quantifiziert werden. Letztendlich wurde mittels eines neuen entwickelten proteomischen Ansatzes endogene Proteinpyrophosphorilierung, eine von PP-InsP eingebaute posttranslationale Proteinmodifikation, in menschlichen Zelllinien zum ersten Mal nachgewiesen. Zusammenfassend haben die aufgelisteten chemischen und analytischen Werkzeuge ein hohes Potenzial unser Verständnis der Signalmechanismen hinter den diversen Phänotypen der PP-InsPs zu stärken und Forschungsarbeit in dieser Richtung zu beschleunigen. / Inositol pyrophosphates (PP-InsPs) are an important group of second messengers that intersect with a wide range of processes in eukaryotic cells including phosphate homeostasis, insulin signaling and apoptosis. Despite their discovery more than two decades ago, elucidating the underlying signaling mechanisms remains a significant challenge. Therefore, a new set of chemical and analytical methods was developed here to improve our understanding of these intriguing molecules on the biochemical and cellular level. To overcome the shortage of synthetic PP-InsPs, a highly efficient and scalable chemoenzymatic approach was designed and the major mammalian PP-InsPs could be obtained in hundreds of milligram quantities and in high purity. In parallel, a new analytical tool was developed to quantify levels of PP-InsPs in complex samples. Chemoenzymatic access to 13C-labeled myo-inositol and 13C-labeled PP-InsPs enabled the detection of low concentrations of PP-InsPs using nuclear magnetic resonance spectroscopy. In vitro, these compounds were of great use for the biochemical characterization of PP-InsPs kinases from mammals and plants. Endogenous pools of PP-InsPs from human cell lines were identified and quantified by metabolic labeling with 13C-labeled myo-inositol. Finally, a new proteomics workflow towards the detection of protein pyrophosphorylation, a posttranslational modification mediated by PP-InsPs, using mass spectrometry was optimized and endogenously modified mammalian proteins could be identified for the first time and with high confidence. Taken together, the chemical and analytical tools presented here have great potential to accelerate the understanding of PP-InsP signaling and metabolism. Access to large amounts of PP-InsPs together with a reliable quantification method and the detection of endogenous protein pyrophosphorylation sites will be essential to unravel the signaling mechanisms underlying the diverse phenotypes associated with these metabolites.