Background Histone methylation is thought to be central to the epigenetic mechanisms that maintain and confine cellular identity in multi-cellular organisms. To examine epigenetic roles in cellular homeostasis, we conditionally mutated the histone 3 lysine 4 methyltransferase, Mll2, in embryonic stem (ES) cells, during development and in adult mice using tamoxifen-induced Cre recombination. Results In ES cells, expression profiling unexpectedly revealed that only one gene, Magoh2, is dependent upon Mll2 and few other genes were affected. Loss of Mll2 caused loss of H3K4me3 at the Magoh2 promoter and concomitant gain of H3K27me3 and DNA methylation. Hence Mll2, which is orthologous to Drosophila Trithorax, is required to prevent Polycomb-Group repression of the Magoh2 promoter, and repression is further accompanied by DNA methylation. Early loss of Mll2 in utero recapitulated the embryonic lethality found in Mll2-/- embryos. However, loss of Mll2 after E11.5 produced mice without notable pathologies. Hence Mll2 is not required for late development, stem cells or homeostasis in somatic cell types. However it is required in the germ cell lineage. Spermatogenesis was lost upon removal of Mll2, although spermatogonia A persisted. Conclusion These data suggest a bimodal recruit and maintain model whereby Mll2 is required to establish certain epigenetic decisions during differentiation, which are then maintained by redundant mechanisms. We also suggest that these mechanisms relate to the epigenetic maintenance of CpG island promoters.

Background Histone methylation is thought to be central to the epigenetic mechanisms that maintain and confine cellular identity in multi-cellular organisms. To examine epigenetic roles in cellular homeostasis, we conditionally mutated the histone 3 lysine 4 methyltransferase, Mll2, in embryonic stem (ES) cells, during development and in adult mice using tamoxifen-induced Cre recombination. Results In ES cells, expression profiling unexpectedly revealed that only one gene, Magoh2, is dependent upon Mll2 and few other genes were affected. Loss of Mll2 caused loss of H3K4me3 at the Magoh2 promoter and concomitant gain of H3K27me3 and DNA methylation. Hence Mll2, which is orthologous to Drosophila Trithorax, is required to prevent Polycomb-Group repression of the Magoh2 promoter, and repression is further accompanied by DNA methylation. Early loss of Mll2 in utero recapitulated the embryonic lethality found in Mll2-/- embryos. However, loss of Mll2 after E11.5 produced mice without notable pathologies. Hence Mll2 is not required for late development, stem cells or homeostasis in somatic cell types. However it is required in the germ cell lineage. Spermatogenesis was lost upon removal of Mll2, although spermatogonia A persisted. Conclusion These data suggest a bimodal recruit and maintain model whereby Mll2 is required to establish certain epigenetic decisions during differentiation, which are then maintained by redundant mechanisms. We also suggest that these mechanisms relate to the epigenetic maintenance of CpG island promoters.

Diatoms are unicellular, eukaryotic microalgae inhabiting nearly all aquatic habitats. They are famous for their micro- and nanopatterned silicabased cell walls, which are envisioned for various technologic purposes. Within this review article, we summarize recent in vivo modifications of diatom biosilica with respect to the following questions: (i) Which metals are taken up by diatoms and eventually processed into nanoparticles (NPs)? (ii) Are these NPs toxic for the diatoms and––if so––what factors influence toxicity? (iii) What is the mechanism underlying NP synthesis and subsequent metabolism? (iv) How can the obtained materials be useful for materials science?

Tubulin post-translational modifications (tPTMs) are currently studied as vital, yet obscure, cytoskeletal regulators. Their regulatory function relies on the spatiotemporal control over the activity of multiple tubulin modifying enzymes that functionalize microtubules, enabling their differentiation. The cilium, one of the organelles with the richest tPTMs diversity, has been studied with determination for the last decades, allowing the interrogation of the molecular processes that give rise to its function. The inner structure of this thin organelle, the axoneme, comprises a microtubule scaffold periodically decorated with macromolecular complexes whose characterization has been achieved with pseudoatomic detail. The molecular distribution and mechanism of action of tPTMs in cilia remain elusive. Using a combination of immunolabelling and cryoelectron tomography we interrogated the molecular function two tPTMs in the axonemal context. We showed that tubulin polyglycylation spanned most of the microtubular surface and was required for axonemal dynein activity regulation and male fertility. Additionally, there was an enrichment of polyglutamylation on a single microtubule protofilament, forming a pattern complementary to that of polyglycylation, that was required for proper coupling of microtubule sliding and bending forces during ciliary beating.

Circadiane Uhren sind endogene Oszillatoren, die tägliche Rhythmen in Physiologie, Metabolismus und Verhalten steuern. Auf molekularem Level wird die Dynamik der circadianen Oszillation über ein genregulatorisches Netzwerk aus transkriptionellen-translationalen Rückkopplungsschleifen gesteuert. Posttranslationale Modifikationen von Uhrproteinen sind für eine präzise Justierung der circadianen Periode essentiell. Dabei spielt die Phosphorylierung von Uhrproteinen für die Regulation von Aktivität, Stabilität und intrazellulärer Lokalisation eine wichtige Rolle. Bisher sind verschiedene Kinasen als Modulatoren der circadianen Uhr charakterisiert worden, jedoch ist eine funktionale Rolle von Protein Phosphatasen bisher nur unzureichend untersucht. In dieser Arbeit wurde mittels eines RNAi-basierten Screenings in oszillierenden humanen Zellen untersucht, ob sich die gezielte Depletion katalytischer Untereinheiten der Serin/Threonin-Phosphatasen auf die normale Oszillationsdynamik auswirkt und welche Rolle ausgewählte Phosphatase-Kandidaten für die posttranslationale Kontrolle des molekularen Oszillators spielen. Die RNAi vermittelte Depletion von Protein Phosphatase 4 führte gewebe- und speziesübergreifend zu einer signifikant kurzen circadianen Periode, während die Überexpression von wildtypischer Pp4c in einer stark reprimierten Amplitude resultierte. Mechanistische Untersuchungen zur funktionellen Relevanz von PP4c für die Regulation der circadianen Uhr zeigten, dass PP4c womöglich eine duale Rolle spielt: Einerseits ist PP4c in die direkte Aktivierung des Bmal1-Promotors über RRE-Elemente involviert. Anderseits wirkt PP4c inhibierend auf die CLOCK/BMAL1-vermittelte, E-Box getriebene Genexpression. Ein favorisiertes Modell fundiert auf der Vermutung, dass eine durch PP4c induzierte Modulation des Phosphorylierungsstatus von BMAL1 zu einem stabilen, aber transktiptionsinaktiven BMAL1 und damit zu einer verstärkten Repression der Uhrgentranskription führt. / Circadian clocks are endogenous oscillators that drive daily rhythms in physiology, metabolism and behavior. On the molecular level the dynamics of circadian oscillations are regulated by a transcriptional-translational gene-regulatory network. Posttranslational modifications of clock proteins are essential for the precise timing of an about 24 hour-period. Among these modifications, protein phosphorylation plays an important role in regulating activity, stability and intracellular localization of clock proteins. Several kinases were characterized as regulators of the circadian clock. However, the function of protein phosphatases, which balance phosphorylation events, in the mammalian clock mechanism is less well understood. By using a systematic RNAi-based approach in oscillating human cells, this work aimed to study the impact of catalytic subunits of Serine/Threonin-phosphatases on normal circadian dynamics and the functional role of potential candidates in the posttranslational control of the mammalian molecular oscillator. This study demonstrates, that genetic depletion of the catalytic subunit of protein phosphatase 4 results independently from tissue and species in a significant shorter period, whereas overexpression of wildtype PP4c results in a severely reduced amplitude rhythm. Mechanistic experiments to uncover the functional relevance of PP4c in the regulation of the circadian clock showed, that PP4c plays a dual role: Firstly, PP4 is involved in the direct activation of the Bmal1-promotor via RRE elements. Secondly, PP4c is inhibiting the CLOCK/BMAL1-mediated gene expression. A favored model is based on the assumption, that PP4c-induced modulation of the phosphorylation status of BMAL1 leads to a more stable and transcriptional inactive protein and thereby to a repression of the transcription of clock genes.

Post-translationale Modifikationen (PTMs) sind wesentlich für die Regulierung von zellulären Mechanismen. Um diese Prozesse besser zu verstehen, ist es essentiell Methoden für deren Erforschung zu entwickeln. In dieser Arbeit wurden zwei chemoproteomische Ansätze entwickelt, um die PTMs, Proteinphosphorylierung und Proteinpyrophosphorylierung zu untersuchen. Die Proteom-weite Erforschung von Proteinphosphorylierungen beruht gewöhnlich auf der LC-MS/MS-Analyse von enzymatisch verdauten Proteomen und da die Phosphorylierung von niedriger Abundanz ist, wird ein Phosphopeptid-Anreicherungsschritt benötigt. Die Identifizierung von bestimmten Phosphopeptiden ist allerdings abhängig von der gewählten Anreicherungsmethode. Die Entwicklung von neuen Prozeduren ist daher bedeutsam, um neue Phosphorylierungsstellen zu identifizieren. Im ersten Projekt wurde eine milde und selektive Phosphopeptid-Anreicherungsmethode entwickelt und optimiert. Die Methode zeigte die Fähigkeit Phosphopeptide anzureichern und somit das Potential, das Repertoire der vorherigen Methoden zu erweitern, um neue Phosphorylierungsstellen zu identifizieren. Proteinpyrophosphorylierung ist eine unlängst identifizierte PTM, die nicht-enzymatisch an Proteine angefügt wird und es ist nur wenig ist über ihre Funktion bekannt. Vorherige Studien wiesen darauf hin, dass diese Modifikation enzymatisch entfernt wird, allerdings sind die verantwortlichen Enzyme („Proteinpyrophosphatasen“) nicht bekannt. Hier wurde eine Peptidaffinitätsmethode entwickelt, um potentielle Pyrophosphatasen und weitere interagierende Proteine aus humanen Zellen zu identifizieren. Damit wurden 6 Phosphatasen als potentielle Pyrophosphatase-Kandidaten identifiziert und weitere interagierende Proteine gaben Aufschlüsse über die Funktion der Proteinpyrophosphorylierung. Dadurch wurde das Potential der Methode aufgezeigt, interagierende Proteine der Proteinpyrophosphorylierung zu identifizieren, um die zelluläre Rolle zu verstehen. / Post-translational modifications (PTMs) are crucial for the regulation of cellular mechanisms. To better understand these processes, the development of chemical tools to investigate them is of high importance. In this thesis, two chemoproteomics approaches were established to investigate the PTMs protein phosphorylation and protein pyrophosphorylation. The proteome-wide study of protein phosphorylation usually relies on LC-MS/MS analysis of enzymatically digested proteomes, requiring a phosphopeptide enrichment step, due to the low abundance of phosphorylation. However, the identification of certain sets of phosphopeptides is dependend on the choice of enrichment method. Therefore, the development of new workflows is important to identify new phosphorylation sites. In the first project, a mild and selective phosphopeptide enrichment method was developed and optimized. The method was able to enrich phosphopeptides and therefore, showed the potential to complement the repertoire of current methods to identify new phosphorylation sites. Protein pyrophosphorylation is a recently discovered PTM, which is non-enzymatically attached to proteins and there is only sparse knowledge about the function. Previous studies have indicated the enzymatic removal of this modification, but the responsible enzymes (‘protein pyrophosphatases’) are unknown. Here, a peptide affinity capture method was developed to identify potential pyrophosphatases and further interacting proteins from human cells. Therewith, 6 phosphatases were identified as potential pyrophosphatase candidates and further interacting proteins gave insights into the function and mechanisms of protein pyrophosphorylation. Thereby, the potential of this method was demonstrated to identify interacting proteins of protein pyrophosphorylation to understand the cellular role.

Diese Erwerbsstudie beschreibt die Adaption eines Testverfahrens aus der Britischen Gebärdensprache von Herman et al. (2004) in Deutsche Gebärdensprache (DGS). NaKom DGS ist ein Testverfahren das narrative und grammatische Kompetenzen in Kindererzählungen analysiert. NaKom DGS elizitiert Erzählungen mittels eines kurzen sprachfreien Stimulus-Videos und ist für Kinder im Alter von 4-11 Jahren validiert. In einer Querschnittsstudie wurde das Testverfahren mit 97 Kindern deutschlandweit durchgeführt, um das Testverfahren zu validieren. Die Referenzwerte für NaKom DGS basieren auf den Erzählungen von 72 Kindern mit Zugang zu DGS ab Geburt durch taube in DGS kommunizierende Eltern. Durch diese Studie wurden neue Erkenntnisse zum Spracherwerb von DGS gewonnen. Die gefundenen Erwerbsverläufe bieten Wissenschaftler_innen in vielen der untersuchten Strukturen erste Anhaltspunkte für den Spracherwerb in DGS, mit denen zukünftige Forschungsergebnisse verglichen werden können. Ausgewertet werden als narrative Kompetenzen Strukturelemente nach dem globalen Strukturmodell von Labov and Waletzky (1973), sowie Erzählinhalt und Reihenfolge der Erzählung. Als grammatische Kompetenzen werden in Anlehnung an Johnston (2016) auf kleiner satzähnlicher Ebene Verbmodifikationen analysiert: Modifikationen der Art und Weise, direktionale Modifikationen, aspektuelle Modifikationen und abbildende Verben. Auf Textebene, d.h. in Bezug zur gesamten Erzählung, wird konstruierte Aktion untersucht. Die Referenzwerte von NaKom DGS werden cross-linguistisch mit den Ergebnissen des Grundlagentests, sowie einer weiteren Adaption in Amerikanische Gebärdensprache (Enns et al. 2019) verglichen und dadurch zusätzlich bestätigt. / This acquisition study describes the test adaptation process of the British Sign Language (BSL) Productive Skills test from Herman et al. (2004) to German Sign Language (DGS), resulting in the new assessment tool „Sprachproduktionstest zu narrativen Kompetenzen in Deutscher Gebärdensprache“ (NaKom DGS). NaKom DGS analyzes narrative and grammatical competences in children´s narrations, that are elicited via a short language free videoclip. In a nationwide cross-sectional study NaKom DGS was validated with data from 97 signing children, 4-11 years old. The standards for the test are derived from the results of 72 native signing children, that acquire DGS from Deaf DGS signing parents. This study provides new insights in language acquisition in DGS. Up to now research in DGS acquisition is sparse, therefore the results of NaKom DGS are the first insights in many of the analyzed areas. The results provide scholars with first insights and stepping stones for future research. This study focuses on narrative competences as the global structural elements from the model of Labov and Waletzky (1973), as well as narrative content and narrative sequence. Grammatic competences specifically modifications of verbs are analyzed on the level of small clause like units, following Johnston (2016): indicating directional modifications, depicting verbs, aspect and manner. On text level constructed action is analyzed across the whole narration. Additionally the newly developed standards for NaKom DGS are compared to the standards from the BSL test as well as another adaptation to American Sign Language (Enns et al. 2019). This cross-linguistic comparison supports the validity of the German test results.

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Bei der Herstellung und Lagerung von Milch und Milchprodukten kommt es in unterschiedlichem Ausmaß zur Bildung von reversiblen und irreversiblen Proteinquervernetzungen. Dabei verändern sich neben technologischen auch ernährungsphysiologische Eigenschaften des Produktes. Die für die Oligomerisation verantwortlichen Strukturen sind bisher nur zum Teil bekannt. Daher soll in dieser Arbeit zunächst das Ausmaß der Quervernetzung in einer größeren Anzahl an handelsüblichen Milchprodukten ermittelt und mit den für diese Proben gemessenen Gehalten der für irreversible Quervernetzungsreaktionen in Lebensmitteln wichtigen Aminosäurederivate Lysinoalanin (LAL) und Histidinoalanin (HAL) verglichen werden. Der Beitrag dieser beiden Dehydroalanin-Derivate für Oligomerisationen ist jedoch stark von der Art ihres Bildungsweges abhängig. Da es in der Literatur keine abschließenden Untersuchungen über eine intra- oder intermolekularen Bildung von LAL und HAL gibt, ist dies eine grundlegende Aufgabe, um in der Folge den Anteil von unbekannten Crosslinks für die analysierten Lebensmittel bestimmen zu können. Die Identifizierung dieser vorhandenen, jedoch strukturell unbekannten Crosslinks ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Untersuchungen. Hierbei richtet sich das Interesse vor allem auf Quervernetzungsprodukte, die im Zusammenhang mit der nicht-enzymatischen Bräunung oder Maillard-Reaktion gebildet werden. Aus der Literatur ist eine Vielzahl von Verbindungen, die an der Oligomerisation und den damit verbundenen Eigenschaftsänderungen von Proteinen beteiligt sind, aus Modellansätzen oder in vivo-Studien bekannt. Untersuchungen zum Vorkommen dieser Strukturen in handelsüblichen Lebensmitteln fehlen jedoch in den überwiegenden Fällen. Dazu ist neben der Synthese einzelner Verbindungen als Standardmaterial die Entwicklung bzw. Optimierung der Analytik für Lebensmittelmatrices durchzuführen. Einige der bekannten, aber noch nicht in Lebensmitteln nachgewiesenen Crosslinkaminosäuren zeichnen sich durch eine charakteristische Fluoreszenz aus. Die Zunahme der Fluoreszenz in technologisch hergestellten Milchprodukten ist aus der Literatur bekannt, eine Identifizierung der dafür verantwortlichen Verbindungen fehlt hingegen. Daher ist ein weiteres Ziel dieser Arbeit, individuelle, fluoreszierende Crosslinks in Milchprodukten zu charakterisieren und zu quantifizieren.

Fluorescence correlation spectroscopy (FCS) analyzes the fluctuations in the fluorescence intensity, which is emitted from a tiny excition volume, to obtain information about the concentration, the mobility, and the molecular interactions of labeled molecules. The more advanced fluorescence cross-correlation spectroscopy (FCCS) increases the precision in the determination of fl ow velocities and binding constants compared to standard FCS. The miniaturization in biomedical and chemical engineering has been developing rapidly, propelled by the vision of a fully functional laboratory on a single chip and its use in human therapeutics, for example, as implanted drug delivery system. A key requirement to fulfill this vision is the ability to handle small fl uid volumes. Handling liquids using the electrohydrodynamical principle circumvents many of the disadvantages of other systems. The complex flow pattern in the active region of such a pump could not be resolved by common tracking techniques. In this thesis, two-focus FCCS (2f-FCCS) was used to map the flow pro file inside a micropump. The high precision of 2f-FCCS in the determination of fl ow measurements even with small fluorescent particles allowed the measurement of the flow velocities induced by electrohydrodynamic forces acting on the solvent, while excluding the effects of dielectrophoretic forces acting on larger particles. Analysis of the fl ow data indicates a fl ow pattern that consists of two vortices of different size and opposite direction of rotation. The flow pattern derived by 2f-FCCS explains the observed complex particle trajectories in the force field and the accumulation of particles in well-de fined regions above the microelectrode array. In the second part of this thesis, the mechanism of RNA interference (RNAi) was studied by dual-color FCCS in vivo. RNAi is an evolutionary conserved gene silencing mechanism, which uses short double-stranded RNA molecules, called short interfering RNAs (siRNAs), as effector molecules. Due to its speci city and simplicity, RNAi yields a great potential for a widespread therapeutic use. To broaden the therapeutic applications, the in vivo stability of siRNAs has to be improved by chemical modi cations, but some of these modi fications inhibit the gene silencing mechanism. The presented FCCS assays are very well suited to investigate the individual assembly steps of RNAi machinery with very high specifi city and sensitivity in real time and to study the cleavage activity of the activated RNAi machinery. A direct correlation between activity of the RNAi machinery and the results from the FCCS measurements could be shown. The in fluence of several chemical modi cations on the assembly and activity of the RNAi machinery was investigated with these assays. / Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (FCS) analysiert die Fluktuationen im Fluoreszenzsignal eines kleinen angeregten Volumens, um Informationen über die Konzentration, die Bewegung und die Interaktionen der markierten Moleküle zu erhalten. Die Fluoreszenz-Kreuzkorrelations-Spektroskopie (FCCS) erhöht die Genauigkeit bei der Messung von Fließgeschwindigkeiten und Bindungskonstanten im Vergleich zur Standard-FCS. Die Miniaturisierung der Biomedizin und Chemie hat sich rapide entwickelt, angetrieben von der Vision eines kompletten Labors auf einem Chip und dem Einsatz dieses in der medizinischen Therapie, zum Beispiel als implantierter Medikamentenspender. Ein Schlüsselelement zur Erfüllung dieser Vision ist der Transport von kleinsten Flüssigkeitsmengen in diesen miniaturisierten Systemen. Der Transport von Flüssigkeiten mittels des elektrohydrodynamischen Prinzips umgeht viele Nachteile von anderen Systemen, allerdings zeigt eine solche Pumpe ein kompliziertes Strömungsbild in der aktiven Region, welches sich mit herkömmlichen Methoden wie Teilchenverfolgung nicht vermessen ließ. Hier wurde Zwei-Fokus-FCCS (2f-FCCS) genutzt, um das Strömungsbild in der Pumpe zu vermessen. Die hohe Genauigkeit der 2f-FCCS bei der Bestimmung von Fließgeschwindigkeiten auch mit kleinen fluoreszierenden Teilchen ermöglichte die Messung der Fließgeschwindigkeiten, aufgrund der auf das Lösungsmittel wirkenden elektrohydrodynamischen Kräfte, unter Ausschluss der auf größere Teilchen wirkenden dielektrophoretischen Kräfte. Die Analyse der Daten ergab, dass das Strömungsbild aus zwei entgegengesetzt rotierenden unterschiedlich großen Wirbeln besteht. Dieses Strömungsbild erklärt die komplizierten Teilchenbewegungsbahnen und die Anreicherung der Teilchen in klar abgegrenzten Bereichen über den Mikroelektroden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde der RNAi-Mechanismus in lebenden Zellen mittels Zwei-Farben-FCCS untersucht. RNA Interferenz (RNAi) ist ein evolutionär erhaltener Geninaktivierungsmechanismus, der kurze doppelsträngige RNA Moleküle, so genannte kurze interferierende RNAs (siRNAs), als Effektormoleküle nutzt. Die Spezifi tät und Einfachheit der RNAi hat ihr ein weites Feld in der medikamentösen Therapie geöffnet. Zur Erweiterung dieses Feldes ist es nötig die Stabilität der siRNAs im Körper mittels chemischer Modi fikationen zu erhöhen. Einige dieser Modifikationen hemmen aber den RNAi-Mechanismus. Die hier vorgestellten FCCS Experimente sind sehr gut geeignet, um die einzelnen Schritte des Zusammenbaus der RNAi Maschinerie mit hoher Empfi ndlichkeit und Spezi fität in Echtzeit zu untersuchen und die Aktivität der RNAi Maschinerie zu studieren. Es konnte ein Zusammenhang zwischen der Aktivität der RNAi Maschinerie und den Ergebnissen der FCCS Messungen hergestellt werden. Der Einfluss von verschiedenen chemischen Modikationen auf den Zusammenbau und die Aktivität der RNAi Maschinerie wurde mit diesen neuartigen Methoden untersucht.