Stuttgart, Univ., Fakultät Informatik, Diplomarb., 1998.

Techn. University, Diss., 2004--Berlin.

Techn. University, Diss., 2000--Darmstadt.

Zugl.: Siegen, Univ., Diss., 2009

Techn. University, Diss., 2003--Darmstadt.

Glycosaminoglycans are known to bind biological mediators thereby modulating their biological activity. Sulfated hyaluronans (sHA) were reported to strongly interact with transforming growth factor (TGF)-β1 leading to impaired bioactivity in fibroblasts. The underlying mechanism is not fully elucidated yet. Examining the interaction of all components of the TGF-β1:receptor complex with sHA by surface plasmon resonance, we could show that highly sulfated HA (sHA3) blocks binding of TGF-β1 to its TGF-β receptor-I (TβR-I) and -II (TβR-II). However, sequential addition of sHA3 to the TβR-II/TGF-β1 complex led to a significantly stronger recruitment of TβR-I compared to a complex lacking sHA3, indicating that the order of binding events is very important. Molecular modeling suggested a possible molecular mechanism in which sHA3 could potentially favor the association of TβR-I when added sequentially. For the first time bioactivity of TGF-β1 in conjunction with sHA was investigated at the receptor level. TβR-I and, furthermore, Smad2 phosphorylation were decreased in the presence of sHA3 indicating the formation of an inactive signaling complex. The results contribute to an improved understanding of the interference of sHA3 with TGF-β1:receptor complex formation and will help to further improve the design of functional biomaterials that interfere with TGF-β1-driven skin fibrosis.

Glycosaminoglycans are known to bind biological mediators thereby modulating their biological activity. Sulfated hyaluronans (sHA) were reported to strongly interact with transforming growth factor (TGF)-β1 leading to impaired bioactivity in fibroblasts. The underlying mechanism is not fully elucidated yet. Examining the interaction of all components of the TGF-β1:receptor complex with sHA by surface plasmon resonance, we could show that highly sulfated HA (sHA3) blocks binding of TGF-β1 to its TGF-β receptor-I (TβR-I) and -II (TβR-II). However, sequential addition of sHA3 to the TβR-II/TGF-β1 complex led to a significantly stronger recruitment of TβR-I compared to a complex lacking sHA3, indicating that the order of binding events is very important. Molecular modeling suggested a possible molecular mechanism in which sHA3 could potentially favor the association of TβR-I when added sequentially. For the first time bioactivity of TGF-β1 in conjunction with sHA was investigated at the receptor level. TβR-I and, furthermore, Smad2 phosphorylation were decreased in the presence of sHA3 indicating the formation of an inactive signaling complex. The results contribute to an improved understanding of the interference of sHA3 with TGF-β1:receptor complex formation and will help to further improve the design of functional biomaterials that interfere with TGF-β1-driven skin fibrosis.

Sustainably realizing applications of the future with high performance demands requires that energy efficiency becomes a central design criterion for the entire system. For example, the power consumption of the analog-to-digital converter (ADC) can become a major factor when transmitting at large bandwidths and carrier frequencies, e.g., for ultra-short range high data rate communication. The consumed energy per conversion step increases with the sampling rate such that high resolution ADCs become unfeasible in the sub-THz regime at the very high sampling rates required. This makes signaling schemes adapted to 1-bit quantizers a promising alternative. We therefore quantify the performance of bandlimited 1-bit quantized wireless communication channels using techniques like oversampling and faster-than-Nyquist (FTN) signaling to compensate for the loss of achievable rate. As a limiting case, we provide bounds on the mutual information rate of the hard bandlimited 1-bit quantized continuous-time – i.e., infinitely oversampled – additive white Gaussian noise channel in the mid-to-high signal-to-noise ratio (SNR) regime. We derive analytic expressions using runlength encoded input signals. For real signals the maximum value of the lower bound on the spectral efficiency in the high-SNR limit was found to be approximately 1.63 bit/s/Hz. Since in practical scenarios the oversampling ratio remains finite, we derive bounds on the achievable rate of the bandlimited oversampled discrete-time channel. These bounds match the results of the continuous-time channel remarkably well. We observe spectral efficiencies up to 1.53 bit/s/Hz in the high-SNR limit given hard bandlimitation. When excess bandwidth is tolerable, spectral efficiencies above 2 bit/s/Hz per domain are achievable w.r.t. the 95 %-power containment bandwidth. Applying the obtained bounds to a bandlimited oversampled 1-bit quantized multiple-input multiple-output channel, we show the benefits when using appropriate power allocation schemes. As a constant envelope modulation scheme, continuous phase modulation is considered in order to relieve linearity requirements on the power amplifier. Noise-free performance limits are investigated for phase shift keying (PSK) and continuous phase frequency shift keying (CPFSK) using higher-order modulation alphabets and intermediate frequencies. Adapted waveforms are designed that can be described as FTN-CPFSK. With the same spectral efficiency in the high-SNR limit as PSK and CPFSK, these waveforms provide a significantly improved bit error rate (BER) performance. The gain in SNR required for achieving a certain BER can be up to 20 dB. / Die nachhaltige Realisierung von zukünftigen Übertragungssystemen mit hohen Leistungsanforderungen erfordert, dass die Energieeffizienz zu einem zentralen Designkriterium für das gesamte System wird. Zum Beispiel kann die Leistungsaufnahme des Analog-Digital-Wandlers (ADC) zu einem wichtigen Faktor bei der Übertragung mit großen Bandbreiten und Trägerfrequenzen werden, z. B. für die Kommunikation mit hohen Datenraten über sehr kurze Entfernungen. Die verbrauchte Energie des ADCs steigt mit der Abtastrate, so dass hochauflösende ADCs im Sub-THz-Bereich bei den erforderlichen sehr hohen Abtastraten schwer einsetzbar sind. Dies macht Signalisierungsschemata, die an 1-Bit-Quantisierer angepasst sind, zu einer vielversprechenden Alternative. Wir quantifizieren daher die Leistungsfähigkeit von bandbegrenzten 1-Bit-quantisierten drahtlosen Kommunikationssystemen, wobei Techniken wie Oversampling und Faster-than-Nyquist (FTN) Signalisierung eingesetzt werden, um den durch Quantisierung verursachten Verlust der erreichbaren Rate auszugleichen. Wir geben Grenzen für die Transinformationsrate des Extremfalls eines strikt bandbegrenzten 1-Bit quantisierten zeitkontinuierlichen – d.h. unendlich überabgetasteten – Kanals mit additivem weißen Gauß’schen Rauschen bei mittlerem bis hohem Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) an. Wir leiten analytische Ausdrücke basierend auf lauflängencodierten Eingangssignalen ab. Für reelle Signale ist der maximale Wert der unteren Grenze der spektralen Effizienz im Hoch-SNR-Bereich etwa 1,63 Bit/s/Hz. Da die Überabtastrate in praktischen Szenarien endlich bleibt, geben wir Grenzen für die erreichbare Rate eines bandbegrenzten, überabgetasteten zeitdiskreten Kanals an. Diese Grenzen stimmen mit den Ergebnissen des zeitkontinuierlichen Kanals bemerkenswert gut überein. Im Hoch-SNR-Bereich sind spektrale Effizienzen bis zu 1,53 Bit/s/Hz bei strikter Bandbegrenzung möglich. Wenn Energieanteile außerhalb des Frequenzbandes tolerierbar sind, können spektrale Effizienzen über 2 Bit/s/Hz pro Domäne – bezogen auf die Bandbreite, die 95 % der Energie enthält – erreichbar sein. Durch die Anwendung der erhaltenen Grenzen auf einen bandbegrenzten überabgetasteten 1-Bit quantisierten Multiple-Input Multiple-Output-Kanal zeigen wir Vorteile durch die Verwendung geeigneter Leistungsverteilungsschemata. Als Modulationsverfahren mit konstanter Hüllkurve betrachten wir kontinuierliche Phasenmodulation, um die Anforderungen an die Linearität des Leistungsverstärkers zu verringern. Beschränkungen für die erreichbare Datenrate bei rauschfreier Übertragung auf Zwischenfrequenzen mit Modulationsalphabeten höherer Ordnung werden für Phase-shift keying (PSK) and Continuous-phase frequency-shift keying (CPFSK) untersucht. Weiterhin werden angepasste Signalformen entworfen, die als FTN-CPFSK beschrieben werden können. Mit der gleichen spektralen Effizienz im Hoch-SNR-Bereich wie PSK und CPFSK bieten diese Signalformen eine deutlich verbesserte Bitfehlerrate (BER). Die Verringerung des erforderlichen SNRs zur Erreichung einer bestimmten BER kann bis zu 20 dB betragen.

Die Aktivierung des NF-kB Vorläuferproteins p100 und p105 erfolgt durch eine proteasomale Trunkierung, um die aktiven p52 und p50 zu erzeugen. Zur Erforschung wurde eine Massenspektrometrie-basierende Proteomik-Strategie entwickelt, die mit der gezielten Reaktionsüberwachungstechnik plus einer Isotopenmarkierung verwendet wurde. In einem endogenen murinen embryonalen Fibroblasten-System konnte gezeigt werden, dass beide Vorläufer zu den jeweiligen Produkten in einer parallelen und sich einander bedingenden Weise in Reaktion auf einen Lymphotoxin-β-Rezeptor-Agonisten verarbeitet werden. Unsere SRM-SILAC- Methode erlaubte die Unterscheidung von Prä-Stimulationsprotein-Populationen aus Proteinen, die de novo nach der Stimulation synthetisiert wurden, und zeigte eine Tendenz für ältere Vorläufermoleküle, sich einer Degradation zu unterziehen, während die de novo-Moleküle auf die Produkte verarbeitet wurden. Die langsame und anhaltende Kinetik, die ein typisches Merkmal des nicht-kanonischen NF-κB- Weges ist. Darüber hinaus, konnten wir beobachten, dass die hydrolytische Aktivität der AAA ATPase VCP / p97 in der Bildung von de novo p52 und p50 eine Rolle spielt. Durch ein MS-basiertes Screening für strahlungsinduzierte Protein-Interaktoren eines weiteren NF-κB-Players, der die regulatorische Untereinheit des IKK-Komplexes IKKγ / NEMO bildet, konnte der Enhancer von mRNA Decapping 4 (EDC4) entdeckt werden. Durch die zusätzliche Untersuchung der E3-Ligase, Parkin, konnte eine Verbindung mit dem NF-κB-Weg durch eine lineare Ubiquitinierung hergestellt werden. Es konnte gezeigt werden, dass Parkin ist Hauptkomponenten des linearen Ubiquitin-Ketten-Assemblierungskomplexes (LUBAC). Die Proteomanalyse im Proteinkinase A (PKA) -Signalisierungsweg konnte zwei neuartige Regulationsformen identifizieren: K63-verknüpfte Polyubiquitinierung die katalytische Untereinheit von PKA, PKAC in Richtung eines lysosomalen pathways führt, und auch durch einen Pseudosubstrat-Hemmungsmechanismus. / Activation of the NF-κB precursor protein p100 and p105 by a specific proteasomal truncation to yield the active products p52 and p50 is a distinct feature of the non- canonical pathway but the mechanism governing it remains elusive. A novel mass spectrometry-based proteomics strategy was developed, using the targeted selected reaction monitoring technique in conjunction with stable isotope labeling for both absolute quantitation of proteins and to mark precursor protein populations relative to the application of the lymphotoxin β stimulation. In an endogenous murine embryonic fibroblast system, we have shown that both precursors are processed to the respective products in a parallel and interdependent manner in response to a lymphotoxin β receptor agonist. Our Dynamic SRM-SILAC method allowed distinction of pre-stimulation protein populations from proteins synthesized de novo post- stimulation, and revealed a tendency for older precursor molecules to undergo degradation while the de novo molecules went on to be processed to the products, accounting for the slow and persistent kinetics that are a hallmark of the non- canonical NF-κB pathway. In addition, the hydrolytic activity of the AAA ATPase VCP/p97 was implicated in the generation of de novo p52 and p50. An MS-based proteomics screen for specific, radiation-induced protein interactors of another key NF-κB player, the regulatory subunit of the IKK complex, IKKγ/NEMO, turned up the Enhancer of mRNA Decapping 4 (EDC4). This unexpected finding has expanded the known role of NF-κB regulation of protein levels beyond transcription into mRNA stability. Separate investigations into the ubiquitin E3 ligase, parkin, connected it to the NF-κB pathway through a linear ubiquitination it helps catalyze on IKKγ/NEMO. Proteomic analysis of polyubiquitin in the protein kinase A (PKA) signalling pathway helped to identify two novel modes of regulation: a lysosomal degradation pathway; as well as a pseudosubstrate inhibition mechanism.

Modularität ist ein wiederkehrendes Thema in biologischen Netzwerken, in denen sich unabhängige Elemente wiederholen und neu zusammensetzen, um neue Funktionen zu erzeugen. In der angeborenen Immunität sind supramolekular organisierende Zentren (SMOCs) ein Beispiel für Modularität, die durch eine ligandeninduzierte komplexe Selbstassemblierung gekennzeichnet sind und deren Signalkomponenten in ihrer lokalen Konzentration zunehmen. Das Myddosom ist ein SMOC, das sich als Reaktion auf den Liganden IL-1, ein wichtiges proinflammatorisches Zytokin, zusammensetzt. Der Myddosom-vermittelte IL-1-Signalweg wurde mit biochemischen Methoden umfassend charakterisiert, doch Informationen zur Dynamik sind weiterhin begrenzt. Es gibt widersprüchliche Berichte darüber, wie die Proteine des IL-1-Signalwegs zusammengesetzt werden, und es ist nicht bekannt, ob die Komplexe des IL-1-Signalwegs wieder abgebaut werden. In dieser Arbeit wurde die Dynamik der Myddosom-vermittelten IL-1-Signaltransduktion untersucht, wobei eine völlig neue Hochdurchsatz-Bildanalyse-Pipeline, eine Phasenporträtanalyse, ein neuartiger Mikroskopie-Assay und CRISPR/Cas9-editierte lebende Lymphomzelllinien kombiniert wurden. Hier zeige ich, dass der Aufbau des IL-1-Signalwegs sequenzielle Schritte, eine ligandeninduzierte De-novo-Oligomerisierung, Proteine, die die Oligomergröße regulieren, und zwei Module umfasst: das Myddosom und die NF-κB-Signalosome. Das stromaufwärts gelegene Myddosom-Signalosom (MyD88, IRAK4, IRAK1, TRAF6, TAB2) erscheint zuerst, zeigt keine Erholung in FRAP-Experimenten und zeigt eine positive interne Rückkopplung. Das nachgeschaltete NF-κB-Signalosom (HOIL1, NEMO, RelA, A20) erscheint später, erholt sich nach FRAP und reguliert das Myddosom-Signalosom negativ. Ich zeige auch zum ersten Mal, dass sich der IL-1-Signalweg nach Überschreiten eines kritischen stöchiometrischen Verhältnisses auflöst und dass dynamische Gleichungen den Zusammenbau und den Abbau nachbilden können. Diese Ergebnisse zeigen, wie ein SMOC-abhängiger Signalweg Modularität zur Regulierung einsetzt. Das Verständnis von Signalisierungsmodulen ist von großer Bedeutung für die Aufklärung der regulatorischen Schaltkreise in biologischen Netzwerken. Meine Hochdurchsatz-Pipeline bietet einen vielversprechenden Ansatz, um dieses Ziel zu erreichen. / Modularity is a recurring theme in biological networks where independent elements repeat and shuffle to produce novel functions. In innate immunity, supramolecular organizing centers (SMOCs) are an example of modularity, characterized by ligand-induced complex self-assembly, and signaling components increase in local concentration. The Myddosome is a SMOC that assembles in response to the ligand IL-1, a vital proinflammatory cytokine. The Myddosome-mediated IL-1 signaling pathway has been extensively characterized using biochemical methods, yet dynamic information remains limited. There are conflicting reports of how the IL-1 pathway proteins assemble, and it is unknown whether IL-1 pathway complexes disassemble. This thesis investigated the Myddosome-mediated IL-1 signal transduction dynamics, combining a completely new high-throughput image analysis pipeline, phase portrait analysis, a novel microscopy assay, and CRISPR/Cas9-edited live lymphoma cell lines. Here, I show that the IL-1 pathway assembly has sequential steps, ligand-induced de novo oligomerization, proteins regulating oligomer size, and two modules: the Myddosome and NF-κB signalosomes. The upstream Myddosome signalosome (MyD88, IRAK4, IRAK1, TRAF6, TAB2) appears first, has no FRAP recovery, and shows positive internal feedback. The downstream NF-κB signalosome (HOIL1, NEMO, RelA, A20) appears later, recovers after FRAP, and negatively regulates the Myddosome signalosome. I also show, for the first time, that the IL-1 pathway disassembles after crossing a critical stoichiometric ratio, and that dynamical equations can recapitulate assembly-disassembly. These results demonstrate how a SMOC-dependent pathway uses modularity to achieve regulation. Understanding signaling modules holds significant implications for elucidating the regulatory circuitry in biological networks. My high-throughput pipeline offers a promising approach to achieving this objective.