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Die Arbeit beschäftigt sich mit dem Problem der Fettlebererkrankung. In der Einleitung wird auf die aktuelle Relevanz der Gesundheitsstörung und Therapiemöglichkeiten eingegangen, insbesondere durch das, in der Therapie des Diabetes mellitus Typ 2 gebräuchliche Biguanid Metformin. Der Bezug zu molekularbiologischen Signalwegen wird hergestellt und verschiedene in vitro Modellsysteme werden vorgestellt. Anschließend wird auf die Herkunft und genetische Besonderheiten der verwendeten primären Maushepatozyten und Hepatomzellen eingegangen, bevor die angewandten Methoden vorgestellt werden. Zum Einsatz kam in dieser Arbeit vor allem die Lipidmessung mittels Fettrot, um das Ausmaß an Steatosis quantifizierbar zu machen. Im Ergebnisteil folgen zuerst Versuche zur Zytotoxizität der einzelnen Chemikalien und deren Einfluss auf intrazelluläre Energieniveaus, bevor der Einfluss auf die hepatozellulären Fetteinlagerungen im Detail untersucht wird. Unterstützt werden die Ergebnisse durch mikroskopische Bilder der Hepatozyten, welche die beschriebenen Effekte verdeutlichen. Insgesamt konnten folgende Thesen aufgestellt werden: • Zwischen primären Hepatozyten von Wildtyp- und Knockout-Mäusen, bestehen nach 24 stündiger Kultivierung Unterschiede bezüglich des intrazellulären Lipidgehaltes, welche sich nach 72 stündiger Kultivierungszeit nivellieren. • Metformin- und Fructoseinkubation senken den intrazellulären ATP-Gehalt, gleichzeitige Anwesenheit von Metformin und Glucose vermindern den Effekt. • Durch 72-stündige Inkubation der primären Hepatozyten und Behandlung mit Metformin konnte der intrazelluläre Lipidgehalt um circa 40% gesenkt werden. • Durch 72-stündige Inkubation der primären Hepatozyten mit Glucose konnte der intrazelluläre Lipidgehalt um circa 100% gesteigert werden. • Bei humanen Hepatomzellen (HuH7) konnte kein Metformin- und kein Glucoseeffekt beobachtet werden. • Der LXR-Agonist TO901317 wirkt auf den intrazellulären Lipidgehalt Metformin entgegen.

Der RAF-MEK-ERK-Signalweg steuert grundlegende, oftmals entgegengesetzte zelluläre Prozesse wie die Proliferation und Apoptose von Zellen. Die Dauer des vermittelten Signals wurde als entscheidener Faktor für die Steuerung dieser Prozesse identifiziert. Es ist jedoch nicht eindeutig geklärt, wie die verschiedenen früh und spät reagierenden Genexpressionsmodule kurze und lange Signale unterscheiden können und durch welche kinetischen Merkmale ihre Antwortzeit bestimmt wird. In der vorliegenden Arbeit wurden sowohl Proteinphosphorylierungsdaten als auch Genexpressionsdaten aus HEK293-Zellen gewonnen, die ein induzierbares Konstrukt des Proto-Onkogens RAF tragen. Hierbei wurde ein neues Genexpressionsmodul identifiziert, dass sich aus sofort induzierten aber spät antwortenden Genen zusammensetzt. Es unterscheidet sich in der Genexpressionsdynamik und Genfunktion von anderen Modulen, und wurde mit Hilfe mathematischer Modellierung experimenteller Daten identifiziert. Es wurde festgestellt, dass diese Gene aufgrund von langen Halbwertszeiten der vermitteltenden mRNA in der Lage sind spät auf das eingehende Signal zu reagieren und die Dauer des Signals in die Amplitude der Genantwort zu übersetzen. Trotz der langsamen Akkumulation und damit späten Antwortzeit, konnte aufgrund einer GC-reichen Promoterstruktur zunächst vermutet und mit Hilfe eines Markerverfahrens bestätigt werden, dass die Transkription dieser Gene instantan mit Beginn der ERK-Aktivierung startet. Eine vergleichende Analyse zeigte, dass das Prinzip der Signaldauer-Entschlüsselung in PC12-Zellen und MCF7-Zellen, zwei paradigmatischen Zellsystemen für die ERK-Signaldauer, konserviert ist. Insgesamt deuten die Ergebnisse der Untersuchung darauf hin, dass das neu identifizierte Genexpressionsmodul der Entschlüsselung der ERK-Signaldauer dient und das mRNA Halbwertszeiten sowohl hierfür, als auch für die zeitliche Abfolge der Genantwort eine entscheidende Rolle spielen. / The RAF-MEK-ERK signalling pathway controls fundamental, often opposing cellular processes such as proliferation and apoptosis. Signal duration has been identified to play a decisive role in these cell fate decisions. However, it remains unclear how the different early and late responding gene expression modules can discriminate short and long signals and what features govern their timing. Both protein phosphorylation and gene expression time course data was obtained from HEK293 cells carrying an inducible construct of the proto-oncogene RAF. A new gene expression module of immediate-late genes (ILGs) distinct in gene expression dynamics and function was identified by mathematical modelling. It was found that mRNA longevity enables these ILGs to respond late and thus translate ERK signal duration into response amplitude. Despite their late response, their GC-rich promoter structure suggested and metabolic labelling with 4SU confirmed that transcription of ILGs is induced immediately. A comparative analysis showed that the principle of duration decoding is conserved in PC12 cells and MCF7 cells, two paradigm cell systems for ERK signal duration. Altogether, the findings of this study indicate that ILGs decode ERK signal duration and that both decoding capacity and gene expression timing are governed by mRNA half-life.

Der Überträger von Malaria, Anopheles gambiae, fordert jedes Jahr das Leben von etwa einer halben Million Menschen. Dennoch haben Mücken Mechanismen entwickelt, die die Ausbreitung von Krankheitserregern einschränken können. Der NF-κB-ähnliche Signalweg REL2 wurde als Schlüsselmechanismus für die Abtötung von Plasmodium falciparum in Mücken beschrieben, der sie bei experimenteller Aktivierung resistent gegen Plasmodium-Parasiten macht. Der Weg blieb jedoch schlecht charakterisiert. Zur Charakterisierung des REL2-Signalwegs wurden Loss-of-Function-Mutanten des Gens das Transkriptionsfaktor REL2 kodiert verwendet. Hier wurde die Fitness der Mücken mit REL2-Mangel, ihre Anfälligkeit für eine Infektion mit P. falciparum und Veränderungen in ihren mikrobiellen Gemeinschaften untersucht. Es wurde eine entscheidende Rolle des REL2-Signalwegs bei der Kontrolle der Proliferation des Mitteldarmmikrobioms und folglich des Überlebens der Mücken identifiziert. Es konnte kein konsistenter Phänotyp in der Anfälligkeit von REL2-Mutanten gegenüber Plasmodium beobachtet werden. Die Interaktion des Signalwegs und des Parasiten war indirekt, als Folge der REL2- und Mikrobiom-Interaktion. Gewebespezifische Transkriptomsequenzierung wurde verwendet um REL2-Genziele zu identifizieren. Die Ergebnisse zeigten die gewebespezifische Funktion des REL2-Signalwegs, wobei der Mitteldarm der Hauptort seiner Aktivität ist. Die identifizierten REL2-Genziele gehörten zu verschiedenen Domänen der Mückenphysiologie, einschließlich des Stoffwechsels. Mit weiteren Experimenten wurde die Rolle des REL2-Signalwegs bei der Blutmahlzeitverdauung und dem Management von Zucker- und Lipidressourcen beobachtet. Diese Studie ist die erste, die die Hauptgewebe der REL2-Aktivität und die Genziele des Signalwegs in Mücken identifiziert. Seine Hauptfunktion ist die Regulierung der mikrobiellen Gemeinschaften der Mücken im Mitteldarm, aber der Signalweg ist auch an der Feinabstimmung von Stoffwechselprozessen beteiligt. / Malaria vector, Anopheles gambiae, claims lives of around half a million people each year. But mosquitoes have developed an array of mechanisms that can limit pathogen proliferation. NF-κB-like signaling pathway REL2 has been described as a key mechanism for Plasmodium falciparum killing in mosquitoes, rendering them resistant to Plasmodium parasites when experimentally activated. However, the pathway remained poorly characterized. With an aim to characterize the REL2-dependent Plasmodium killing, loss-of-function mutants of the gene encoding the NF-κB-like transcription factor REL2 were used. The fitness of the REL2 deficient mosquitoes, their susceptibility to P. falciparum infection, and changes in their microbial communities were investigated. A critical role of REL2 pathway in controlling the midgut microbiome proliferation, and consequently the mosquito survival, has been identified. Interestingly, no consistent phenotype could be observed in the susceptibility of REL2 mutants to Plasmodium. Rather, the interaction of the pathway and parasite seems to be indirect, as a consequence of the REL2 and microbiome interaction. Furthermore, tissue-specific transcriptome sequencing was used to identify REL2 gene targets. The sequencing results revealed the tissue-specific function of the REL2-pathway, with the midgut being the main site of its activity. Identified REL2 gene targets belonged to various domains of mosquito physiology, including metabolism. With further experiments, the role of the REL2 pathway in blood meal digestion and management of sugar and lipid resources has been observed. Taken together, this study is the first to identify the main tissues of the REL2 activity and also gene targets of the pathway in mosquitoes. Its main function was found to be the regulation of mosquito microbial communities in the midgut, but the pathway also seems involved in fine-tuning of metabolic processes.

Die EGFR-Signalübertragung steuert viele verschiedene zelluläre Prozesse in allen Arten von Epithelzellen, einschließlich des Darmepithels. Diese Prozesse reichen von Proliferation und Wachstum über Differenzierung bis hin zu Autophagie und Apoptose. Die vorliegende Studie zielt darauf ab, die Signalveränderungen zu charakterisieren, die im Darmepithel als Reaktion auf EGF-induzierten Hungerstress stattfinden. Kontraintuitiv führte eine 24-stündige EGF-Starre zu einer deutlichen Phosphorylierung von EGFR, MEK1/2 und ERK1/2, was auf eine Aktivierung dieser Signalachse in Darmzellen hindeutet. Diese Veränderungen waren am signifikantesten in den undifferenzierten CD44-reichen Krypta-Basiszellen. Interessanterweise war die EGF-Starvation-induzierte ERK1/2-Phosphorylierung mit der Hochregulierung einer Untergruppe von ERK-Zielgenen verbunden, bei denen es sich zumeist um primäre Zielgene handelt. Die Überexpression des EGFR-Liganden HBEGF und des FGFR-Liganden FGF1 in ausgehungerten Zellen könnte für die hungerbedingte Zunahme der MAPK-Aktivität verantwortlich sein, obwohl eine erhöhte Sekretion dieser Liganden durch ausgehungerte Organoide nicht bestätigt werden konnte. Dennoch wird die kompensatorische Ligandensekretion durch die Beobachtung gestützt, dass die erneute Zugabe von EGF zu ausgehungerten Organoiden die pERK1/2-Spiegel auf den Ausgangswert zurücksetzt, was bedeutet, dass EGF mit einem anderen von ausgehungerten Zellen sezernierten Liganden um den EGFR konkurriert. Zusätzlich zu HBEGF wurde festgestellt, dass andere Gene, die für den Schutz, das Überleben und die Regeneration des Darmepithels bekannt sind, in ausgehungerten Organoiden überexprimiert werden, wie z. B. Reg3b. Insgesamt können die in dieser Studie berichteten EGF-induzierten Veränderungen der MAPK-Signalübertragung und der globalen Genexpression als ein überlebensförderndes Programm interpretiert werden, das bevorzugt in Darmstammzellen und frühen Vorläuferzellen aktiviert wird. / EGFR signaling drives many different cellular processes in all kinds of epithelial cells including the intestinal epithelium. Such processes range from proliferation and growth to differentiation to autophagy and apoptosis. The present study aims to characterize signaling changes that take place in the intestinal epithelium in response to EGF starvation-induced stress using epithelial organoids derived from the mouse duodenum and human colorectal tumor tissue. Counterintuitively, 24 h EGF starvation induced a prominent phosphorylation of EGFR, MEK1/2 and ERK1/2 indicating an activation of this signaling axis in intestinal cells. These changes were most significant in the undifferentiated CD44-high crypt base cells. Interestingly, EGF starvation-induced ERK1/2 phosphorylation was associated with upregulation of a subset of ERK target genes that were mostly primary-response targets. Overexpression of the EGFR ligand HBEGF and the FGFR ligand FGF1 in starved cells may account for starvation-driven increase in MAPK activity, although an increased secretion of these ligands by starved organoids was not confirmed. Nevertheless, compensatory ligand secretion is still supported by the observation that EGF re-addition to starved organoids restores pERK1/2 levels to baseline which implies that EGF competes for EGFR with some other ligand secreted by starved cells. In addition to HBEGF, other genes known to promote protection, survival and regeneration of the intestinal epithelium were found to be overexpressed in starved organoids such as Reg3b. Collectively, EGF starvation-induced changes in MAPK signaling and global gene expression reported in this study can be interpreted as a pro-survival program that gets activated preferentially in intestinal stem cells and early progenitors.

Information spielt in der Natur eine zentrale Rolle. Als intrinsischer Teil des genetischen Codes ist sie das Grundgerüst jeder Struktur und ihrer Entwicklung. Im Speziellen dient sie auch Organismen, ihre Umgebung wahrzunehmen und sich daran anzupassen. Die Grundvoraussetzung dafür ist, dass sie Information ihrer Umgebung sowohl messen als auch interpretieren können, wozu Zellen komplexe Signaltransduktionswege entwickelt haben. In dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf Signalprozesse in S.cerevisiae die von osmotischem Stress (High Osmolarity Glycerol (HOG) Signalweg) und der Stimulation mit α-Faktor (Pheromon Signalweg) angesprochen werden. Wir wenden stochastische Modelle an, die das intrinsische Rauschen biologischer Prozesse darstellen können, um verstehen zu können wie Signalwege die ihnen zur Verfügung stehende Information umsetzen. Informationsübertragung wird dabei mit einem Ansatz aus Shannons Informationstheorie gemessen, indem wir sie als einen Kanal in diesem Sinne auffassen. Wir verwenden das Maß der Kanalkapazität, um die Genauigkeit des Phosphorelays einschränken zu können. In diesem Modell, simuliert mit dem Gillespie Algorithmus, können wir durch die Analyse des Signalverhaltens den Parameterraum zusätzlich stark einschränken. Eine weitere Herangehensweise der Signalverarbeitung beschäftigt sich mit dem “Crosstalk” zwischen HOG und Pheromon Signalweg. Wir zeigen, dass die Kontrolle der Signalspezifizität vor allem bei Scaffold-Proteinen liegt, die Komponenten der Signalkaskade binden. Diese konservierten Motive zellulärer Signaltransduktion besitzen eine geeignete Struktur, um Information getreu übertragen zu können. Im letzten Teil der Arbeit untersuchen wir potentielle Gründe für die evolutionäre Selektion von Scaffolds. Wir zeigen, dass ihnen bereits durch die Struktur des Mechanismus möglich ist, Informationsgenauigkeit zu verbessern und einer verteilten Informationsweiterleitung sowohl dadurch als auch durch ihre Robustheit überlegen sind. / Information plays a ubiquitous role in nature. It provides the basis for structure and development, as it is inherent part of the genetic code. It also enables organisms to make sense of their environments and react accordingly. For this, a cellular interpretation of information is needed. Cells have developed sophisticated signaling mechanisms to fulfill this task and integrate many different external cues with their help. Here we focus on signaling that senses osmotic stress (High Osmolarity Glycerol (HOG) pathway) as well as α-factor stimulation (pheromone pathway) in S.cerevisiae. We employ stochastic modeling to simulates the inherent noisy nature of biological processes to assess how systems process the information they receive. This information transmission is evaluated with an information theoretic approach by interpreting signal transduction as a transmission channel in the sense of Shannon. We use channel capacity to both constrain as well as quantify the fidelity in the phosphorelay system of the HOG pathway. In this model, simulated with the Gillespie Algorithm, the analysis of signaling behavior allows us to constrain the possible parameter sets for the system severely. A further approach to signal processing is concerned with the mechanisms that conduct crosstalk between the HOG and the pheromone pathway. We find that the control for signal specificity lies especially with the scaffold proteins that tether signaling components and facilitate signaling by trans-location to the membrane and shielding against miss-activation. As conserved motifs of cellular signal transmission, these scaffold proteins show a particularly well suited structure for accurate information transmission. In the last part of this thesis, we examine the potential reasons for an evolutionary selection of the scaffolding structure. We show that due to its structure, scaffolds are increasing information transmission fidelity and outperform a distributed signal in this regard.

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Störung des G1-Restriktionspunkts des Zellzyklus und Verlust der Wachstumskontrolle in Folge der Inaktivierung des Rb-Signalwegs ist ein häufiges Ereignis in malignen Tumoren. Gemeinsam mit der Hemmung von Apoptose-Signalwegen sind solche genetischen Ereignisse zentrale pathogenetische Faktoren der Tumorentstehung. Diese Veränderungen prägen aber auch entscheidend die Tumorbiologie und bestimmen somit intrinische und erworbene Therapieresistenz und konsequenterweise auch die klinische Prognose der Tumorerkrankung. In der vorliegenden Arbeit wurden Veränderungen im Rb- und im p53-Signalweg in Plattenepithelkarzinomen des Ösophagus untersucht. Diese retrospektive Studie wurde an Tumorproben von 53 mit kurativer Intention R0-resezierten Patienten durchgeführt. Proteinexpression wurde mittels Immunhistochemie und Mutationen mittels SSCP-PCR analysiert. Aktivierende Punktmutationen des K-ras Onkogens wurden mittels mutationsselektiver genomischer PCR und eines sequenzspezifischen Festphasen-Hybridisierungstests nachgewiesen. Die Analyse der individuellen Gene zeigte, dass Expressionsverlust der Rb-Signalwegskomponenten p16INK4a, p21CIP/WAF-1, p27KIP1 und von Rb selbst, sowie die Überexpression von Cyclin D1 bzw. Verlust des pro-apoptotischen Bcl-2 Homologs Bax mit schlechter Prognose, d.h. kürzerem Überleben korrelierte. Überexpression von Cyclin E, p53 oder Bcl-2, sowie Mutation von p53 bzw. K-ras zeigten hingegen keinen Einfluss auf die Prognose. Das längste Überleben wurde in einer Subgruppe von Patienten beobachtet deren Tumore eine Kombination günstiger Genotypen zeigte, und zwar niedrige Cyclin D1 Expression, sowie hohe Expression von Rb, p21CIP/WAF-1, p16INK4a und Bax. Diese Ergebnisse zeigen, dass eine Multigen- oder "Multimarker"-Analyse von Genen, die konsekutiv oder synergistisch in Zellzyklus- und Apoptose-Signalwegen agieren, zur Prognoseabschätzung der Analyse individueller Gene deutlich überlegen ist. Die Identifikation solcher genetischer Markerprofile sollte sich auch zukünftig als nützlich für die klinische Entscheidungsfindung in der Therapie maligner Tumore erweisen und wird konventionelle klinische und pathologische Faktoren komplementieren, die bisher keine ausreichende Prognoseabschätzung erlauben. / Malignant tumors frequently show inactivation of the Rb pathway and, as a result, deregulation of the G1 restriction point of the cell cycle and loss of growth control. Together with the inhibition of apoptosis signaling pathways, such events are key pathogenetic factors in tumor development. Moreover, these aberrations are decisive in determining tumor biology and characteristics such as intrinisic or acquired resistance to therapy and, consequently, the clinical prognosis of the malignant disease. In the present work, aberrations in the Rb and the p53 pathway were analysed. This retrospective study was undertaken in a cohort of 53 patients with esophageal squamous cell carcinoma who underwent R0 resection with a curative intent. Protein expression in tumor samples was analysed by means of immunohistochemistry and mutations were investigated by the use of genomic SSCP-PCR. Activating point mutations of the K-ras oncogene were detected by the use of mutation-selective genomic PCR and a sequence specific solid phase hybridization assay. The analysis of individual genes showed a correlation between poor prognosis, i.e. short overall survival, and loss of the Rb pathway components p16INK4a, p21CIP/WAF-1, p27KIP1, and Rb itself, or overexpression of cyclin D1 or loss of the pro-apoptotic Bcl-2 homolog Bax. In contrast, overexpression of cyclin E, p53 or Bcl-2 and mutation of p53 or K-ras had no influence on disease prognosis. The longest survival was found in a subgroup of patients whose tumors exhibited a combination of favorable genotypes, i.e. low expression of cyclin D1, and high expression of Rb, p21CIP/WAF-1, p16INK4a and Bax. These results demonstrate that a multigene or "multimarker"-analysis of genes that act consecutively or synergistically in cell cycle and apoptosis signaling pathways is far superior to determine disease prognosis when compared to the analysis of individual genes. The identification of such genetic marker profiles should proove beneficial in clinical decision making in the therapy of malignant tumors. In the future, such diagnostic tools may be useful to complement conventional clinical and pathologic factors which in most instances do not allow prediction of disease prognosis.

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Einleitung: Das Darmmikrobiom, ein hochkomplexes Ökosystem an Mikroorganismen, geht eine lebenslange wechselseitige Beziehung mit seinem Wirt ein und beeinflusst wesentlich dessen Darmreifung post partum. Dazu interagieren Darmbakterien direkt und indirekt mit den intestinalen Stammzellen in den Krypten und regulieren Zellteilung und -differenzierung, wobei die Mechanismen nicht abschließend geklärt sind. Das Darmmikrobiom stellt eine wichtige Quelle für Mikroben-assoziierte molekulare Muster (MAMPs) dar, die von Mustererkennungsrezeptoren wie den Toll-like-Rezeptoren (TLR) auf den intestinalen Epithelzellen erkannt werden können. Somit können TLR auf den intestinalen Epithelzellen eine mögliche Verbindung zwischen Darmmikrobiom und Anpassungsreaktionen der Dünndarmmorphologie darstellen. Ziele der Untersuchung: Folgende Hypothesen sollten untersucht werden: 1. Die Anwesenheit von Darmbakterien beeinflusst die Morphologie der Dünndarmschleimhaut. 2. Diese Wirkung wird über Toll-like-Rezeptoren und den Hedgehog-Signalweg in Epithelzellen vermittelt. 3. Über diese Signalwege werden auch funktionelle Eigenschaften wie die Durchlässigkeit der Darmbarriere verändert. Tiere, Material und Methoden: Zur Untersuchung des Einflusses des Mikrobioms wurden in einem gnotobiotischen Mausmodell keimfreie Tiere mit dem minimalen mikrobiellen Konsortium Altered Schaedler Flora (ASF) besiedelt. Die ASF, welche sich aus acht definierten Bakterienarten zusammensetzt, wurde aus dem Caecum ASF-besiedelter C3H/HeNTac-Mäuse entnommen und männlichen und weiblichen keimfreien C57BL/6J-Mäusen appliziert. Der Nachweis der Bakterienspezies erfolgte aus bakterieller DNA, die aus frischen Kotpellets isoliert wurde. Der Vergleich wurde zwischen Dünndärmen ASF-kolonisierter Mäuse (n = 13), keimfreien Tieren (n = 8), konventionell gehaltenen (n = 7) und einer Gruppe Antibiotika-behandelter Mäuse (n = 8) durchgeführt. Zur Untersuchung des Einflusses der Toll-like-Rezeptoren TLR2 und TLR4 wurden epithelspezifische TLR2-defiziente (TLR2ΔIEC) bzw. TLR4-defiziente Mäuse (TLR4ΔIEC) verwendet und mit ihren jeweiligen Wildtyp-Geschwistertieren (WT) verglichen. Die morphometrische Eigenschaften des Dünndarms wurden anhand von histologischen Schnitten untersucht, die mit Hämatoxylin-Eosin oder Periodic-Acid-Schiff gefärbt waren. Hierbei wurden u.a. Mukosahöhe und Villuslänge gemessen sowie die Anzahl der Epithelzellen und Anzahl der Becherzellen pro Villus gezählt. Weiterhin wurden sowohl in Dünndarmgewebe als auch in isolierten intestinalen Epithelzellen mittels qPCR die mRNAExpression der Liganden des Hedgehog (Hh)-Signalwegs Sonic Hedgehog (Shh) und Indian Hedgehog (Ihh) sowie Hedgehog-Zielgene wie Glioma-associated oncogene transcription factor 1 (Gli-1), Patched-1 (Ptch-1) und Hedgehog Interacting Protein (Hhip) untersucht. In einem Teil der Tiere wurde der Hedgehog-Signalweg durch Applikation des Inhibitors Vismodegib gehemmt. Ein möglicher Einfluss auf die Permeabilität des Dünndarms wurde über die mRNA-Expression diverser Tight Junction-Proteine wie Occludin oder Claudin-4 sowie durch einen Permeabilitätsassay mit FITC-Dextran untersucht. Gruppenvergleiche wurden mit einer einfaktoriellen Varianzanalyse (ANOVA) und Holm-Šídák post-hoc Test bzw. zwischen den TLR2ΔIEC oder TLR4ΔIEC und WT-Mäusen mittels zweiseitigem ungepaarten t-Test durchgeführt. Unterschiede wurden bei P < 0,05 als statistisch signifikant betrachtet. Ergebnisse: Durch den Nachweis aller acht Bakterienarten in den Kotproben der behandelten Mäuse konnte die erfolgreiche Übertragung der ASF auf die Empfängertiere nachgewiesen werden. Hinsichtlich Mukosahöhe, Villuslänge, Anzahl der Epithelzellen und der Becherzellen wiesen keimfreie gegenüber konventionell gehaltenen Mäusen signifikant höhere Werte auf. Die Kolonisierung mit ASF führte zu einer signifikanten Verringerung dieser Merkmale, so dass sie sich denen der konventionell gehaltenen Tiere annäherten. Die mRNA-Expression der Hh-Liganden Shh und Ihh war sowohl im Dünndarm als auch in isolierten intestinalen Epithelzellen ASF-besiedelter Mäuse signifikant erhöht. Die Hh-Zielgene Gli-1, Ptch-1 und Hhip waren auf mRNA-Ebene im Dünndarm ASF-besiedelter Mäuse ebenfalls signifikant höher exprimiert. Mukosahöhe, Epithelzellzahl und Villuslänge waren im Jejunum von TLR2ΔIEC- und TLR4ΔIEC-Mäusen gegenüber ihren WT-Geschwistern signifikant höher. Während bei TLR2ΔIEC-Mäusen außer Shh alle untersuchten Hh-Zielgene vermehrt exprimiert waren, waren bei TLR4ΔIEC-Mäusen die gleichen Gene signifikant weniger exprimiert. Wurde hingegen der Hh-Signalweg in konventionell gehaltenen C57BL/6-Mäusen mit Vismodegib inhibiert, waren der Expression der Hh-Zielgene, des TLR2 und des TLR4 signifikant vermindert. Sowohl die Hemmung des Hh-Signalwegs mit Vismodegib als auch das Fehlen der epithelialen TLR2 oder TLR4 bedingte eine verminderte Expression von Tight Junction-Proteinen, die mit einer erhöhten Darmpermeabilität einherging. Konventionell gehaltene Mäuse hatten sowohl gegenüber keimfreien als auch gegenüber mit ASF besiedelten Tieren eine signifikant niedrigere Expression von Tight Junction-Proteinen, was mit einer signifikant höheren Darmpermeabilität verbunden war. Schlussfolgerungen: Zusammenfassend lassen die Ergebnisse dieser Studie darauf schließen, dass Darmbakterien über intestinale TLR2 und TLR4 den Hh-Signalweg regulieren und darüber die Morphologie der Dünndarmmukosa als auch deren funktionelle Eigenschaften wie die Durchlässigkeit der Darmbarriere beeinflussen. / Introduction: The intestinal microbiome, a highly complex ecosystem of microorganisms, enters into a lifelong reciprocal relationship with its host and significantly influences its intestinal maturation postpartum. To this end, intestinal bacteria interact directly and indirectly with intestinal stem cells in the crypts and regulate cell division and differentiation, although the mechanisms are not conclusively understood. The intestinal microbiome represents an important source of microbeassociated molecular patterns (MAMPs) that can be recognized by pattern recognition receptors such as Toll-like-Receptors (TLRs) on intestinal epithelial cells. Thus, TLRs on intestinal epithelial cells may represent a potential link between gut microbiome and adaptation responses of small intestinal morphology. Aims: The following hypotheses should be investigated: 1. The presence of intestinal bacteria affects the morphology of the small intestinal mucosa. 2. This effect is mediated via Toll-like-Receptors and the Hedgehog signaling pathway in epithelial cells. 3. Functional properties such as the permeability of the intestinal barrier are also altered via these signaling pathways. Animals, materials and methods: To investigate the influence of the microbiome, germ-free animals were colonized with the minimal microbial consortium Altered Schaedler Flora (ASF) in a gnotobiotic mouse model. The ASF, which is composed of eight defined bacterial species, was harvested from the caecum of ASF-colonized C3H/HeNTac mice and applied to male and female germ-free C57BL/6J mice. Bacterial species were detected from bacterial DNA isolated from fresh fecal pellets. Comparison was made between small intestines of ASF-colonized mice (n = 13), germ-free animals (n = 8), conventionally housed (n = 7), and a group of antibiotic-treated mice (n = 8). To investigate the influence of Toll-like-Receptors TLR2 and TLR4, epithelial-specific TLR2-deficient (TLR2ΔIEC) or TLR4-deficient mice (TLR4ΔIEC) were used and compared with their respective wild-type (WT) littermates. Morphometric characteristics of the small intestine were examined using histological sections stained with hematoxylin-eosin or periodic-acid-Schiff. Here, mucosa height and villus length were measured, and the number of epithelial cells and number of goblet cells per villus were counted, among other measurements. Furthermore, mRNA expression of the ligands of the Hedgehog (Hh) signaling pathway Sonic Hedgehog (Shh) and Indian Hedgehog (Ihh) as well as Hedgehog target genes such as Gliomaassociated oncogene transcription factor 1 (Gli-1), Patched-1 (Ptch-1) and Hedgehog Interacting Protein (Hhip) were examined in small intestinal tissue as well as in isolated intestinal epithelial cells by qPCR. In a subset of animals, Hedgehog signaling was inhibited by application of the inhibitor Vismodegib. A possible influence on small intestinal permeability was investigated by mRNA expression of various tight junction proteins such as Occludin or Claudin-4 and by permeability assay with FITC-dextran. Group comparisons were performed with a one-way analysis of variance (ANOVA) and Holm-Šídák post-hoc test or between the TLR2ΔIEC or TLR4ΔIEC and WT mice by two-tailed unpaired t test. Differences were considered statistically significant at P < 0.05. Results: Detection of all eight bacterial species in the fecal samples of treated mice demonstrated successful transfer of ASF to recipient animals. In terms of mucosa height, villus length, number of epithelial cells and goblet cells, germ-free mice had significantly higher values compared to conventionally housed mice. Colonization with ASF significantly decreased these characteristics to approach those of conventionally housed animals. The mRNA expression of the Hh ligands Shh and Ihh was significantly increased in the small intestine as well as in isolated intestinal epithelial cells of ASF colonized mice. The Hh target genes Gli-1, Ptch-1, and Hhip were also significantly higher expressed at the mRNA level in the small intestine of ASF-colonized mice. Mucosa height, epithelial cell number, and villus length were significantly higher in the jejunum of TLR2ΔIEC and TLR4ΔIEC mice compared with their WT littermates. Whereas in TLR2ΔIEC mice, except for Shh, all Hh target genes examined were increased in expression, the same genes were significantly less expressed in TLR4ΔIEC mice. In contrast, when the Hh pathway was inhibited with Vismodegib in conventionally maintained C57BL/6J mice, the expression of Hh target genes, TLR2, and TLR4 were significantly decreased. Both inhibition of the Hh pathway with Vismodegib and absence of epithelial TLR2 or TLR4 caused decreased expression of tight junction proteins, which was associated with increased intestinal permeability. Conventionally housed mice had significantly lower expression of tight junction proteins compared with both germ-free and ASF-populated animals, which was associated with significantly higher intestinal permeability. Conclusions: In summary, the results of this study suggest that intestinal bacteria regulate the Hh signaling pathway via intestinal TLR2 and TLR4 and thereby influence the morphology of the small intestinal mucosa as well as its functional properties such as intestinal barrier permeability.