Das Prion-Protein spielt eine wichtige Rolle bei der Entstehung von übertragbaren spongiformen Enzephalopathien. Studien aus den letzten Jahren haben gezeigt, dass die Entwicklung einer Therapie für Prionenerkrankungen eine Induktion von Autoantikörpern gegen das Prion-Protein voraussetzt. In dieser Arbeit wurden aktive Immunisierungsstrategien gegen das zelluläre Prion-Protein beschrieben und die zellulären und humoralen Immunantworten sowie deren Einfluss auf die Entstehung einer Prionenerkrankung analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Immunisierung mit rek. mPrP und Adjuvants eine Aktivierung und Proliferation von PrP-spezifischen T-Zellen in Prnp0/0-Mäusen induziert wurde. Desweiteren konnten in PrP-defizienten Mäusen spezifische Antikörper gegen das Prion-Protein nachgewiesen werden, die in der Lage waren, die pathogene Form des PrPs (PrPSc) zu detektieren und den PrPSc-Gehalt in Zellkultur zu reduzieren. Durch die Immunisierung mit rek. mPrP und CpG-1826 konnten in CD4+-T-Zellen erhöhte Zytokinspiegel von TNF und IFN induziert werden. Im Gegensatz dazu konnte keine T-Zell-Antwort und nur geringe Antikörperkonzentrationen nach Proteinimmunisierung in Wildtypmäusen nachgewiesen werden. Die induzierten Antikörper in Wildtypmäusen waren nicht in der Lage den PrPSc-Gehalt in Zellkultur zu reduzieren. In einem zweiten Ansatz wurde die Immunisierung mit zwei unterschiedlichen PrP-exprimierenden DNA-Vektoren durchgeführt. Hierfür wurden der pCG-PrP-Vektor, der das Maus-PrP exprimiert, und der pCG-PrP-P30-Vektor, der zusätzlich zum PrP für das P30-Th-Epitop des Tetanustoxins kodiert, verwendet. Dieses P30-Epitop wurde schon in früheren Arbeiten genutzt, um die Toleranz gegen körpereigene Proteine zu brechen. Die Ergebnisse zeigten, dass durch die DNA-Immunisierung eine PrP-spezifische Antikörperantwort in Prnp0/0-Mäusen induziert werden konnte. In Wildtypmäusen wurden allerdings nur geringe Antikörpertiter nachgewiesen. Die Antikörper aus den Prnp0/0-Mäusen waren in der Lage PrPSc zu erkennen, und den PrPSc-Gehalt in Zellkultur zu reduzieren. Durch die DNA-Immunisierung wurde eine PrP-spezifische Aktivierung und Proliferation von T-Zellen in Prnp0/0-Mäusen erreicht, die nach Immunisierung mit pCG-PrP-P30 stärker war als nach Immunisierung mit pCG-PrP. Nach DNA-Vakzinierung konnte in Wildtypmäusen eine unspezifische Erhöhung der Zytokinantwort mit erhöhten TNF- und IFN-Spiegeln nachgewiesen werden. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde eine Kombination aus DNA- und Proteinimmunisierung durchgeführt, um die Toleranz gegen das Prion-Protein zu brechen. Die erhaltenen Ergebnisse waren vergleichbar mit denen, die nach DNA-Immunisierung allein erreicht wurden. Die Inokulation der immunisierten Wildtypmäuse mit einem Maus-adaptierten Scrapiestamm (RML) zeigte keinen Schutz dieser Tiere vor einer Prionenerkrankung. Alle Mäuse aus der immunisierten und nicht immunisierten Gruppe erkrankten im gleichen Zeitraum an Scrapie, zeigten PrPSc Akkumulation im Gehirn und in der Milz und für Prionenerkrankungen typische histopathologische Veränderungen. Basierend auf diesen Ergebnissen sollten neue Immunisierungsstrategien entwickelt werden, um die Toleranz gegen das Prion-Protein zu brechen und einen Schutz vor Prionenerkrankungen zu induzieren. / The prion protein (PrPC) plays a pivotal role in transmissible spongiform encephalopathies (TSE). Recent studies have shown that strategies aimed to elicit antibodies against PrP should be considered as a promising therapeutic approach for prion diseases. In this study active immunisation strategies against PrPC were described, humoral and cellular immune responses as well as the influence of the onset of the prion disease were analyzed. Here we demonstrate that immunisation with recombinant murine prion-protein (mPrP) results in activation and proliferation of PrP-specific T cells and induction of PrP-specific antibodies in PrP-deficient mice (Prnp0/0). These antibodies are able to detect and reduce PrPSc levels in cell culture. Immunisation with rek. mPrP and CpG-1826 results in increased levels of TNF and IFNin Prnp0/0 mice. In contrast no T cell response and only low antibody titers against PrP were found in individual wild-type mice. The low level of antibodies in wildtype mice were not able to reduce the PrPSc level in cell culture. In a second approach, we investigated a new immunisation strategy against PrPC with two vaccine DNA vectors (pCG-PrP and pCG-PrP-P30). The pCG-PrP vector system contains murine PrP sequence, whereas the pCG-PrP-P30 vector also contains an immune stimulatory peptide of the tetanus toxin, which has been shown to break tolerance against self proteins. Results indicate that this improved vaccine evokes a sustained antibody response in Prnp0/0 mice, but only low antibody titers were found in wild-type mice. The antibodies from Prnp0/0 mice were able to detect PrPSc and to reduce PrPSc levels in cell culture. DNA immunisation induced activation and proliferation of PrP-specific T cells in Prnp0/0-mice which was even stronger after immunisation with pCG-PrP-P30 than after pCG-PrP treatment. DNA vaccination induced an unspecific T cell response with increased levels of IFN and TNF in wild-type mice. Furthermore we combined DNA and protein immunisation to break tolerance against PrP. The results obtained were similar then those after DNA vaccination alone. Inoculation of the immunised wildtype mice with mouse adapted scrapie prions showed that these animals were not protected against the development of the prion disease. All mice in the vaccinated and control groups succumbed to scrapie with similar incubation times, deposition of PrPSc in brain and spleen and typical histopathological changes in the brain. Nevertheless based on these findings additional strategies of immunisiation should be envisaged to develop immunotherapeutic approaches to break tolerance against PrP and to protect against the prion disease.

Neben der Aufgabe, die „Hand-Made“ Klonierungstechnik (HMCTM) erfolgreich in unserem Labor einzuarbeiten, wurden Untersuchungen zur Entwicklungskompetenz und Lebensfähigkeit von Embryonen aus HMCTM durchgeführt. Dabei wurden verschiedene somatische Zellen als Kernspender verwendeten und die Verteilungsmuster von Zytoskelettproteinen (a-Tubulin und F-Actin), die Eigenschaften interzellulärer Kontakte sowie das Auftreten des „Gap-Junction-Proteins Connexin 43 zwischen HMCTM-Embryonen als auch mittels IVP und in vivo produzierte Embryonen verglichen. Die durchschnittliche Gesamteffizienz des Verfahrens lag bei 95% rekonstruierter Embryonen mit 65% mittlerer Teilungsrate. Keine signifikanten Unterschiede wurden zwischen den drei Gruppen von somatischen Zellen in bezug auf Embryorekonstruktionseffizienz, Teilungsrate, Anzahl von >8 Zell Embryonen und Blastozystenrate beobachtet. Von den erzeugten Embryonen erreichten nur 2% das Blastozystenstadium. Viele Embryonen verharrten arretiert zwischen dem 8 und 16 Zell Stadium, was dem Zeitpunkt der Umschaltung vom maternalen auf das embryonale Genom entspricht (TELFORD et al. 1990; MEMILI et al. 1998). Wir erzeugten insgesamt 67 übertragbare Blastozysten von denen 36 auf synchrone Rezipienten transferiert wurden. Die erzeugten 6 Trächtigkeiten entsprechen einer Rate von 17%. Funf Trächtigkeiten gingen verloren und eine führte zur Geburt eines Bullenkalbes - des ersten HMCTM Kalbes in Europa. Die Etablierung der HMCTM Technik in unserem Laboratorium kann damit als erfolgreich betrachtet werden. Die höchste Intensität der a-Tubulinfärbung wurde in klonierten und IVP-Embryonen (ohne signifikante Unterschiede) festgestellt. Im Unterschied dazu war sie in in vivo erzeugten Embryonen signifikant geringer, was auf die möglicherweise ungünstigen Einflüsse der In-vitro-Kulturbedingungen hinweist. Für Actin wurde eine höhere Intensität in in vivo- und IVP-Embryonen (ohne signifikante Unterschiede) festgestellt, während sie in klonierten Embryonen signifikant niedriger war. Das weist auf einen negativen Effekt der Zona pellucida freien HMCTM Methode hin, die für den Kerntransfer verwendet wurde. Spekulativ können die Abweichungen, die in der Verteilung der Zytoskelettproteine beobachtet wurden, als ein Anzeichen für den Entwicklungsblock in den betroffenen Rinderembryonen betrachtet werden (MATSUMOTO et al. 2002). Untersuchungen mittels Western-Blot ergaben, dass in IVP-Embryonen vom 4-Zellstadium bis zum Morulastadium sowohl Connexin-43 als auch a-Tubulin ohne quantitative Unterschiede nachweisbar waren. 8-Zellembryonen aus HMCTM, IVP und in vivo Produktion im Vergleich, zeigten ebenfalls keine quantitativen Unterschiede bezüglich Connexin-43 und a-Tubulin. Diese Ergebnisse entsprechen einer früheren Hypothese das Cx43 Transkripte in in vitro produzierten Rinderembryonen maternalen und embryonalen Ursprungs sein können (WRENZYCKI et al. 1996). Die Ultrastrukturanalyse von 8-Zellembryonen zeigte dass die interzellularen Kontakte zwischen den Blastomeren in bezug auf ihre Länge in HMCTM Embryonen die kürzesten Kontaktzonen (CP) und in in vivo produzierten Embryonen die längsten CP aufwiesen. Während der Abwesenheit von Gap-Junctions (GJ) in den früheren Stufen der Embryogenese können diese CPs eine entscheidende Rolle beim Transfer von Metaboliten zwischen den Zellen und bei der interzellulären Kommunikation bis zum späten Morula- oder frühen Blastozystenstadium, wenn die GJ Bildung einsetzt, übernehmen. Die kürzere CP Länge kann deshalb einer der Gründe für die relativ schlechtere Entwicklungsrate der klonierten Embryonen sein. Detailliertere Untersuchungen zur Bedeutung der Länge der CPs' und ihren funktionellen Aspekten werden zukünftig nötig, um eine genauere Interpretation zu ermöglichen. / Apart from the aim of successfully establishing the Handmade cloning (HMCTM) technique in our laboratory, investigations were conducted to study the developmental competence and viability of the HMCTM -derived embryos while using different somatic cells, and to compare the distribution pattern of cytoskeletal proteins (alpha-tubulin and F-actin) and the nature of cellular contacts, as also the presence of Connexin 43 (gap junction protein) between HMCTM cloned, IVP and in vivo produced embryos. We obtained a 95 % overall average efficiency of formation of the reconstructed embryos with a 65 % average cleavage rate. No significant differences were observed between the three groups of somatic cell donors in terms of embryo reconstruction efficiency, cleavage rate, number of > eight cell stage embryos, and the blastocyst rates. Of the fused couplets, only 2 % reached the blastocyst stage, with many of the embryos arresting between the 8- to 16-cell stage, a stage corresponding to the timing of maternal to embryonic genomic take-over of development in bovine (TELFORD et al. 1990; MEMILI et al. 1998). We also recovered a total of 67 transferable blastocysts, out of which 36 blastocysts were transferred to 36 synchronized recipients resulting in six pregnancies, thereby yielding a 17 % pregnancy rate. Five pregnancies were lost from abortions and one resulted in the birth of a bull calf - the first HMCTM calf born in Europe. The establishment of the HMCTM technique in our lab can thus be regarded as successful. The maximum intensity of tubulin was observed in the cloned and the IVP embryos (with no significant differences) whereas it was significantly lower in the in vivo embryos indicating the adverse effects of in vitro culture conditions. In the case of actin, a higher intensity of staining was observed in the case of in vivo and IVP embryos (with no significant differences) whereas the same was significantly lower in the cloned embryos thereby reflecting the adverse effects of the zona-free technique used in the HMCTM method of SCNT. Speculatively, the deviations/variations observed in the distribution of the cytoskeletal proteins may be an indicator of the developmental arrest in the bovine embryos concerned (MATSUMOTO et al. 2002). Western blot analysis revealed that in the IVP embryos, from 4-cell stage up to the morula stage, both connexin-43 and tubulin were present with no quantitative differences. The 8-cell stage embryos collected from HMCTM cloning, IVP and in vivo production also showed presence of connexin-43 and tubulin, yet again, with no quantitative differences. The results could conform to an earlier hypothesis that Cx43 transcripts in bovine embryos produced in vitro might be of maternal and embryonic origin (WRENZYCKI et al. 1996). Ultrastructural analysis of the 8-cell stage embryos showed that the intercellular contacts between the blastomeres were, in terms of length, of the shortest order in case of the HMCTM cloned embryos whereas these Contact Point (CP) lengths were of the greatest order in vivo produced embryos. In the absence of gap junctions (GJ) in the earlier stages of embryogenesis, these CPs may play a crucial role in the exchange of metabolites and cell-to-cell communication till the late morula or early blastocyst stage when the GJ formation occurs. The shorter CP length may, therefore, be one of the reasons for the relative poor development rate of the cloned embryos. Detailed investigations of the significance of the length of the CPs and their functional aspects would be required in future to facilitate meaningful interpretation.

Soziale Insekten wie die Honigbiene (Apis mellifera) besitzen ein breites Spektrum an Abwehrmechanismen gegen Pathogenbefall, sowohl auf der Ebene der Kolonie (soziale Immunität) als auch auf der Stufe des Individuums (angeborenes Immunsystem). Die Hauptaufgabe der relativ kurzlebigen Drohnen besteht in der Begattung von Jungköniginnen. Daher stellte sich die Frage, ob auch die Drohnen ähnlich den Arbeiterinnen mit energieaufwendigen Immunreaktionen auf Infektionen reagieren. Wie im Folgenden beschrieben, konnte ich nachweisen, dass Drohnen eine ausgeprägte Immunkompetenz besitzen. Das angeborene Immunsystem setzt sich aus humoralen und zellulären Abwehrreaktionen zusammen. Bei der humoralen Immunantwort werden bestimmte evolutionär konservierte Signalkaskaden aktiviert, an deren Ende die Expression einer Vielzahl von antimikrobiellen Peptiden (AMPs) und immunspezifischen Proteinen (IRPs) steht. Zur Analyse der humoralen Immunantwort wurden von mir zum einen Hemmhoftests durchgeführt, um die gesamte antimikrobielle Aktivität der Haemolymphe nach artifizieller Infektion zu ermitteln und zum anderen spezifische AMPs bzw. IRPs identifiziert. Hierzu wurden die Haemolymphproteine in ein- oder zwei-dimensionalen Polyacrylamidgelen aufgetrennt und ausgewählte Proteinbanden bzw. -spots mittels nano HPLC/Massenspektrometrie analysiert. Die Hauptkomponenten des zellulären Immunsystems sind Wundheilung, Phagozytose, Einkapselung und Nodulation. In meiner Arbeit habe ich zum ersten Mal Noduli bei infizierten Drohnen nachweisen können. Frisch geschlüpfte adulte Drohnen (1d) weisen ein breites Spektrum an Immunreaktionen auf, das sowohl humorale als auch zelluläre Immunantworten umfasst. Nach Infektion mit dem Gram-negativen Bakterium E.coli und verschiedenen bakteriellen Zellwandbestandteilen wie Lipopolysaccharid (LPS), Peptidoglycan (PGN) und 1,3ß-Glucan (Bestandteil von Pilzzellwänden), werden die AMPs Hymenoptaecin, Defensin 1 und Abaecin induziert. Desweiteren exprimieren junge adulte Drohnen eine Reihe hochmolekularer immunspezifischer Proteine (IRPs) wie z.B. Carboxylesterase (CE 1), eine Serinprotease, die möglicherweise an der Prozessierung der Prophenoloxidase beteiligt ist, ein Peptidoglycan-interagierendes Protein (PGRP-S2) und zwei Proteine unbekannter Funktion, IRp42 und IRp30. Parallel zu bekannten bienenspezifischen AMPs wurde ein animales Peptidtoxin (APT) in Drohnenlarven, adulten Drohnen und adulten Hummeln nach E.coli Infektion in der Haemolymphe nachgewiesen. Von dem als OCLP 1 (ω-conotoxin-like protein 1) benannten Peptid war bereits bekannt, dass es in Fischen paralytische und damit toxische Effekte auslöst. Meine Beobachtungen lassen vermuten, dass es sich bei OCLP 1 um ein Peptidtoxin mit antimikrobiellen Eigenschaften und damit um eine neue Klasse von AMPs handelt. Die allgemeine humorale Immunkompetenz scheint während der gesamten Lebensspanne adulter Drohnen (~ 7 Wochen) konstant zu bleiben, wie durch die gleichbleibende antimikrobielle Aktivität im Hemmhoftest gezeigt wurde. Junge Drohnen reagieren auf eine E.coli Infektion mit der Bildung zahlreicher Noduli (~1000 Noduli/Drohn), die vor allem entlang des Herzschlauches zu finden sind. Diese zelluläre Immunantwort nimmt mit dem Alter der Drohnen ab, so dass bei 18 d alten Drohnen nur noch rund 10 Noduli/Drohn gefunden werden. Auf der anderen Seite nimmt die phagozytotische Aktivität bei älteren Drohnen scheinbar zu. In einer Reihe von parallel laufenden Versuchsreihen konnte ich eindrucksvoll zeigen, dass zelluläre Immunreaktionen wie Phagozytose und Nodulation unmittelbar nach bakterieller Infektion einsetzen. Hierbei erreicht die Nodulibildung 8-10 h p.i. eine Plateauphase, wohingegen die humorale Immunantwort erst 6 h p.i. schwach einsetzt, danach stetig zunimmt und noch 72 h p.i. nachweisbar ist. Es ist mir gelungen, eine Methode zur künstlichen Aufzucht von Drohnenlarven zu etablieren. Diese ermöglichte konstante und sterile Versuchsbedingungen zur Untersuchung der Immunreaktionen von Larven. Nach Infektion mit E.coli reagieren Drohnenlarven mit einer starken Aktivierung ihrer humoralen Immunantwort durch die Expression von AMPs, jedoch werden keine hochmolekularen IRPs wie in adulten Drohnen hochreguliert. Zudem ist die Nodulibildung in Larven nur schwach ausgeprägt. Völlig unerwartete Beobachtungen wurden beim Studium der Immunkompetenz von Drohnenpuppen gemacht. Nach Injektion lebender E.coli Zellen in Drohnenpuppen stellte ich eine dramatische Veränderung im Aussehen der Puppen fest. Die Puppen verfärbten sich gräulich schwarz. Genauere Untersuchungen haben dann gezeigt, dass die Drohnenpuppen, wie auch die der Arbeiterinnen, offensichtlich keine zelluläre Abwehrreaktion aktivieren können und die humorale Immunantwort nur sehr schwach ausfällt und viel zu spät einsetzt. / Social insects like honey bees (Apis mellifera) possess a wide range of defence mechanisms against pathogens on the colony level (social immunity) as well as on the individual level (innate immunity). In early summer, honey bee colonies consist of about 50.000 workers, a few hundred drones and one queen. The main task of the short-lived drones is to mate with a virgin queen. This raises a question: do drones, similar to workers mount an energy-intense immune reaction to fend off infections? In my thesis I could show that drones exhibit an effective immune competence. The innate immune response is composed of a humoral and a cellular component. In the humoral immune response, evolutionally conserved signalling pathways are activated and lead to the induced synthesis of antimicrobial peptides (AMPs) and immune responsive proteins (IRPs). In order to analyse the humoral immune response, I conducted inhibition zone assays as well as one- and two-dimensional gelelectrophoresis. Afterwards, HPLC/MS was performed in order to identify specific protein spots. Wound healing, phagocytosis, encapsulation and nodulation are the principal components of the cellular immune system. In my work, I could show nodulation reactions in infected drones for the first time. Newly emerged drones (1d) respond to infections with a wide range of immune reactions, including humoral and cellular defence mechanisms. The AMPs hymenoptaecin, defensin 1 and abaecin are induced after infection with gram-negative E.coli, bacterial cell wall components like lipopolysaccharides (LPS), peptidoglycan (PGN) and 1,3ß-glucan (cell wall component of fungi). In addition, young drones express some high molecular immune responsive proteins (IRPs) like carboxylesterase (CE 1), a serine protease, that is potentially part of the prophenoloxidase activating system, further a peptidoglycan recognition protein (PGRP-S2) and with IRp30 and IRp42 two proteins of unknown function. IRp42 possibly belongs to the glycin-rich proteins (GRP) because of its glycin–rich regions. Glycin-rich proteins are known to participate in host defence in plants. IRp30 is a leucine-rich repeat containing protein with a C-terminal leucine zipper, which is common among Hymenopterans. Therefore it is possible for IRp30 to interact with other proteins, like cell wall structures of pathogens. I detected the bee-specific lysozyme 2 in the haemolymph of adult drones after septic infection. It belongs to the chicken (c)-type lysozymes like lysozyme 1, which are potentially active against gram-positive and gram-negative bacteria and fungi in insects. After E.coli infection, an animal peptide toxin (APT) was detected simultaneously to the known AMPs in the haemolymph of larvae, adult drones and adult bumble bees. It is known that this peptide, called OCLP 1 (ω-conotoxin-like protein 1), triggers paralytic and thus toxic effects in fish. My observations suggest that OCLP 1 is probably a peptide toxin with antimicrobial characteristics, and thus could belong to a new class of AMPs. Throughout their whole life (~ 7 weeks), adult drones maintain their immune competence. This was shown by the continuous antimicrobial activity of drone haemolymph in inhibition zone assays. After E.coli infection, young drones react with nodule formation (~1000 noduli/drone), which are mostly attached to the dorsal vessel. With increasing age, this type of cellular immune response weakens, so that 18d old drones only produce 10 noduli/drone. On the other hand, the phagocytic activity seems to increase in older drones In an array of parallel tests, I showed the immediate onset of the cellular immune reactions phagocytosis and nodulation upon septic infections. Nodule formation reaches a plateau 8-10 h p.i., whereas humoral immune response just begins to start 6 h p.i., continuously rises and is still measurable 72 h p.i.. I succeeded in establishing a method for rearing honey bee drone larvae artificially. This enabled constant and sterile conditions for the testing of immune reactions in larvae. A strong activation of humoral immunity with the expression of AMPs resulted from E.coli infection, yet no immune responsive proteins were induced like in adult drones. Moreover, nodule formation in larvae is weak. While studying immune competence of drone pupae, I made a surprising observation. There is a dramatic change in the physical appearance of drone pupae after injecting living E.coli bacteria. They change colour to a greyish black. Precise examinations revealed that there is no cellular immune response in drone pupae as well as in worker pupae, only a weak humoral immune reaction which is initiated too late.

Wie erledigen zelluläre Maschinen ihre Aufgaben? Wie funktionieren sie? Zur Beantwortung dieser Fragen werden in unserer wissenschaftlichen Arbeitsgruppe bionanotechnologische Methoden entwickelt, die es ermöglichen, diese nur wenige Nanometer großen Maschinen bei der Ausübung ihrer Arbeiten zu beobachten. Gleichzeitig detektieren diese Methoden molekulare Wechselwirkungsmechanismen, die die einzelnen Maschinen der Zelle steuern. Erste Beispiele zeigen den Einfluss pharmazeutischer Wirkstoffe zur Regulierung der Proteinfunktion im molekularen Detail. Hierdurch werden völlig neue Möglichkeiten geschaffen, um molekulare Schalter zellulärer Maschinen zu finden und zu betätigen. / How do cellular machines function to fulfil their specific tasks so efficiently? How are they regulated? We apply and develop bio-nanotechnological approaches to directly observe these nanoscale cellular machines while they are at work. At the same time, we can gain insights into the working schedule of a cell, and can detect molecular mechanisms which drive and direct single cellular machines. With this unique possibility to reveal the switching mechanisms of the cellular machines, we could apply these switches to purposefully direct and regulate cellular processes. First examples follow the actions of pharmacological compounds on the function of a cellular machine at molecular resolution, and provide hitherto unexpected perspectives to develop and optimise such compounds to precisely target the function of cellular processes.

Die Fähigkeit, mit anderen Zellen zu kommunizieren, ist eine grundlegende Eigenschaft aller lebenden Zellen und essentiell für die normale Funktionsweise vielzelliger Organismen. Die Speicheldrüsen der Schmeißfliege Calliphora vicina bilden ein ausgezeichnetes physiologisches Modellsystem um zelluläre Signaltransduktionsprozesse an einem intakten Organ zu untersuchen. Die Speichelsekretion wird dabei hormonell durch das biogene Amin Serotonin (5-Hydroxytryptamin; 5-HT) reguliert. 5-HT aktiviert in den sekretorischen Zellen der Drüsen über die Bindung an mindestens zwei membranständige G-Protein gekoppelte Rezeptoren (GPCR) zwei separate Signalwege, den IP3/Ca2+- und den cAMP-Signalweg. Zur Identifizierung und Charakterisierung der 5-HT-Rezeptoren in den Speicheldrüsen von Calliphora wurden unter Anwendung verschiedener Klonierungsstrategien zwei cDNAs (Cv5-ht2α und Cv5-ht7) isoliert, die große Ähnlichkeit zu 5-HT2- und 5-HT7-Rezeptoren aus Säugetieren aufweisen. Die Hydropathieprofile der abgeleiteten Aminosäuresequenzen postulieren die für GPCRs charakteristische heptahelikale Architektur. Alle Aminosäuremotive, die für die Ligandenbindung, die Rezeptoraktivierung und die Kopplung an G-Proteine essentiell sind, liegen konserviert vor. Interessanterweise wurde für den Cv5-HT7-Rezeptor eine zusätzliche hydrophobe Domäne im N Terminus vorhergesagt. Die Cv5-HT2α-mRNA liegt in zwei alternativ gespleißten Varianten vor. Mittels RT-PCR-Experimenten konnte die Expression beider Rezeptoren in Gehirn und Speicheldrüsen adulter Fliegen nachgewiesen werden. Ein Antiserum gegen den Cv5-HT7 Rezeptor markiert in den Speicheldrüsen die basolaterale Plasmamembran. Die Expression der Rezeptoren in einem heterologen System (HEK 293-Zellen) bestätigte diese als funktionelle 5-HT Rezeptoren. So führte die Stimulation mit Serotonin für den Cv5-HT2α zu einer dosis-abhängigen Erhöhung der intrazellulären Ca2+ Konzentration ([Ca2+]i, EC50 = 24 nM). In Cv5-HT7-exprimierenden Zellen löste 5-HT dosisabhängig (EC50 = 4,1 nM) einen Anstieg der intrazellulären cAMP Konzentration ([cAMP]i) aus. Für beide heterolog exprimierten Rezeptoren wurden pharmakologische Profile erstellt. Liganden, die eine Rezeptorsubtyp-spezifische Wirkung vermuten ließen, wurden daraufhin auf ihre Wirkung auf das transepitheliale Potential (TEP) intakter Speicheldrüsenpräparate getestet. Drei 5-HT-Rezeptoragonisten: AS 19, R-(+)-Lisurid und 5-Carboxamidotryptamin führten zu einer cAMP-abhängigen Positivierung des TEP durch eine selektive Aktivierung der 5 HT7-Rezeptoren. Eine selektive Aktivierung des Ca2+-Signalweges durch den Cv5-HT2 Rezeptor ist mit Hilfe von 5-Methoxytryptamin möglich. Dagegen konnte Clozapin im TEP als selektiver Cv5-HT7-Rezeptorantagonist bestätigt werden. Die Kombination eines molekularen Ansatzes mit physiologischen Messungen ermöglichte somit die Identifikation selektiver Liganden für 5-HT2- bzw. 5-HT7-Rezeptoren aus Calliphora vicina. Dies ermöglicht zukünftig eine separate Aktivierung der 5-HT-gesteuerten Signalwege und erleichtert dadurch die weitere Erforschung der intrazellulären Signalwege und ihrer Wechselwirkungen. / Cellular communication is a fundamental property of living cells and essential for normal functioning of multicellular organisms. The salivary glands of the blowfly Calliphora vicina are a well established physiological model system to study cellular signaling in an intact organ. Fluid secretion in this gland is hormonally regulated by the biogenic amine serotonin (5-hydroxytryptamine, 5-HT). In the secretory cells, 5-HT causes a parallel activation of the InsP3/Ca2+- and the cAMP-signaling pathways through binding and stimulation of at least two G protein coupled receptors (GPCR). In order to characterize the respective 5-HT receptors on the secretory cells, we have cloned two cDNAs (Cv5-ht2α, Cv5-ht7) that share high similarity with mammalian 5-HT2 and 5-HT7 receptor classes. Analysis of the deduced amino acid sequences postulates the typical heptahelical architecture of GPCRs for both receptors. Sequence motifs that are essential for ligand binding, receptor activation and coupling to G-proteins are well conserved. Interestingly, a computer-based structural analysis of Cv5-HT7 predicts an additional eighth hydrophobic region in the N-terminus of the receptor. We also found an alternative splice variant of the Cv5-HT2α mRNA. Using RT-PCR experiments, transcripts of both receptor mRNAs could be detected in brain and salivary gland tissue. An antiserum raised against the Cv5 HT7 receptor stained the basolateral region of the salivary glands. Heterologous receptor expression in HEK 293 cells leads to a dose-dependent increase in the intracellular Ca2+-concentration ([Ca2+]i) for Cv5-HT2α (EC50 = 24 nM) and cAMP-concentration for Cv5-HT7 (EC50 = 4,1 nM) upon application of 5-HT. A pharmacological profile was established for both receptors. Ligands that appeared to act as specific ligands of either Cv5-HT2α or Cv5-HT7 in this approach, were then tested for their effect on the transepithelial potential (TEP) of intact blowfly salivary gland preparations. Three 5-HT receptor agonists: AS 19, R-(+)-lisuride and 5-carboxamidotryptamine showed a cAMP dependent positivation of the TEP, caused by a selective activation of the Cv5-HT7 receptor. 5-methoxytryptamine exclusively activates the Ca2+ pathway via Cv5-HT2α. Clozapine antagonizes the effects of 5-HT in blowfly salivary glands and was confirmed as a Cv5-HT7 antagonist. The combination of a molecular approach with physiological measurements enabled us to identify selective ligands for 5-HT2 and 5-HT7 receptors of Calliphora vicina. These results facilitate a selective activation of the intracellular signaling pathways activated by 5-HT and will facilitate future research on different aspects of intracellular signaling and crosstalk mechanisms.

Neben der Aufgabe, die „Hand-Made“ Klonierungstechnik (HMCTM) erfolgreich in unserem Labor einzuarbeiten, wurden Untersuchungen zur Entwicklungskompetenz und Lebensfähigkeit von Embryonen aus HMCTM durchgeführt. Dabei wurden verschiedene somatische Zellen als Kernspender verwendeten und die Verteilungsmuster von Zytoskelettproteinen (a-Tubulin und F-Actin), die Eigenschaften interzellulärer Kontakte sowie das Auftreten des „Gap-Junction-Proteins Connexin 43 zwischen HMCTM-Embryonen als auch mittels IVP und in vivo produzierte Embryonen verglichen. Die durchschnittliche Gesamteffizienz des Verfahrens lag bei 95% rekonstruierter Embryonen mit 65% mittlerer Teilungsrate. Keine signifikanten Unterschiede wurden zwischen den drei Gruppen von somatischen Zellen in bezug auf Embryorekonstruktionseffizienz, Teilungsrate, Anzahl von >8 Zell Embryonen und Blastozystenrate beobachtet. Von den erzeugten Embryonen erreichten nur 2% das Blastozystenstadium. Viele Embryonen verharrten arretiert zwischen dem 8 und 16 Zell Stadium, was dem Zeitpunkt der Umschaltung vom maternalen auf das embryonale Genom entspricht (TELFORD et al. 1990; MEMILI et al. 1998). Wir erzeugten insgesamt 67 übertragbare Blastozysten von denen 36 auf synchrone Rezipienten transferiert wurden. Die erzeugten 6 Trächtigkeiten entsprechen einer Rate von 17%. Funf Trächtigkeiten gingen verloren und eine führte zur Geburt eines Bullenkalbes - des ersten HMCTM Kalbes in Europa. Die Etablierung der HMCTM Technik in unserem Laboratorium kann damit als erfolgreich betrachtet werden. Die höchste Intensität der a-Tubulinfärbung wurde in klonierten und IVP-Embryonen (ohne signifikante Unterschiede) festgestellt. Im Unterschied dazu war sie in in vivo erzeugten Embryonen signifikant geringer, was auf die möglicherweise ungünstigen Einflüsse der In-vitro-Kulturbedingungen hinweist. Für Actin wurde eine höhere Intensität in in vivo- und IVP-Embryonen (ohne signifikante Unterschiede) festgestellt, während sie in klonierten Embryonen signifikant niedriger war. Das weist auf einen negativen Effekt der Zona pellucida freien HMCTM Methode hin, die für den Kerntransfer verwendet wurde. Spekulativ können die Abweichungen, die in der Verteilung der Zytoskelettproteine beobachtet wurden, als ein Anzeichen für den Entwicklungsblock in den betroffenen Rinderembryonen betrachtet werden (MATSUMOTO et al. 2002). Untersuchungen mittels Western-Blot ergaben, dass in IVP-Embryonen vom 4-Zellstadium bis zum Morulastadium sowohl Connexin-43 als auch a-Tubulin ohne quantitative Unterschiede nachweisbar waren. 8-Zellembryonen aus HMCTM, IVP und in vivo Produktion im Vergleich, zeigten ebenfalls keine quantitativen Unterschiede bezüglich Connexin-43 und a-Tubulin. Diese Ergebnisse entsprechen einer früheren Hypothese das Cx43 Transkripte in in vitro produzierten Rinderembryonen maternalen und embryonalen Ursprungs sein können (WRENZYCKI et al. 1996). Die Ultrastrukturanalyse von 8-Zellembryonen zeigte dass die interzellularen Kontakte zwischen den Blastomeren in bezug auf ihre Länge in HMCTM Embryonen die kürzesten Kontaktzonen (CP) und in in vivo produzierten Embryonen die längsten CP aufwiesen. Während der Abwesenheit von Gap-Junctions (GJ) in den früheren Stufen der Embryogenese können diese CPs eine entscheidende Rolle beim Transfer von Metaboliten zwischen den Zellen und bei der interzellulären Kommunikation bis zum späten Morula- oder frühen Blastozystenstadium, wenn die GJ Bildung einsetzt, übernehmen. Die kürzere CP Länge kann deshalb einer der Gründe für die relativ schlechtere Entwicklungsrate der klonierten Embryonen sein. Detailliertere Untersuchungen zur Bedeutung der Länge der CPs'' und ihren funktionellen Aspekten werden zukünftig nötig, um eine genauere Interpretation zu ermöglichen. / Apart from the aim of successfully establishing the Handmade cloning (HMCTM) technique in our laboratory, investigations were conducted to study the developmental competence and viability of the HMCTM -derived embryos while using different somatic cells, and to compare the distribution pattern of cytoskeletal proteins (alpha-tubulin and F-actin) and the nature of cellular contacts, as also the presence of Connexin 43 (gap junction protein) between HMCTM cloned, IVP and in vivo produced embryos. We obtained a 95 % overall average efficiency of formation of the reconstructed embryos with a 65 % average cleavage rate. No significant differences were observed between the three groups of somatic cell donors in terms of embryo reconstruction efficiency, cleavage rate, number of > eight cell stage embryos, and the blastocyst rates. Of the fused couplets, only 2 % reached the blastocyst stage, with many of the embryos arresting between the 8- to 16-cell stage, a stage corresponding to the timing of maternal to embryonic genomic take-over of development in bovine (TELFORD et al. 1990; MEMILI et al. 1998). We also recovered a total of 67 transferable blastocysts, out of which 36 blastocysts were transferred to 36 synchronized recipients resulting in six pregnancies, thereby yielding a 17 % pregnancy rate. Five pregnancies were lost from abortions and one resulted in the birth of a bull calf - the first HMCTM calf born in Europe. The establishment of the HMCTM technique in our lab can thus be regarded as successful. The maximum intensity of tubulin was observed in the cloned and the IVP embryos (with no significant differences) whereas it was significantly lower in the in vivo embryos indicating the adverse effects of in vitro culture conditions. In the case of actin, a higher intensity of staining was observed in the case of in vivo and IVP embryos (with no significant differences) whereas the same was significantly lower in the cloned embryos thereby reflecting the adverse effects of the zona-free technique used in the HMCTM method of SCNT. Speculatively, the deviations/variations observed in the distribution of the cytoskeletal proteins may be an indicator of the developmental arrest in the bovine embryos concerned (MATSUMOTO et al. 2002). Western blot analysis revealed that in the IVP embryos, from 4-cell stage up to the morula stage, both connexin-43 and tubulin were present with no quantitative differences. The 8-cell stage embryos collected from HMCTM cloning, IVP and in vivo production also showed presence of connexin-43 and tubulin, yet again, with no quantitative differences. The results could conform to an earlier hypothesis that Cx43 transcripts in bovine embryos produced in vitro might be of maternal and embryonic origin (WRENZYCKI et al. 1996). Ultrastructural analysis of the 8-cell stage embryos showed that the intercellular contacts between the blastomeres were, in terms of length, of the shortest order in case of the HMCTM cloned embryos whereas these Contact Point (CP) lengths were of the greatest order in vivo produced embryos. In the absence of gap junctions (GJ) in the earlier stages of embryogenesis, these CPs may play a crucial role in the exchange of metabolites and cell-to-cell communication till the late morula or early blastocyst stage when the GJ formation occurs. The shorter CP length may, therefore, be one of the reasons for the relative poor development rate of the cloned embryos. Detailed investigations of the significance of the length of the CPs and their functional aspects would be required in future to facilitate meaningful interpretation.

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Wie erledigen zelluläre Maschinen ihre Aufgaben? Wie funktionieren sie? Zur Beantwortung dieser Fragen werden in unserer wissenschaftlichen Arbeitsgruppe bionanotechnologische Methoden entwickelt, die es ermöglichen, diese nur wenige Nanometer großen Maschinen bei der Ausübung ihrer Arbeiten zu beobachten. Gleichzeitig detektieren diese Methoden molekulare Wechselwirkungsmechanismen, die die einzelnen Maschinen der Zelle steuern. Erste Beispiele zeigen den Einfluss pharmazeutischer Wirkstoffe zur Regulierung der Proteinfunktion im molekularen Detail. Hierdurch werden völlig neue Möglichkeiten geschaffen, um molekulare Schalter zellulärer Maschinen zu finden und zu betätigen. / How do cellular machines function to fulfil their specific tasks so efficiently? How are they regulated? We apply and develop bio-nanotechnological approaches to directly observe these nanoscale cellular machines while they are at work. At the same time, we can gain insights into the working schedule of a cell, and can detect molecular mechanisms which drive and direct single cellular machines. With this unique possibility to reveal the switching mechanisms of the cellular machines, we could apply these switches to purposefully direct and regulate cellular processes. First examples follow the actions of pharmacological compounds on the function of a cellular machine at molecular resolution, and provide hitherto unexpected perspectives to develop and optimise such compounds to precisely target the function of cellular processes.

Zelluläre Seneszenz wird als terminaler Zellzyklusarrest definiert, der mit dem Altern und funktionellen Verlust von Geweben verknüpft ist. Eine Seneszenzreaktion wird ebenso durch Onkogene und zytotoxischen Stress verursacht. Die Ausführung des Seneszenzprogramms wird durch eine zeitlich hochdynamische Aktivität von Transkriptionsfaktoren (TF) bedingt. Interessanterweise kann die Zelllinienzugehörigkeit einer Zelle durch die Expression von linien-aberranten TF überschrieben werden. Die vorliegende Arbeit untersucht Chemotherapie-induzierte Seneszenz (TIS) in Bcl-2 überexprimierenden, deshalb vor Apoptose geschützten, murinen Eµ-Myc B-Zell Lymphomen in An- oder Abwesenheit der Seneszenz-essentiellen Histonmethyltransferase Suv39h1. Analysen auf Transkriptom- und auf Proteinebene ergeben dabei, dass in einer Seneszenz-spezifischen Weise die TF AP-1, PU.1 und C/EBPβ induziert werden, welche normalerweise für die Funktion und Entwicklung myeloischer Zelllinien bedeutend sind. Dementsprechend korreliert der Seneszenzzustand mit Transkripten, Oberflächenmarkern und einer enzymatischen Funktion der myeloischen Linie. Indem die identifizierten TFs heruntergeschaltet oder überexprimiert werden, wird ihre direkte Beteiligung an der Linienuntreue der TIS Lymphome demonstriert. TIS-Kapazität wird als für den Erfolg von Krebstherapie günstige Eigenschaft betrachtet, da sie zu einem Wachstumsblock führt. Nichtsdestotrotz können sich verweilende TIS Zellen krebsbiologisch auch nachteilig auswirken. Anhand von murinen und humanen, klinisch annotieren Transkriptomdatensätzen kann hier in beiden Spezies ein myeloisch verschobenes, Linienuntreue anzeigendes Genexpressionsprofil mit einer besseren Überlebensprognose korreliert werden. Die vorliegenden Befunde legen nahe, dass die Modulation von TF Aktivitäten in Seneszenz einen potentiellen therapeutischen Angriffspunkt darstellt, um den für den Therapieerfolg nützlichen Zweig des TIS Phänotyps zu befördern. / Cellular senescence is regarded as an irreversible cell cycle arrest associated with tissue aging and its functional decline. A senescence response is also evoked by oncogenic and cytotoxic stress. The execution of the senescence program relies on a highly dynamic sequence of transcription factor (TF) activities. Interestingly, cell lineage commitment can be overridden by the expression of lineage-aberrant TFs. This thesis examines chemotherapy-induced senescence (TIS) in Bcl-2 overexpressing, thus apoptosis-protected, murine Eμ-Myc B-cell lymphomas with or without the senescence-essential histone methyltransferase Suv39h1. Transcriptome as well as protein level analyses reveal senescence-specific induction of the TFs AP-1, PU.1 and C/EBPβ which are typically crucial for myeloid lineage commitment and function. Correspondingly, the senescent state associates with myeloid lineage transcripts, surface markers and enzymatic function, reminiscent of, but not equal to a transdifferentiation phenotype. By knocking down and overexpressing the identified TFs, we demonstrate their direct involvement in the lineage infidelity of TIS lymphomas. TIS-capacity is viewed as beneficial to cancer therapy outcome due to its block on proliferation. However, lingering TIS cells can also be detrimental due to the acquisition of latent stemness properties or tumor-protective remodeling of their microenvironment. By interrogating murine and human, clinical course-annotated transcriptome data sets, an association between a myeloid-skewed, lineage infidelity indicating gene expression profile and better tumor prognosis is established in both species. The presented findings suggest that modulation of the senescent TF activities could be therapeutically exploited to foster the cancer patient-beneficial branch of the TIS phenotype.

Die Entschlüsselung der Mechanismen zur Regulierung der Zellidentität im Kontext der zellulären Reprogrammierung ist von zentraler Bedeutung für die Entwicklung von Strategien, die die Qualität und Sicherheit reprogrammierter Zellen für medizinische Anwendungen gewährleisten. Die Bedeutung der verschiedenen Regulationswege und die Art und Weise, wie die ursprüngliche Zellidentität verloren geht, während die neue Zellidentität durch Reprogrammierung etabliert wird, sind noch nicht vollständig verstanden. Um diese Fragen zu klären, haben wir ein neuartiges System entwickelt, in dem Coelomozyten (CCs), die in C. elegans endocytische und hepatische Funktionen haben, durch Überexpression des GATA-Transkriptionsfaktors (TF) ELT-7 bzw. des ZNF-Transkriptionsfaktors (TF) CHE-1, sowohl in darm-, als auch in neuronenartige Zellen umprogrammiert werden können. Wir haben einen RNAi-Screen mit 732 Chromatinregulatoren durchgeführt, um neue Enhancer/Suppressor-Pathways zu identifizieren, die an der direkten Reprogrammierung von CCs beteiligt sind. Dabei konnten wir zeigen, dass die Deletion von Effektorproteinargonauten und von Komponenten des nuklearen RNAi-Pathways die Reprogrammierung von CCs in Neuronen oder Darmzellen unterdrückt. Argonaut NRDE-3, das aus dem Zytoplasma in den Zellkern wandert, zeigte bei seiner Deletion die stärkste Unterdrückung der Reprogrammierung. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die nukleäre RNAi-Maschinerie für die direkte zelluläre in vivo Reprogrammierung erforderlich sein könnte. Darüber hinaus haben wir ATAC-seq in FACs-sortierten CCs durchgeführt, um die Chromatinlandschaft während der CC-Reprogrammierung zu untersuchen. Darüber hinaus haben wir ein menschliches Transdifferenzierungsmodell etabliert, um die Rolle der nuklearen RNAi-Maschinerie und der zahlreichen konservierten Reprogrammierungsfaktoren, die in C. elegans während der direkten Reprogrammierung in vivo identifiziert wurden, zu erforschen. / Dissecting cell fate regulatory mechanisms in the context of cellular reprogramming is central to developing strategies that ensure the quality and safety of reprogrammed cells for medical applications. The importance of different regulatory pathways and how the original cell fate is shut down while establishing the new cell fate during reprogramming are not fully understood. To address these questions, we developed a novel system where coelomocytes (CCs), which have scavenging and hepatic function in C. elegans, can reprogram into both intestinal- and neuronal-like cells upon overexpression of GATA-type transcription factor (TF) ELT-7 and ZNF-type TF CHE-1, respectively. We performed an RNAi screen consisting of 732 chromatin regulators/remodelers to identify novel enhancer/suppressor pathways involved in the direct reprogramming of CCs. We showed that depletion of effector protein Argonauts and the nuclear RNAi pathway components suppresses CC reprogramming into either neurons or intestinal cells. Specifically, the core member Argonaut NRDE-3, which translocates from the cytoplasm to the nucleus, showed the most robust suppression in reprogramming upon its depletion. These findings suggest that nuclear RNAi machinery might be required for in vivo direct cellular reprogramming. Moreover, we also performed the ATAC-seq in FACs-sorted CCs to uncover accessibility in chromatin states during CC reprogramming. Furthermore, we established a human transdifferentiation model to reveal the role of nuclear RNAi machinery and the numerous conserved reprogramming factors identified in C. elegans during in vivo direct reprogramming.