Most of the mitochondrial proteins in yeast are encoded in the nuclear genome, get synthesized by cytosolic ribosomes and are imported via TOM and TIM23 into the matrix or other subcompartments of mitochondria. The mitochondrial DNA in yeast however also encodes a small set of 8 proteins from which most are hydrophobic membrane proteins and build core components of the OXPHOS complexes. They get synthesized by mitochondrial ribosomes which are descendants of bacterial ribosomes and still have some similarities to them. On the other hand, mitochondrial ribosomes experienced various structural and functional changes during evolution that specialized them for the synthesis of the mitochondrial encoded membrane proteins. The mitoribosome contains mitochondria-specific ribosomal proteins and replaced the bacterial 5S rRNA by mitochondria-specific proteins and rRNA extensions. Furthermore, the mitoribosome is tethered to the inner mitochondrial membrane to facilitate a co-translational insertion of newly synthesized proteins. Thus, also the assembly process of mitoribosomes differs from that of bacteria and is to date not well understood. Therefore, the biogenesis of mitochondrial ribosomes in yeast should be investigated. To this end, a strain was generated in which the gene of the mitochondrial RNA-polymerase RPO41 is under control of an inducible GAL10-promoter. Since the scaffold of ribosomes is built by ribosomal RNAs, the depletion of the RNA-polymerase subsequently leads to a loss of mitochondrial ribosomes. Reinduction of Rpo41 initiates the assembly of new mitoribosomes, which makes this strain an attractive model to study mitoribosome biogenesis. Initially, the effects of Rpo41 depletion on cellular and mitochondrial physiology was investigated. Upon Rpo41 depletion, growth on respiratory glycerol medium was inhibited. Furthermore, mitochondrial ribosomal 21S and 15S rRNA was diminished and mitochondrial translation was almost completely absent. Also, mitochondrial DNA was strongly reduced due to the fact that mtDNA replication requires RNA primers that get synthesized by Rpo41. Next, the effect of reinduction of Rpo41 on mitochondria was tested. Time course experiments showed that mitochondrial translation can partially recover from 48h Rpo41 depletion within a timeframe of 4.5h. Sucrose gradient sedimentation experiments further showed that the mitoribosomal constitution was comparable to wildtype control samples during the time course of 4.5h of reinduction, suggesting that the ribosome assembly is not fundamentally altered in Gal-Rpo41 mitochondria. In addition, the depletion time was found to be critical for recovery of mitochondrial translation and mitochondrial RNA levels. It was observed that after 36h of Rpo41 depletion, the rRNA levels and mitochondrial translation recovered to almost 100%, but only within a time course of 10h. Finally, mitochondria from Gal-Rpo41 cells isolated after different timepoints of reinduction were used to perform complexome profiling and the assembly of mitochondrial protein complexes was investigated. First, the steady state conditions and the assembly process of mitochondrial respiratory chain complexes were monitored. The individual respiratory chain complexes and the super-complexes of complex III, complex IV and complex V were observed. Furthermore, it was seen that they recovered from Rpo41 depletion within 4.5h of reinduction. Complexome profiles of the mitoribosomal small and large subunit discovered subcomplexes of mitoribosomal proteins that were assumed to form prior to their incorporation into assembly intermediates. The complexome profiles after reinduction indeed showed the formation of these subcomplexes before formation of the fully assembled subunit. In the mitochondrial LSU one subcomplex builds the membrane facing protuberance and a second subcomplex forms the central protuberance. In contrast to the preassembled subcomplexes, proteins that were involved in early assembly steps were exclusively found in the fully assembled subunit. Proteins that assemble at the periphery of the mitoribosome during intermediate and late assembly steps where found in soluble form suggesting a pool of unassembled proteins that supply assembly intermediates with proteins. Taken together, the findings of this thesis suggest a so far unknow building-block model for mitoribosome assembly in which characteristic structures of the yeast mitochondrial ribosome form preassembled subcomplexes prior to their incorporation into the mitoribosome.

Anisotropy of tracer-coupled networks is a hallmark in many brain regions. In the past, the topography of these networks was analyzed using various approaches, which focused on different aspects, e.g., position, tracer signal, or direction of coupled cells. Here, we developed a vector-based method to analyze the extent and preferential direction of tracer spreading. As a model region, we chose the lateral superior olive—a nucleus that exhibits specialized network topography. In acute slices, sulforhodamine 101-positive astrocytes were patch-clamped and dialyzed with the GJ-permeable tracer neurobiotin, which was subsequently labeled with avidin alexa fluor 488. A predetermined threshold was used to differentiate between tracer-coupled and tracer-uncoupled cells. Tracer extent was calculated from the vector means of tracer-coupled cells in four 90° sectors. We then computed the preferential direction using a rotating coordinate system and post hoc fitting of these results with a sinusoidal function. The new method allows for an objective analysis of tracer spreading that provides information about shape and orientation of GJ networks. We expect this approach to become a vital tool for the analysis of coupling anisotropy in many brain regions

Diese Arbeit befasste sich mit der Analyse genetischer Veränderungen in der Familie P006 von Piperacillin-resistenten Mutanten von S. pneumoniae R6. Jede der fünf Mutanten P106 bis P506 dieser Familie wurde aus dem jeweiligen Parentalstamm auf ansteigender Konzentration des lytischen ß-Lactams Piperacillin isoliert und zeichnete sich durch eine jeweils höhere minimale Hemmkonzentration (MHK) für Piperacillin aus (Laible et al., 1987). In Mutante P106 konnte mit CpoA bereits eine Resistenzdeterminante für Piperacillin identifiziert werden, welche nicht zu den klassischen Targets der ß-Lactamantibiotika, den Penicillin-Bindeproteinen (Pbp), zählt (Grebe et al., 1997). Die Mutanten P206 und P306 zeigten aufgrund von Mutationen in Pbp2b und Pbp2x eine höhere Resistenz gegen Piperacillin (Hakenbeck et al., 1994; Grebe & Hakenbeck, 1996). In dieser Arbeit standen die Identifizierung und Charakterisierung der bisher unbekannten Resistenzdeterminante für Piperacillin in Mutante P406 und die Charakterisierung der bisher nur unzulänglich untersuchten Nicht-Pbp-Resistenzdeterminante CpoA in Mutante P106 im Mittelpunkt der Analysen. Im Fall der bereits identifizierten Resistenzdeterminante in Mutante P106 handelt es sich um das für eine Glykosyltransferase kodierende Gen cpoA. Die Herstellung einer cpoA-Deletionsmutante, sowie deren Charakterisierung, sollten zur Aufklärung des zugrundeliegenden Resistenzmechanismus in P106 und der Funktion von CpoA beitragen. Durch die Herstellung der cpoA-Deletionsmutante und die Bestimmung der MHK für Piperacillin konnte gezeigt werden, daß ein Ausfall der durch CpoA katalysierten Reaktion einen Anstieg der MHK für Piperacillin in S. pneumoniae R6 bewirkt. Die eingehende phänotypische Charakterisierung zeigte, daß die cpoA-Deletionsmutante zudem eine reduzierte genetische Kompetenz, eine reduzierte Säuretoleranz, einen höheren Bedarf an zweiwertigen Mg-Ionen, eine längere Generationszeit und eine verlangsamte Autolyse im Vergleich zu S. pneumoniae R6 besitzt. Diese Beobachtungen, sowie die Ergebnisse einer Microarray-basierten, globalen Transkriptomanalyse lassen es unter Berücksichtigung der biochemischen Charakterisierung von CpoA (Edman et al., 2003) als wahrscheinlich erscheinen, daß CpoA an der Synthese von α-Galactosyl-Glucosyl-Diacylglycerin, einem der Hauptglycolipide der Cytoplasmamembran von S. pneumoniae beteiligt ist. Die Deletion von cpoA könnte demzufolge auch einen Effekt auf die Menge der Lipoteichonsäuren in der Zellwand von S. pneumoniae besitzen, da der Precursor von α-Galactosyl-Glucosyl-Diacylglycerin, das α-Monoglucosyl-Diacylglycerin vermutlich den Lipidanker der Lipoteichonsäuren darstellt. Basierend auf dieser Annahme konnte ein Modell zur Funktion von CpoA erstellt werden, welches eine Erklärung des Resistenzmechanismus für Piperacillin in Mutante P106, bzw. in der cpoA-Deletionsmutante ermöglichen würde. In Mutante P406 konnten weitere Veränderungen der Pbps bereits ausgeschlossen werden (Hakenbeck et al., 1994; Grebe & Hakenbeck, 1996). Durch eine Microarray-basierte, globale Transkriptomanalyse aller fünf Mutanten der Familie P006 konnten Gene identifiziert werden, deren Transkripte im Vergleich zu S. pneumoniae R6 nur in P406 signifikant veränderte Mengen aufwiesen: Unter diesen Genen befanden sich sechs Gene, welche aufgrund ihrer geclusterten Anordnung im Genom von S. pneumoniae als putative funktionelle Einheit (TCS11-Cluster) angesehen wurden. Diese Gene zeigten eine bis zu 22-fach erhöhte Transkriptmenge in Mutante P406. Zudem konnten nur in Mutante P406 von Genen des an der Teichonsäurebiosynthese beteiligten lic1-Operons eine bis zu 7,9-fach höhere Transkriptmenge beobachtet werden. Keines der Genprodukte des TCS11-Clusters wurde bisher charakterisiert. Aufgrund von Blast- und Domänen-Analysen konnten den Genprodukten putative Funktionen zugeschrieben werden. Die Gene smp11A und smp11B kodieren für zwei putative Membranproteine von 63 und 64 Aminosäuren. Die Gene nbp11 und msp11 kodieren für die ATPase- und die Permease-Komponente eines putativen ABC-Transporters. kin11 und reg11 kodieren für die Histidin-Kinase und den Response-Regulator des bisher uncharakterisierten Zweikomponentensystems 11 (TCS11) in S. pneumoniae. Die Gene sind in der Reihenfolge smp11A, smp11B, nbp11, msp11, kin11 und reg11 auf dem Minus-Strang im Genom von S. pneumoniae lokalisiert. Die Deletion der Gene kin11 und reg11 des TCS11 in P406 führte zum Abfall der MHK für Piperacillin auf die MHK des Parentalstamms P306. Somit konnte die Beteiligung des TCS11 in S. pneumoniae an einem unbekannten Resistenzmechanismus gegen Piperacillin nachgewiesen werden. Die Deletion von nbp11 in P406 führte ebenfalls zum Abfall der MHK für Piperacillin, womit einerseits auch für Nbp11 eine Beteiligung an dem unbekannten Resistenzmechanismus gegen Piperacillin gezeigt werden konnte und andererseits eine transkriptionelle Regulation der Gene smp11A, smp11B, nbp11 und msp11 durch das TCS11 vermutet werden konnte. Durch eine konstitutive, gemeinsame Überexpression der Gene smp11A, smp11B, nbp11 und msp11 in S. pneumoniae R6 wurde gezeigt, daß die Überexpression dieser Gene hinreichend für eine Erhöhung der Resistenz gegen Piperacillin ist. Durch 5´-RACE-Analysen konnten die beiden Transkriptionsstartpunkte P11.1 und P11.2 im Bereich des TCS11-Clusters kartiert werden. P11.1 befindet sich 20bp upstream von smp11A und P11.2 befindet sich 441bp upstream von kin11 innerhalb von msp11. Eine Northern-Analyse und die Durchführung von PCR auf cDNA zeigte, daß die Gene des TCS11-Clusters in zwei überlappenden Transkriptionseinheiten transkribiert werden. Die Gene kin11 und reg11 sind zusammen mit einer downstream von reg11 liegenden Kopie des repetetiven Elements rupA im 11-2-Operon organisiert und werden ausgehend von Promotor P11.2 inklusive des ungewöhnlich langen Leaders von 441bp transkribiert. smp11A, smp11B, nbp11 und msp11 sind im 11-1-Operon organisiert und werden ausgehend von Promotor P11.1 transkribiert. Die Zugehörigkeit von kin11 und reg11 zum 11-1-Operon konnte hingegegen bei den verwendeten Wachstumsbedingungen nicht gezeigt werden. Es konnte bereits gezeigt werden, daß phosphoryliertes Reg11 (Reg11-P) an die Promotor-Region von P11.1 bindet (Marciszewski, Diplomarbeit 2007). Die Bestimmung der Aktivität von P11.1 in S. pneumoniae R6, sowie in kin11-, reg11- und kin11reg11-Deletionsmutanten zeigte, daß P11.1 einer direkten, positiven Regulation durch das TCS11 unterliegt. Durch Sequenzvergleiche der Promotor-Region von P11.1 mit den DNA-Regionen putativer Promotoren von zum TCS11-Cluster ähnlich organisierten Clustern homologer Proteine in Genomen anderer Gram-positiver Bakterien konnten drei hoch konservierte Sequenzabschnitte identifiziert werden, von welchen gezeigt werden konnte, daß sie für die Bindung von Reg11-P in S. pneumoniae essentiell sind. Vermutlich stellt die Konsensus-Sequenz ATGACA(2)TGTCAT(8-9)GTGACA die DNA-Bindestelle von Reg11-P dar. Es konnten keine weiteren, zu 100 % konservierten Sequenzen dieser Art im Genom von S. pneumoniae gefunden werden. In EMSA-Assays mit weniger konservierten Sequenzen dieser Art konnte keine Bindung von Reg11-P beobachtet werden. Somit handelt es sich bei der Bindestelle an P11.1 vermutlich um die einzige Bindestelle von Reg11-P im Genom von S. pneumoniae. Von P11.2 konnte durch die Bestimmung der Promotor-Aktivität in Deletionsmutanten einzelner Gene des TCS11-Clusters gezeigt werden, daß auch dieser Promotor einer Regulation unterliegt, welche jedoch nicht durch die Bindung von Reg11-P, oder von unphosphoryliertem Reg11 vermittelt wird. Die Aktivität von P11.2 ist hierbei jedoch einerseits Abhängig von der Anwesenheit von Kin11 und andererseits entweder von der Funktion der Membranproteine Smp11A und Smp11B, oder von der durch Nbp11/Msp11 transportierten unbekannten Substanz. Die Bestimmung der Promotor-Aktivität von P11.2 in Deletionsmutanten einzelner Gene des TCS11-Clusters und die unterschiedlichen phänotypischen Effekte einer kin11-, reg11- und einer kin11reg11-Deletionsmutante zeigten, daß unphosphoryliertes Reg11 ebenfalls in der Lage sein muß, die Transkription von noch unbekannten Zielgenen durch Bindung an eine weitere, unbekannte DNA-Bindestelle zu regulieren. Sowohl durch die Deletion eines Großteils des 441nt langen Leaders des Transkripts des 11-2-Operons, als auch durch die Deletion zweier verschiedener Abschnitte des 3´-untranslatierten Bereichs dieses Transkripts konnte gezeigt werden, daß der 5´- und der 3´-untranslatierte Bereich an noch unbekannten regulatorischen Mechanismen beteiligt sind. Die Deletion einzelner Gene des TCS11-Clusters, sowie die gemeinsame Überexpression von Smp11A, Smp11B, Nbp11 und Msp11 bewirkten die gleichen phänotypischen Effekte wie die charakterisierte cpoA-Deletionsmutante. So konnte in Wachstumsexperimenten der gleiche Einfluß auf die Generationszeit, die maximale Zelldichte und die Autolyse, wie in der cpoA-Deletionsmutante, gezeigt werden. Die Microarray-basierte Transkriptomanalyse zweier Deletionsmutanten von Genen des TCS11-Clusters zeigte zudem, daß sich infolge dieser Deletionen größtenteils die Transkriptmengen solcher Gene ändern, welche auch auf eine Deletion von cpoA reagieren. Hierzu zählen neben zahlreichen Genen für Proteine unbekannter Funktion die Gene des Kompetenzregulons, des blp-Clusters, sowie des Cholinbindeproteins PcpA und der Subtilisin-artigen Proteinase PrtA. Die in Mutante P406 beobachteten höheren Transkriptmengen von an der Teichonsäurebiosynthese beteiligten Genen des lic1-Operons konnten durch die Deletion von kin11reg11 revidiert werden. Die konstitutive gemeinsame Überexpression von Smp11A, Smp11B, Nbp11 und Msp11, sowie die Bestimmung der Aktivität des Promotors P1spr1149 des lic1-Operons zeigte, daß die Transkription der Gene des lic1-Operons indirekt von der Menge an Smp11A, Smp11B, Nbp11 und Msp11 abhängt. Diese Ergebnisse führten zu der Hypothese, daß das TCS11-Cluster und die Glykosyltransferase CpoA an den gleichen, oder zumindest an sich beeinflussenden, Membran-assoziierten Vorgängen beteiligt sind. Folglich konnte durch die molekulargenetische Charakterisierung des in ähnlicher genetischer Organisation in Gram-positiven Bakterien weit verbreiteten TCS11-Clusters erstmals ein Hinweis auf die putative physiologische Funktion des TCS11-Clusters in S. pneumoniae erhalten werden.

The cytosolic Fe65 adaptor protein family, consisting of Fe65, Fe65L1 and Fe65L2 is involved in many intracellular signaling pathways linking via its three interaction domains a continuously growing list of proteins by facilitating functional interactions. One of the most important binding partners of Fe65 family proteins is the amyloid precursor protein (APP), which plays an important role in Alzheimer Disease. To gain deeper insights in the function of the ubiquitously expressed Fe65 and the brain enriched Fe65L1, the goal of my study was I) to analyze their putative synaptic function in vivo, II) to examine structural analysis focusing on a putative dimeric complex of Fe65, III) to consider the involvement of Fe65 in mediating LRP1 and APP intracellular trafficking in murine hippocampal neurons. By utilizing several behavioral analyses of Fe65 KO, Fe65L1 KO and Fe65/Fe65L1 DKO mice I could demonstrate that the Fe65 protein family is essential for learning and memory as well as grip strength and locomotor activity. Furthermore, immunohistological as well as protein biochemical analysis revealed that the Fe65 protein family is important for neuromuscular junction formation in the peripheral nervous system, which involves binding of APP and acting downstream of the APP signaling pathway. Via Co-immunoprecipitation analysis I could verify that Fe65 is capable to form dimers ex vivo, which exclusively occur in the cytosol and upon APP expression are shifted to membrane compartments forming trimeric complexes. The influence of the loss of Fe65 and/or Fe65L1 on APP and/or LRP1 transport characteristics in axons could not be verified, possibly conditioned by the compensatory effect of Fe65L2. However, I could demonstrate that LRP1 affects the APP transport independently of Fe65 by shifting APP into slower types of vesicles leading to changed processing and endocytosis of APP. The outcome of my thesis advanced our understanding of the Fe65 protein family, especially its interplay with APP physiological function in synapse formation and synaptic plasticity.

TRP-Proteine sind integrale Membranproteine, die Untereinheiten von Kationenkanälen bilden, die z.B. an der Schmerz und Temperaturwahrnehmung, der Absorption von Mg2+ und Ca2+ im Darm und in der Niere oder für die Freisetzung von Entzündungsmediatoren in Immunzellen verantwortlich sind. Das in der vorliegenden Arbeit untersuchte TRPV6-Protein stellt einen hochselektiven Ca2+¬-Kanal dar, der für den tranzellulären Ca2+-Transport in Endothelzellen des Dünndarms und der Plazenta verantwortlich ist und für den bisher noch kein hochaffiner Agonist bekannt ist. Das niedrig exprimierte, integrale Membranprotein konnte ich erstmal im Rahmen meiner Diplomarbeit aus humaner Plazenta zusammen mit Annexin A2 und Cyclophilin B (CyPB) anreichern. Diese putative Interaktion zwischen dem Ionenkanal und CyPB wird im Rahmen meiner Doktorarbeit mit Coimmunpräzipitation, Saccharosedichtegradientenzentrifugation, Peptidblotanalyse und GST-Pulldown-Analysen untersucht. Hierbei kann die TRPV6-CyPB-Interaktion in Immunpräzipitationen mit unabhängigen Antikörpern bestätigt werden. Die Ergebnisse der Dichtegradientenzentrifugation belegen die Existenz von TRPV6-Multimeren bzw. von TRPV6 enthaltenden Multiproteinkomplexen. Unter diesen Bedingungen ist allerdings keine CyPB-Assoziation mit dem TRPV6-Protein festzustellen. Das Einengen der Bindestelle von CyPB im TRPV6-Protein mittels Peptidblot- und GST-Pulldown-Analyse führt zur der potentiellen Bindungsstelle mit der minimalen Aminosäuresequenz Y66EDCKV71. Meine Ergebnisse waren Ausgangspunkt für die funktionelle Charakterisierung der TRPV6-CyPB-Interaktion in Xenopus laevis Oozyten, die zeigt, dass CyPB den Ionenkanal aktiviert. Die Bindung zwischen beiden Proteinen ist offenbar wenig affin und scheint nur unter den gegebenen Solubilisierungsbedingungen nachweisbar. Zur Erhaltung möglicher kalziumabhängiger Proteinbindungen wird die zuvor benutzte mehrstufige TRPV6-Affinitätschromatographie, bestehend aus einer CaM- und einer TRPV6-Antikörpersäule, durch eine einstufige Affinitätsreinigung ersetzt. Zur Solubilisierung und Isolierung des TRPV6-enthaltenden Proteinkomplexes eignen sich hierbei insbesondere die nichtionischen Detergenzien Dodecyl-β-D-maltosid (DDM) und Digitonin. Zur Auftrennung und Untersuchung der isolierten TRPV6-Proteinkomplexe kann weiterhin eine zweidimensionale Blue Native-Gelelektrophorese (BN-PAGE) etabliert und die daraus isolierten Proteine massenspektrometrisch analysiert werden. Für die Auftrennung der TRPV6-Proteinkomplexe in der BN-PAGE eigenen sich ebenfalls am besten die nichtionischen Detergenzien DDM und Digitonin. Das TRPV6-Protein wird nach der nativen BN-PAGE als Bestandteil eines oder mehrerer Proteinkomplexe mit einem Molekulargewicht von 440 - 670 kDa detektiert. Abschließend wird die Übertragbarkeit der für TRPV6 etablierten Vorgehensweise zur Isolierung von Membranproteinkomplexen auf andere TRP-Kanalproteine in verschiedenen Geweben gezeigt. So kann TRPV6 aus Mausplazenta und das TRPC6-Membranprotein aus murinen Mastzellen und Mauslungengewebe mittels Coimmunpräzipitation und Affinitätschromatographie isoliert und spezifisch detektiert werden.

In dieser Arbeit wurde die Induktion von Apoptose durch vier a,b-ungesättigte Aldehyde und ein zyklisches Keton untersucht. Die Apoptoseinduktion wurde mittels 2-Parameter-Durchflußzytometrie (DNA-/Proteinmessung), Fluoreszenzmikroskopie und DNA-Isolation bestimmt. Es wurden dazu Konzentrationskinetiken (0 bis 150microM) und Zeitkinetiken (1h-Inkubation mit anschließender Postinkubation bis 24h bzw.72h bei Molt4; 0h bis 24h bei 2-Cyclohexen-1-on) an den humanen Zellinien U937, HL-60, K562 und Molt4 aufgestellt. Bei den Zellinien U937 und HL-60 konnte die induzierte Apoptose sowohl quantitativ (durchflußzytometrisch und morphologisch) als auch qualitativ (DNA-Leiter) eindeutig bestimmt werden. Für alle Verbindungen wurde eine dosis- und zeitabhängige Induktion von Apoptose detektiert. Darüberhinaus lieferte die morphologische Analyse Informationen über die Verteilung der einzelnen Apoptosestadien. Die Zellinien K562 und Molt4 zeigten keine so deutliche Übereinstimmung zwischen den 3 Detektionsmethoden. Für die Zellinie K562 ergab sich in den eingesetzten Konzentrationsbereichen nur bei 2-Cyclohexen-1-on durchflußzytometrisch eine dosis- und zeitabhängige Apoptoseinduktion, die sich zwar mit der Analyse der DNA-Leiter, nicht aber mit der morphologischen Auswertung bestätigen ließ. Für trans-2-Hexenal und trans-2-Octenal konnte nur zeitabhängig ein Anstieg mittels FCM detektiert werden, der nur für trans-2-Octenal signifikant war. Bei beiden ergab sich keine DNA-Leiter. Die morphologische Analyse für trans-2-Hexenal ließ einen ebenfalls nicht signifikanten Anstieg erkennen. Für trans-2-Octenal wurde keine morphologische Analyse durchgeführt. Die Zellinie Molt4 zeigte nur zeitabhängig für trans-2-Hexenal, 2-trans,4-trans-Hexadien-1-al und 2-trans,6-cis-Nonadienal eine Apoptoseinduktion, die ausschließlich für 2-trans,4-trans-Hexadien-1-al signifikant war. Die Analyse der DNA-Leiter war auch hier in allen Fällen negativ. Die morphologische Analyse konnte für 2-Cyclohexen-1-on zusätzliche, im FCM nicht detektierte Apoptose zeigen. Der Vergleich der 1-Parameter-Messung des DNA-Gehaltes mit der 2-Parameter-Messung des DNA- und Proteingehaltes der Zellinie U937 bei trans-2-Hexenal- und 2-Cyclohexen-1-on-Behandlung ergab zusätzliche, bei der 1-Parameter-Messung ?versteckte" apoptotische Zellen. Diese waren eindeutig bestimmten Zellzyklusphasen zuzuordnen. Ein weiterer Vergleich der DNA-/Proteinmessung mit der als spezifischste Methode geltenden Markierung der Strangbrüche mit fluoreszenzmarkierten Nukleotiden wurde durchgeführt. Dazu wurden Beispiele aus der Literatur eingesetzt. Dieser Vergleich zeigte, daß bei einem geeigneten Zellsystem die zellzyklusspezifische Apoptosebestimmung vergleichbar war. Von Vorteil für die DNA-/Proteinmessung war dabei die einfache und kostengünstige Durchführung.Der zur Überprüfung der Diskrepanzen zwischen den Detektionsmethoden bei den Zellinien K562 und Molt4 eingesetzte Annexin V-Assay bot in beiden Fällen keine weitere Information. Die eingesetzten Methoden konnten also bei den Zellinien U937 und HL-60 in guter Übereinstimmung Apoptose detektieren, die Zellinien K562 und Molt4 zeigten sich aufgrund fehlender Fragmentierung der DNA in 180bp-Fragmente und der relativen Apoptoseresistenz von K562 für dieses Screening als ungeeignet. Für diese Zellinien müßten weitere Methoden, die nicht auf der Fragmentierung der DNA beruhen, eingesetzt werden.Aufgrund der Tatsache, daß die Apoptoseinduktion bei den Zellinien K562 und Molt4 erst nach längerer Inkubationsdauer auftrat, wurde diese als verzögerte Apoptose interpretiert. Im Vergleich dazu handelte es sich bei den Zellinien U937 und HL-60 um frühe Apoptose. Setzt man die Apoptoseinduktion mit der Phasenspezifität der Verbindungen in Beziehung, so kann man für die Zellinien U937 und HL-60 nach Inkubation mit den untersuchten Aldehyden von Homo-Zyklus-Apoptose, mit 2-Cyclohexen-1-on von Homo-Phase-Apoptose sprechen, obwohl letztere durchflußzytometrisch erst nach 12h in Erscheinung trat. Für die Zellinien K562 und Molt4 handelte es sich bei allen Verbindungen um post-mitotische-Apoptose. Die Aldehyde zeigten bezüglich ihrer Apoptoseinduktion bei U937 und HL-60 keine Phasenspezifität, es waren alle Zellzyklusphasen betroffen. Bei K562 zeigten sie G1-Phasenspezifität, bei Molt4 G1- und teilweise G2-Phasenspezifität. 2-Cyclohexen-1-on ergab S-Phasenspezifität bei U937 und HL-60 sowie G1-Phasenspezifität bei K562. Außerden trat im Zeitverlauf für trans-2-Hexenal, 2-trans,4-trans-Hexadien-1-al, trans-2-Octenal und 2-Cyclohexen-1-on ein G2/M-Arrest auf, 2-trans,6-cis-Nonadienal erzeugte einen G1-Arrest.Der Einfluß der Kettenlänge und Anzahl der Doppelbindungen auf das apoptoseinduzierende Potential wurde an den Zellinien U937 und HL-60 für trans-2-Hexenal, 2-trans,4-trans-Hexadien-1-al, trans-2-Octenal und 2-trans,6-cis-Nonadienal untersucht. Dabei ergab sich ein substanzabhängiger Anstieg der Apoptoseinduktion mit steigender Kettenlänge, der aber nicht in allen Fällen signifikant war. Der Einfluß der Doppelbindungen konnte nur im direkten Vergleich von trans-2-Hexenal und 2-trans,4-trans-Hexadien-1-al betrachtet werden. Hier trat kein signifikanter Unterschied zwischen den beiden Verbindungen auf, was wahrscheinlich auf die Konjugation der Doppelbindungen und die damit verbundene erhöhte Polarität und gleichzeitig erniedrigte Lipophilie zurückzuführen war.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der molekularen Biogeografie und der Populationsgenetik von Meum athamanticum (Apiaceae). Die Untersuchung stellt dabei die erste arealweite Phylogeografie einer europäischen temperat-montanen Pflanzenart dar. Neben der biogeografischen Struktur lag ein Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Untersuchung der M. athamanticum-Populationen des mitteleuropäischen Periglazialgebietes. Dadurch sollte ein Beitrag zur aktuell geführten Debatte und Theoriebildung der postglazialen Arealentwicklung temperater Arten geleistet und die Rolle des mitteleuropäischen Mittelgebirgsraums für die historische Entwicklung der Art beleuchtet werden. Auf der Basis populationsgenetischer Analysen sollten außerdem Aussagen zum Schutz der gefährdeten Art M. athamanticum getroffen werden. Für die Arbeit wurden AFLP-Untersuchungen an 173 Individuen aus 23 Populationen aus dem gesamten Verbreitungsgebiet von M. athamanticum durchgeführt. Außerdem wurden von 24 Individuen ITS- und ETS-Sequenzen erzeugt und analysiert, um Hinweise auf die ursprünglichen Evolutionsvorgänge innerhalb der Art zu erhalten. Für die feinere Auflösung des mitteleuropäischen Teilareals wurde in einem zweiten AFLP-Datensatz 210 Individuen aus 14 Populationen untersucht. Innerhalb der Art ist eine deutliche Nord-Süd-Differenzierung nachweisbar, die durch eine intermediäre Populationsgruppe in den Südwest-Alpen, die vermutlich eine sekundäre Kontaktzone repräsentiert, getrennt wird. Die starke genetische Separierung südlicher Populationen und die Existenz distinkter ITS/ETS-Haplotypen liefern Hinweise darauf, dass die Auftrennung innerhalb M. athamanticum relativ alt ist. Das wird gestützt durch die Tatsache, dass in allen drei großen geografischen Regionen Populationen mit hoher genetischer Diversität und genetisch alte Reliktpopulationen, die durch eine hohe Zahl eigener Fragmente gekennzeichnet sind, existieren. Die Ergebnisse der individuellen und populationsbezogenen Diversitätsanalysen zeigen, dass M. athamanticum sich nicht an den großräumigen Rekolonisationsvorgängen der europäischen Flora beteiligte, sondern zumindest das letzte glaziale Maximum im periglazialen Mitteleuropa überdauerte. Ein Refugialgebiet bestand wahrscheinlich im Umfeld des französischen Zentralmassivs, ein weiteres vermutlich im Randbereich von Ardennen/Eifel. Weiter gibt es Hinweise darauf, dass rund um den Gebirgsbogen des Erzgebirges und im Umfeld des Schwarzwaldes Refugien der Art gelegen haben. Und schließlich wird eine glaziale Persistenz im Bereich der Britischen Inseln postuliert. Eine Gruppe mit Populationen aus dem Thüringer Wald und dem Bayerischen Alpenvorland sind als Übergangsgruppe und sekundäre Kontaktzone zwischen den mitteleuropäischen Refugien zu deuten. Die Ergebnisse weisen auf unterschiedliche Migrationsmuster von M. athamanticum hin, die durch die topografischen Gegebenheiten in den geografischen Teilräumen geprägt sind. Im nördlichen Teilareal von M. athamanticum kam es bei einem vergleichbar wenig ausgeprägten Relief (heutige Vorkommen zwischen 200 und 1020 m ü. NN) zu geografisch weiträumigen longitudinalen und latitudinalen Migrationen, was die Bildung intramontaner Populationen und den genetischen Austausch mit benachbarten Populationen ermöglichte. Demgegenüber kam es in Südeuropa während kalter Perioden im Zuge der klimabedingten Absenkung der Vegetationszonen zu geografisch eng begrenzten, altitudinalen Wanderungsbewegungen (heutige Vorkommen zwischen 1400 und 2900 m ü. NN), womit ein genetischer Austausch zwischen benachbarten Populationen auch in den Kaltphasen eingeschränkt war. Die genetischen Merkmale (AMOVA: Differenzierung zwischen den Populationen; NJ: längere Äste; modellbasiertes Clusterverfahren: höhere Likelihood für Differenzierung; hohe Anzahl privater und fixierter privater Fragmente und isolation-by-distance der Populationen des südlichen Arealrandes (rear edge) reflektieren insgesamt Isolationsereignisse, die vermutlich bis in das Tertiär zurückreichen. Aus den Ergebnissen der arealweiten phylogeografischen Studie als auch der mitteleuropäischen populationsgenetischen Studie können Schlussfolgerungen für den Schutz von M. athamanticum gezogen werden können. Dabei werden die rear-edge-Populationen der südeuropäischen Hochgebirge, genetisch rezent verarmte Kleinpopulationen in Mitteleuropa und die genetisch diversen Populationen in allen Teilarealen als prioritär für den Erhalt der Art eingestuft.

To render membrane proteins amenable to in vitro functional and structural studies, they need to be extracted from cellular membranes and stabilised using membrane-mimetic systems. Amphiphilic copolymers gain considerable interest, because they are able to coextract membrane proteins and their surrounding lipids from complex cellular membranes to form polymer-bounded nanodiscs. The latter harbour a native-like lipid-bilayer core stabilised by a copolymer rim. Accordingly, these membrane mimics are supposed to provide superior stability to embedded membrane proteins as compared with conventional detergent micelles. Herein, the formation of nanodiscs by the most commonly used styrene/maleic acid (SMA)copolymer, termed SMA(2:1), was elucidated in detail. To this end, the equilibrium solubilisation efficiencies towards model and cellular membranes were quantified and compared with those of the more hydrophobic SMA(3:1) and the more hydrophilic diisobutylene/maleic acid (DIBMA) copolymers. It was shown that, from a thermodynamic viewpoint, SMA(2:1) is the most efficient membrane solubiliser in terms of lipid- and proteinextraction yields. Solvent properties (pH, ionic strength) or membrane characteristics (lateral pressure, charge, or thickness) can affect the polymers’ solubilisation efficiency to a certain extent. In addition, the lipid transfer behaviour of SMA(2:1) nanodiscs was studied. Notwithstanding their high effective negative charge, SMA(2:1) nanodiscs exchange phospholipids more rapidly among each other than vesicles or protein-bounded nanodiscs, thus rendering them highly dynamic nano-assemblies. Two alternative electroneutral polymers, namely SMA(2:1)-SB and DIBMA-SB, were introduced in this thesis. They were generated by polymer backbone modifications of SMA(2:1) and DIBMA, respectively. The derivatised polymers were shown to quantitatively solubilise model and biological membranes and, like DIBMA, only had a mild effect on lipidbilayer integrity. Along these lines, DIBMA-SB preserved membrane-protein complexes of distinct structural classes and extracted them from various cellular membranes. Importantly, the electroneutral polymers were amenable to protein/lipid interaction studies otherwise masked by unspecific interactions of their anionic counterparts with target lipids or proteins. Taken together, the in-depth characterisation of nanodiscs formed by anionic and electroneutral polymers allows for adjusting the nanodisc properties to specifically suit experimental requirements or address membrane-protein research questions.

Esterases and lipases are widely used as industrial enzymes and for the synthesis of chiral drugs. Because of their rich secondary metabolism, Streptomyces species offer a relatively untapped source of interesting esterases and lipases. S. coelicolor and S. avermitilis contain 51 genes annotated as esterases and/or lipases. In this study I have cloned 14 different genes encoding for lipolytic enzymes from S. coelicolor (11 genes) and S. avermitilis (four genes). Some of these genes were over-expressed in E. coli. Three of the produced enzymes, which were produced by the genes SCO 7131, SCO6966 and SCO3644, were characterized biochemically and one of them was subjected for directed evolution. The gene estA (locus SCO 7131) was annotated as a putative lipase/esterase in the genome sequence of S. coelicolor A3(2), but does not have a homologue in the genome sequence of S. avermitilis or in other known Streptomyces sequences. estA was cloned and expressed in E. coli as a His-tagged protein. The protein was purified and could be recovered in its non-tagged form after digestion with factor Xa. The relative molecular weight was estimated to be 35.5kDa. The enzyme was only active towards acetate esters and not on larger substrates. It had a stereospecificity towards α-naphathylacetate. It was thermostable, with a half-life at 50C of 4.5 hours. Est A showed stability over pH range 5.5-10, and had optimum pH of 7.5. Its activity was drastically decreased when it was pre-incubated in 10mM PMSF, Cu+2 and Hg+2. It was not very stable in most organic solvents and had only slight enantioselectivity. Est A belongs to the HSL family whose founder member is the human hormone-sensitive lipase. I have developed a protein profile for the HSL family modifying the conserved motifs found by Arpigny and Jaeger (1999). Due to the presence of several HSL members with known 3D structure and good homology to Est A, I was able to make a homology model of Est A. Five different mutants of Est A were produced through site directed mutagenesis: W87F, V158A, W87F/V158A, M162L and S163A. The mutants M162L and S163A did not produce a significant change either in substrate specificity or enzyme kinetics. The mutants V158A and W87F/V158A could act on the larger substrates p-nitrophenylbutyrate and caproate and tributyrin. The mutant V158A had improved thermostability and its t1/2 at 50ºC increased to 24h. The affinity of V158A towards p-nitrophenyacetate increased 6-fold when compared with the wild type, whereas the affinity of W87F decreased 4-fold. Directed evolution of Est A was done through random mutagenesis and ER-PCR. A library of 6336 mutants was constructed and screened for mutants with a broader spectrum of substrate specificity. The mutant XXVF7 did show alteration in the substrate specificity of Est A. The mutant XXVF7 had 5 amino acids changes L76R, L146P, S196G, W213R and L267R. The gene locus SCO 6966 (estB gene) was cloned and expressed in E. coli as a His-tagged protein. It was not possible to remove the His-tag using factor Xa. The tagged protein had a molecular weight 31.9kDa. Est B was active against short chain fatty acid esters (C2-C6). Its optimum temperature was 30ºC and was stable for 1h at temperatures up to 37ºC. The enzyme had maximum activity at pH 8-8.5 and was stable over pH range 7.5-11 for 24h. It was highly sensitive for PMSF, Cu+2 and Hg+2. The enzymatic activity deceased in presence of organic solvents, however it was fairly stable for 1h in 20% organic solvents solutions. A third esterase was produced from the gene locus SCO 3644. This esterase was a thermosensitive one with optimum temperature of 35ºC. The three characterized enzymes included a thermophilic, mesophilic and psychrophilic ones. This indicates the high variation in the characters of Streptomyces lipolytic enzymes and highlighting Streptomyces as a source for esterases and lipases of interesting catalytic activity. This study was an initial trial to provide a strategy for a comprehensive use of genome data.

Signal transduction systems are of great importance for the adaptation of organisms to new conditions. These systems occur most frequently in bacteria and are well-understood thanks to research. It was not until 10 years after the discovery of two-component systems in bacteria that such a system was reported in archaea. This work provides new insights into signal transduction in archaea, through the characterization of a histidine kinase MA4377 and its multi-component system in the methanogenic archaeon Methanosarcina acetivorans. MA4377 is a hybrid kinase of bacterial origin and was probably integrated into M. acetivorans via horizontal gene transfer. Based on the fused receiver domains, MA4377 is classified as a hybrid kinase that regulates a cell response upon the perception of a signal through a multi-component system. These systems consist of four components, the first of which is the kinase. MA4377 has autophosphorylation activity and is phosphorylated at a conserved histidine residue (His497). While the kinase activity is independent of the redox state of the protein, the PAS domain is mandatory for autokinase activity. Using different protein variants, it could be shown that the two fused receiver domains are not involved in the phosphorelay. Rather, the single receiver domain MA4376 serves as the second component of the system. The signal is ultimately transmitted to a transcription factor (MA4375) of the Msr family. Factors of this family are involved in the regulation of methanogenesis, among other things. MA4377 could thus be involved in a multi-component system regulating methanogenesis. The receiver MA4376 plays a central role here since feedback regulation on the kinase was observed. Further investigations will show to what extent cross-regulation with other kinases takes place and in what way the receiver MA4376 plays a key role in this multi-component system.

Im Rahmen der vorliegenden Dissertation konnten wichtige Ergebnisse zur Charakterisierung des neuartigen Nukleotidtransporters AtNTT3 gewonnen werden. Die vorgeschlagenen Spleißvarianten des AtNTT3 wurden erfolgreich in Gesamtblüten-, Pollen- und Wurzelgewebe nachgewiesen. Zusätzlich konnte in diesen Geweben die stärkste AtNTT3-Promotoraktivität gezeigt werden. Die subzelluläre Expression der AtNTT3-Proteine wurde mit Hilfe von GFP-Fusionskonstrukten untersucht und untermauert eine außergewöhnliche Lokalisierung von zwei der drei untersuchten Proteinvarianten (AtNTT3-2 und AtNTT3-3) in der pflanzlichen Plasmamembran. Für AtNTT3-1 kann ein anderer Insertionsort, wie beispielsweise die Membranen des ER, nicht ausgeschlossen werden. Insgesamt ist AtNTT3 damit der erste pflanzliche Nukleotidtransporter der NTTFamilie, der nicht in den Plastiden lokalisiert ist. Die Hauptfunktion des AtNTT3 und seinen Spleißvarianten besteht in dem Transport von Nukleotiden. ATP, ADP und auch dATP konnten als favorisierte Importsubstrate identifiziert werden. Obwohl die heterolog exprimierten AtNTT3-Varianten im Vergleich mit strukturell ähnlichen Nukleotidtransportern eine geringe Transportaktivität zeigten, konnte ein spezifischer Transport der Substrate ATP und ADP verifiziert werden. Weiterhin wurde eine homozygote AtNTT3-KO-Linie identifiziert und damit eine Vielzahl von Versuchen zur physiologischen Rolle des AtNTT3 durchgeführt. Bisher konnten keine Hinweise auf einen veränderten Stoffwechsel der KO-Mutanten erhalten werden. Zusätzlich wurden AtNTT3-Überexpressionsmutanten hergestellt, um eine weiterführende detaillierte Analyse vorzubereiten. Wenngleich die physiologische Funktion des untersuchten Membranproteins im Rahmen dieser Arbeit nicht vollständig geklärt werden konnte, zeigen die Ergebnisse jedoch deutlich, dass es sich bei AtNTT3-2 und AtNTT3-3 um plasmamembranständige Nukleotidtransporter handelt. Aufgrund des vorliegenden Expressionsmusters, der subzellulären Lokalisierung und der transportierten Substrate liegt eine Beteiligung der Spleißvarianten am extrazellulären Nukleotidstoffwechsel nahe. Transportstudien indizieren für AtNTT3-1 das gleiche Substratspektrum, die Expression auf Zellebene muss aber nochmals überprüft werden, bevor hier eine konkrete Aussage möglich ist.

Durch vorangegangene Arbeiten wurden transgene Kartoffelpflanzen erzeugt, die eine verringerte Aktivität des plastidären ATP/ADP Transporters aufweisen (NTT-antisense). Die Knollen dieser Pflanzen zeigen nicht nur veränderte Gehalte an Primärmetaboliten sondern auch eine erhöhte Pathogen-Resistenz, zum Beispiel gegen den bakteriellen Krankheitserreger Erwinia carotovora ssp. atroseptica (Eca). In diesem Zusammenhang deuten neuere Veröffentlichungen auf eine Bedeutung von Transportproteinen für Wirt-Pathogen Wechselwirkungen hin. Im Zuge dieser Arbeit konnte durch die Herstellung eines Systems zur gezielten Erzeugung von Eca „K.O.“-Mutanten die Bedeutung von ausgewählten Sequenzen, welche für Transportproteine kodieren, analysiert werden. Hierbei zeigte sich, dass im Bezug auf die Virulenz von Eca, sowohl der Prolin- als auch der d-Galaktonattransport nur von untergeordneter Bedeutung ist. In weiteren Untersuchungen wurde allerdings der Karbonsäuremetabolismus und -transport von Eca als zentrales Element in der Entfaltung maximaler bakterieller Virulenz erkannt. Hierbei wurde das Cit1-Protein als hoch-affiner Citrattransporter, welcher über die bakterielle pmf energetisiert wird, identifiziert. Dieses Protein ist für ein Wachstum von Eca auf Citrat als einziger Kohlenstoffquelle notwendig und essentiell zur Etablierung einer vollständigen Pathogenese auf Kartoffelknollenscheibchen. So weisen Eca cit1 „K.O.“-Mutanten im Vergleich zu Wildtyp Zellen nicht nur eine geringere pektolytische Aktivität und Gewebemazeration, sondern auch ein reduziertes in planta Wachstum, auf. Des Weiteren wurde ermittelt, dass sich NTT-antisense Gewebe nicht nur durch eine erhöhte Pathogen-Resistenz auszeichnet, sondern auch erniedrigte Citratgehalte aufweist. Analog führte eine artifizielle Erhöhung des Citratgehaltes durch Infiltration von Knollengewebe zu einer deutlich erhöhten Gewebemazeration durch Eca sowie einer verringerten Akkumulation von Abwehrrelevanten pflanzlichen Gentranskripten (PR-Gene). Weitere untersuchte Eca-Mutanten belegten, dass im gemeinsamen Wirken mit anderen enzymatischen Komponenten, Citrat ein ambivalentes Molekül für pflanzliche Resistenz und bakterielle Virulenz ist. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Transportproteine nicht nur für die Virulenz von Eca, sondern auch für phytopathogene Pilze wie Magnaporthe grisea, von Bedeutung sind. So konnte durch die Kooperation mit der AG Thines (IBWF) das Genprodukt eines bei Pathogenese induzierten Genes (rig2), biochemisch charakterisiert werden. Hierbei wurde mittels Komplementation einer Hefemutante (22∆8AA) nachgewiesen, dass es sich bei diesem Protein um einen Prolin-Transporter handelt. Diese Arbeit zeigt, dass Transportproteine als ein wichtiges Element in Wirt-Pathogen Beziehungen wirken können und eine Charakterisierung solcher Proteine zum Verständnis dieser Wechselwirkungen unerlässlich ist.

Cells depend on the continuous renewal of their proteome composition during the cell cycle and in order to replace aberrant proteins or to react to changing environmental conditions. In higher eukaryotes, protein synthesis is achieved by up to five million ribosomes per cell. With the fast kinetics of translation, the large number of newly made proteins generates a substantial burden for protein homeostasis and requires a highly orchestrated cascade of factors promoting folding, sorting and final maturation. Several of the involved factors directly bind to translating ribosomes for the early processing of emerging nascent polypeptides and the translocation of ribosome nascent chain complexes to target membranes. In plant cells, protein synthesis also occurs in chloroplasts serving the expression of a relatively small set of 60–100 protein-coding genes. However, most of these proteins, together with nucleus-derived subunits, form central complexes majorly involved in the essential processes of photosynthetic light reaction, carbon fixation, metabolism and gene expression. Biogenesis of these heterogenic complexes adds an additional level of complexity for protein biogenesis. In this review, we summarize the current knowledge about co-translationally binding factors in chloroplasts and discuss their role in protein folding and ribosome translocation to thylakoid membranes.

CRISPR/Cas has become the state-of-the-art technology for genetic manipulation in diverse organisms, enabling targeted genetic changes to be performed with unprecedented efficiency. Here we report on the first establishment of robust CRISPR/Cas editing in the important necrotrophic plant pathogen Botrytis cinerea based on the introduction of optimized Cas9-sgRNA ribonucleoprotein complexes (RNPs) into protoplasts. Editing yields were further improved by development of a novel strategy that combines RNP delivery with cotransformation of transiently stable vectors containing telomeres, which allowed temporary selection and convenient screening for marker-free editing events. We demonstrate that this approach provides superior editing rates compared to existing CRISPR/Cas-based methods in filamentous fungi, including the model plant pathogen Magnaporthe oryzae. Genome sequencing of edited strains revealed very few additional mutations and no evidence for RNP-mediated off-targeting. The high performance of telomere vector-mediated editing was demonstrated by random mutagenesis of codon 272 of the sdhB gene, a major determinant of resistance to succinate dehydrogenase inhibitor (SDHI) fungicides by in bulk replacement of the codon 272 with codons encoding all 20 amino acids. All exchanges were found at similar frequencies in the absence of selection but SDHI selection allowed the identification of novel amino acid substitutions which conferred differential resistance levels towards different SDHI fungicides. The increased efficiency and easy handling of RNPbased cotransformation is expected to accelerate molecular research in B. cinerea and other fungi.

The biodiversity of the cyanobacterial lichen flora of Vietnam is chronically understudied. Previous studies often neglected the lichens that inhabit lowlands especially outcrops and sand dunes that are common habitats in Vietnam. A cyanolichen collection was gathered from lowlands of central and southern Vietnam to study their diversity and distribution. At the same time, cultured photobionts from those lichens were used for olyphasic taxonomic approach. A total of 66 cyanolichens were recorded from lowland regions in central and southern of Vietnam, doubles the number of cyanolichens for Vietnam. 80% of them are new records for Vietnam in which a new species Pyrenopsis melanophthalma and two new unidentified lichinacean taxa were described. A notably floristic segregation by habitats was indicated in the communities. Saxicolous Lichinales dominated in coastal outcrops that corresponded to 56% of lichen species richness. Lecanoralean cyanolichens and basidiolichens were found in the lowland forests. Precipitation correlated negatively to species richness in this study, indicating a competitive relationship. Eleven cyanobacterial strains including 8 baeocyte-forming members of the genus Chroococcidiopsis and 3 heterocyte-forming species of the genera Nostoc and Scytonema were successfully isolated from lichens. Phylogenetic and morphological analyses indicated that Chroococcidiopsis was the unique photobiont in Peltula. New mophological characters were found in two Chroococcidiopsis strains: (1) the purple content of cells in one photobiont strain that was isolated from a new lichinacean taxon, and (2) the pseudofilamentous feature by binary division from a strain that was isolated from Porocyphus dimorphus. With respect to heterocyte-forming cyanobiont, Scytonema was confirmed as the photobiont in the ascolichen Heppia lutosa applying the polyphasic method. The genus Scytonema in the basidiolichens Cyphellostereum was morphologically examinated in lichen thalli. For the first time the intracellular haustorial system of basidiolichen genus Cyphellostereum was noted and investigated. Phylogenetic analysis of photobiont strains Nostoc from Pannaria tavaresii and Parmeliella brisbanensis indicated that a high selectivity occurred in Parmeliella brisbanensis that were from different regions of the world, while low photobiont selectivity occurred among Pannaria tavaresii samples from different geographical regions. The herewith presented dissertation is therefore an important contribution to the lichen flora of Vietnam and a significant improvement of the actual knowledge about cyanolichens in this country.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem signaltransduzierenden Zwei-Komponenten- System CiaRH aus Streptococcus pneumoniae. Zwei-Komponenten-Systeme sind an der Adaptation der Bakterien an Umweltbedingungen entscheidend beteiligt. Sie bestehen in der Regel aus einer Histidinkinase (hier CiaH) und einem Responseregulator (hier CiaR). Die Histidinkinase dient der Signaldetektion und Aktivierung des Responseregulators, welcher die zelluläre Antwort vermittelt. Das Cia-System wurde als Resistenzdeterminante in spontanresistenten Labormutanten gegen Cefotaxim identifiziert. Weiterhin hat dieses Zwei-Komponenten-System Einfluss auf die Zelllyse, die Virulenz und ist an der Regulation der genetischen Kompetenz beteiligt. Es wird für die Lebensfähigkeit von Zellen mit PBP2x-Punktmutationen benötigt. Inhaltlicher Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit war neben der Etablierung der Mikroarray-Technik und globalen Transkriptionsanalysen die funktionelle Charakterisierung des Cia-Systems mit phänotypischen Analysen. Die Etablierung der Mikroarray-Technik befasste sich mit allen Schritten des Mikroarray-Prozesses inklusive Biochip-Herstellung, Datenauswertung und der Validierung des Oligo-Sets. Nach erfolgreicher Etablierung wurde diese Technik benutzt, um Cia-regulierte Gene zu identifizieren. Durch Vergleich des Transkriptoms von verschiedenen Cia-Mutanten mit dem Wildtyp R6 wurden insgesamt 158 Gene unterschiedlich transkribiert. Davon gehörten 73 Gene zum minimalen Cia- und zum Kompetenz-Regulon, welche schon als Cia-reguliert bekannt waren (Sebert et al., 2002; Mascher et al., 2003; Dagkessamanskaia et al., 2004). Überraschenderweise wurden weitere 85 Gene Cia-abhängig transkribiert, deren Genprodukte funktionell in Zucker- und Stickstoffmetabolismus sowie Transport gruppiert werden konnten. Wahrscheinlich wurden die meisten dieser 85 Gene indirekt als Folge der veränderten Zuckerverwertung reguliert. Ähnliche funktionelle Gengruppen konnten in den globalen Transkriptionsanalysen der spontanresistenten Laborfamilie C103 bis C503 aufgestellt werden. In dieser Mutantenfamilie sind Mutationen in CiaH, PBP2x und PBP2a gefunden worden. Besonders auffällig war bei diesen Untersuchungen die kontinuierliche Verstärkung der Transkription der Gene des minimalen Cia-Regulons von C103 bis C503. Deshalb ist von einer Aktivierung des Cia-Systems durch PBP-Mutationen auszugehen. Diese Aktivierung konnte auch in RT-PCR-Versuchen am Beispiel einzelner Gene des minimalen Cia-Regulons bestätigt werden. Da das Cia-System durch PBP-Mutationen aktiviert wird und ein funktionelles Cia-System bei Anwesenheit von bestimmten PBP2x-Mutationen benötigt wird, wurde in dieser Arbeit diese Notwendigkeit des Cia-Systems auch bei anderen PBP-Mutationen durch phänotypische Analysen überprüft. Dabei wurde durch Inaktivierung des Cia-Systems in verschiedenen Stämmen festgestellt, dass nicht nur Zellen mit einzelnen, im Labor selektierten PBP2x-Mutationen, sondern auch ohne ein PBP2a- und ohne ein PBP1a-Protein auf ein Cia-System angewiesen sind. Klinische PBP2x-Allele benötigten ebenfalls – aber in geringeren Maßen – das Cia-System. Wahrscheinlich haben in diesen kompensatorische Mutationen durch Evolution in der freien Natur stattgefunden. Damit wurde auch zum ersten Mal gezeigt, dass PBP-Mutationen nicht neutral sind und verschiedene PBP-Mutationen unterschiedliche Auswirkungen haben. Weiterhin wurde untersucht, welche Gene tatsächlich die durch das Cia-System verursachten Phänotypen auslösen. Dazu wurden 6 Cia-regulierte Genregionen bzw. Einzelgene mit einer Erythromycin-Resistenzkassette inaktiviert und auf das Vorhandensein von Cia „OFF“-phänotypischem Verhalten analysiert. Kein Gen konnte für das Resistenz- oder das Lyseverhalten ausfindig gemacht werden. Hingegen waren die Proteine HtrA und Spr0782 an der Reprimierung der Kompetenz durch das Cia-System beteiligt. Bei beiden Proteinen konnte nur eine Reprimierung in CpH8- und nicht in THB-Medium nachgewiesen werden, so dass eventuell noch von weiteren Faktoren ausgegangen werden muss. Die hier vorgelegten Ergebnisse haben die bisher vorliegenden Daten über das Cia-System bestätigt und entscheidende Einblicke nicht nur in die mögliche Funktion, sondern vor allem in das komplexe vernetzte Regulationssystem gegeben. Diese stellen eine wichtige Grundlage für weitere Experimente dar.

NbdA und MucR sind Multi-Domänenproteine aus Pseudomonas aeruginosa. Beide Proteine besitzen eine ähnliche Domänenorganisation mit einer N-terminalen, membranständigen MHYT-Domäne sowie einer GGDEF- und einer EAL-Domäne im Cytoplasma. Die cytosolischen Domänen von MucR sind beide aktiv, während NbdA neben der intakten EAL-Domäne eine degenerierte GGDEF-Domäne mit dem Motiv AGDEF aufweist. Bioinformatischen Vorhersagen zufolge soll die MHYT-Domäne eine sensorische Funktion für diatomische Gase wie Stickstoffmonoxid oder Sauerstoff vermitteln. Die phänotypische Charakterisierung der markerlosen PAO1-Deletionsmutanten \(Delta\)nbdA, \(Delta\)mucR und \(Delta\)nbdA \(Delta\)mucR zeigte, dass NbdA und MucR nicht in die NO-induzierte Dispersion involviert sind. Ebenso konnte in einem neu etablierten heterologen in-vivo-System in E. coli keine NO-sensorische Funktion der Proteine detektiert werden. Im Weiteren wurde festgestellt, dass die MHYT-Domäne keinen ersichtlichen Einfluss auf die Enzymaktivität von NbdA und MucR unter aeroben Bedingungen hat. Demzufolge fungiert die Membrandomäne vermutlich weder als Sensor für Sauerstoff, noch für NO. Anhand heterologer Komplementationstests konnte eine PDE-Aktivität des NbdA-Volllängenproteins nachgewiesen werden. Zudem wurde gezeigt, dass die degenerierte AGDEF-Domäne einen regulatorischen Effekt auf die EAL-Domäne hat, der essentiell für die in- vivo-Aktivität von NbdA ist. In-vivo-Untersuchungen bestätigten die postulierte DGC-Aktivität von MucR. Weiterhin konnte belegt werden, dass MucR ein bifunktionelles Enzym ist. Entgegen den Erwartungen scheint es jedoch im Planktonischen als DGC und im Biofilm als PDE zu fungieren. Ein weiterer Aspekt dieser Arbeit war die Charakterisierung der homologen Überexpression von nbdA in P. aeruginosa, welche teilweise unerwartete Phänotypen ergab. Anhand der homologen Überproduktion einer inaktiven NbdA-Variante stellte sich heraus, dass die Hemmung der Motilität unabhängig von der Aktivität von NbdA auftritt. Massenspektrometrische Analysen deuteten daraufhin, dass NbdA lokal c-di-GMP hydrolysiert. Diese Ergebnisse implizieren, dass NbdA eine Trigger-PDE ist, deren primäre Funktion die Regulation anderer makromolekularer Zielmoleküle ist. In Pseudomonas fluorescens Pf0-1 ist bekannt, dass das NbdA-Homolog Pfl01_1252 mit den Homologen von MucR (Pfl01_2525) und SadC (Pfl01_4451) interagiert. Ergebnisse einer früheren Arbeit lassen eine Interaktion von NbdA und SadC ebenso in P. aeruginosa vermuten. Daher ist denkbar, dass sich NbdA im gleichen Netzwerk wie MucR und SadC befindet und deren Aktivität reguliert.

Das Zwei-Komponenten System CiaRH von S. pneumoniae ist an der ß-Laktam-Resistenz, Regulation der genetischen Kompetenz, Lyse und Virulenz beteiligt. Unter den 16 Promotoren, die von diesem System kontrolliert werden, befanden sich die fünf stärksten Promotoren in intergenen Regionen. Hieraus resultierte die Vermutung, dass diese Promotoren die Expression von kleinen nichtkodierenden RNAs steuern könnten. Mittels Northern-Analyse konnte nachgewiesen werden, dass von diesen Promotoren aus kleine RNAs mit einer Größe von 87 bis 151 Basen exprimiert werden. Im Stamm mit deletierten ciaR waren diese RNAs nicht bzw. kaum detektierbar. Die fünf CiaRH-abhängigen kleinen RNAs wurden csRNAs benannt (cia controlled small RNAs). Durch Northern-Analyse an vier verschiedenen Zeitpunkten des Wachstums konnte gezeigt werden, dass die csRNAs in hoher Konzentration sowohl während der exponentiellen als auch in der stationären Wachstumsphase in den Zellen von S. pneumoniae vorhanden sind. Mittels 3´-RACE-Analyse wurde die Länge der csRNAs auf die Base genau bestimmt. csRNA1, csRNA2, csRNA3 und csRNA4 bestehen aus 87 bis 101 Nukleotiden. csRNA5 besitzt dagegen eine Länge aus 151 Basen. Die Promotoren der stromabwärts der kleinen RNAs liegenden Gene wurden mittels 5´-RACE-Analyse kartiert und ihre Expression mittels realtime RT-PCR-Analyse im Wildtyp, im ciaR-Deletionsstamm und einem Stamm mit aktiviertem CiaRH-System untersucht. Hierbei konnte gezeigt werden, dass diese Gene unabhängig von CiaRH exprimiert werden. Um die Beteiligung der csRNAs an den CiaRH-assoziierten Phänotypen aufzuklären, wurden die Gene für alle fünf csRNAs deletiert und mit verschiedenen Antibiotika-Resistenz-Genen ersetzt. Durch Kombination aller Deletionen wurde der Stamm S. pneumoniae RK12345 konstruiert, welcher keine csRNA mehr exprimiert. In Stamm RK12345 konnte eine erniedrigte Transformationseffizienz und eine erhöhte Lyserate im Vergleich zum Wildtyp S. pneumoniae R6 beobachtet werden. Hierdurch wurde gezeigt, dass die csRNAs eine Rolle bei den CiaRH-regulierten Prozessen spielen. Kleine RNAs üben ihren regulatorischen Effekt meist durch Wechselwirkung mit der mRNA ihrer Zielgene aus. Die beiden RNA-Moleküle interagieren hierbei über komplementäre Sequenzbereiche. Durch diese Basenpaarungen kommt es zur Hemmung oder Aktivierung der Translation bzw. zum Abbau des RNA-RNA-Interaktionskomplexes. Um die Ursachen der csRNA-vermittelten phänotypischen Veränderungen bestimmen zu können, wurde die Identifizierung der csRNA-Zielgene angestrebt. Mittels bioinformatischer Analyse wurde eine große Anzahl putativer Zielgene vorhergesagt, wovon nach Anlegung verschiedener Kriterien letztendlich 13 zu den weiteren Untersuchungen eingesetzt wurden. Um diese teilweise uncharakterisierten Gene auf eine posttranskriptionelle Regulation durch die csRNAs untersuchen zu können, wurde ein integratives Translations Probe Plasmid namens pTP3 konstruiert. Dieses Plasmid ermöglicht die Klonierung von 5´-Genfragmenten vor das ´lacZ-Gen, wodurch in frame-Zielgen´-´lacZ-Fusionsproteine entstehen. Die Expression des entstandenen Fusionsgens erfolgt hierbei von einem konstitutiven CiaRH-unabhängigen Promotor, namens PvegT. Die Klonierung und Untersuchung der ß-Galaktosidase- Expression der Zielgen´-´lacZ-Fusionsproteine ergab, dass die klonierten Fragmente der Gene spr0081, comC, spr1645 und cibB durch die csRNAs reguliert werden. Die Untersuchung dieser vier Zielgene bei Expression von den eigenen Promotoren und Intaktheit der entsprechenden mRNAs zeigte, dass letztendlich zwei Gene posttranskriptionell negativ durch die csRNAs reguliert werden. Interessanterweise ist eines dieser Zielgene das comC-Gen, welches für das Vorläuferpeptid des Kompetenz-Phäromons CSP kodiert. Diese Beobachtung könnte eine mögliche Ursache für die csRNA-abhängige veränderte Transformierbarkeit von Stamm RK12345 darstellen. Das zweite Zielgen der csRNAs, spr0081, kodiert für einen bisher uncharakterisierten ABC-Transporter, welcher möglicherweise am Transport eines Kohlenhydrats beteiligt ist. Letztendlich wurde die direkte Interaktion der in vitro produzierten mRNA dieser beiden Zielgene mit den csRNAs durch die Entwicklung und Etablierung einer neuartigen Methode der Bandshift-Analyse untersucht. Hierbei konnte nachgewiesen werden, dass die mRNA von comC mit allen fünf csRNAs Interaktions-komplexe bildet und die mRNA von spr0081 befähigt ist mit vier csRNAs Interaktionskomplexe zu bilden. Schließlich wurde der Effekt einzelner RNAs auf die Expression des ComC´-´lacZ-Fusionsproteins getestet. Hierbei konnte gezeigt werden, dass csRNA1, csRNA2 und csRNA3 einerseits bzw. csRNA4 und csRNA5 andererseits genügen, um den Effekt aller fünf RNAs ausüben zu können. Die stärkste Hemmungsaktivität einer einzelnen csRNA konnte bei csRNA4 festgestellt werden.

Das Zweikomponentensystem CiaRH, bestehend aus der membranständigen Histidinkinase CiaH und dem cytoplasmatischen Responseregulator CiaR, wurde als erste nicht-PBP-Resistenzdeterminante in Streptococcus pneumoniae entdeckt. Es beeinflusst neben der β-Laktamresistenz noch weitere Phänotypen, darunter die genetische Kompetenz, die Autolyse und die Virulenz, was seine Bedeutung für die Physiologie der Zelle unterstreicht. Im Zuge dieser Arbeit wurden sieben verschiedene ciaH-Allele aus spontanen β laktamresistenten Labormutanten charakterisiert. Die Allele, deren eine bis zwei Punktmutationen sich über den gesamten Genbereich erstrecken, wurden mit Hilfe der Janus Kassette in den Wildtyp-Stamm R6 eingebracht und untersucht. Es konnte durch β Galaktosidaseassays von Promotor-lacZ-Fusionen gezeigt werden, dass alle ciaH-Allele eine Aktivierung des CiaRH-Systems vermitteln. Diese bewegt sich, bezogen auf den CiaR-regulierten Promotor PhtrA, je nach Allel zwischen dem 4- und dem 26-fachen im Vergleich zum Wildtyp. Phänotypische Studien konnten zeigen, dass die Aktivierung des CiaRH-Systems in allen Fällen zu einer Erhöhung der β-Laktamresistenz, sowie einer verzögerten Autolyse führt. Durch den neu hergestellten alternativen Rifampin-Resistenzmarker RKL222 konnte zudem der Kompetenzphänotyp der Stämme mit verändertem ciaH untersucht und ein Verlust der Kompetenz nachgewiesen werden. Die Ausprägung der Phänotypen korreliert dabei weitestgehend mit der Stärke der CiaRH-Aktivierung. Die abgestufte Aktivierungsstärke der unterschiedlichen ciaH-Allele könnte in Zukunft bei der Untersuchung verschiedener regulatorischer Aspekte von CiaRH von Nutzen sein. Ein weiterer Teil dieser Arbeit beschäftigte sich mit der Frage, welches oder welche der 30 Gene des CiaR-Regulons die CiaRH-Abhängigkeit des Resistenz-, Kompetenz- und Autolysephänotyps von S. pneumoniae vermitteln. Dazu wurde die Bedeutung der stark regulierten Gene ccnA E und htrA phänotypisch näher untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die durch ccnA-E kodierten csRNAs die Haupteffektoren der genannten Phänotypen sind. Ihr Fehlen hebt den Kompetenzblock, die verzögerte Lyse und größtenteils auch die β Laktamresistenz eines aktivierten CiaRH-Systems auf. Die Serinprotease HtrA dagegen hat keinen deutlichen Effekt auf Resistenz und Autolyse, trägt aber zum Kompetenzblock, der bei aktiviertem CiaRH-System auftritt, bei. In dem kompetenzinhibierenden Medium BHI führt nur die gemeinsame Deletion von ccnA-E und htrA zur Wiederherstellung der Kompetenz, wie beim ciaR-Deletionsstamm, während in dem ebenfalls kompetenzinhibierenden Medium THB die Deletion von htrA dafür ausreicht. Die Identifizierung der csRNAs und HtrA als Effektoren der CiaRH-abhängigen Phänotypen stellt die Basis für weiterführende Analysen über die regulatorischen Zusammenhänge zwischen CiaRH und den Phänotypen dar. In dieser Arbeit konnte zudem erstmals gezeigt werden, dass unter den Genprodukten des CiaR-Regulons die Serinprotease HtrA, die csRNAs und das Mannose-Phosphotransferasesystem ManLMN einen regulatorischen Einfluss auf die Aktivität des CiaRH-Systems ausüben. Die Deletion ihrer Gene führte zu einer unterschiedlich starken Aktivierung der CiaR-abhängigen Genregulation. Da der stärkste aktivierende Effekt durch das Fehlen von HtrA vermittelt wurde, wurde die Art dieser Regulation im Rahmen der vorliegenden Arbeit näher untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass im Falle einer htrA-Deletion die Aktivierung von CiaR ohne Beteiligung der Histidinkinase CiaH geschieht. Zudem ist der regulatorische Effekt offenbar unabhängig vom Medium und wird nicht über Veränderungen der genetischen Kompetenz vermittelt. Im Zuge dieser Untersuchungen wurde zusätzlich festgestellt, dass die Deletion der Gene comAB und comDE, die für die Kompetenzinduktion essentiell sind, einen inhibitorischen Effekt auf die CiaRH-Aktivität hat. Damit konnten in dieser Arbeit zwei bislang unbekannte Regulationswege identifiziert werden, die die Aktivität des CiaRH-Systems beeinflussen. Im Gegensatz zur Mehrzahl der Zweikomponentensysteme ist CiaRH offensichtlich nicht darauf ausgelegt, starke Änderungen der Genexpression zu vermitteln. Die CiaRH-Aktivität befindet sich vielmehr unter den verschiedensten physiologischen Bedingungen auf einem recht konstanten mittleren Aktivierungsniveau. Stärkere Abweichungen von diesem Niveau führen zur deutlichen Beeinträchtigung der Zellfitness. Die Homöostase der CiaRH-Aktivität ist folglich für S. pneumoniae von großer Bedeutung und muss durch Regulationsmechanismen sichergestellt werden. Regelkreise, wie die in dieser Arbeit identifizierten Regulationswege, stellen dabei eine Möglichkeit dar. Insbesondere die gegenseitige Beeinflussung von CiaRH und den Komponenten des eigenen Regulons kann zur Aufrechterhaltung eines gleichbleibenden Aktivitätsniveaus von CiaRH beitragen. Es zeigt sich mehr und mehr, dass es sich bei CiaRH um ein für die Zellphysiologie bedeutendes System handelt, dessen Aktivität durch ein regulatorisches Zusammenspiel von äußeren und inneren Faktoren gesteuert wird.

Oxa1 ist ein integrales Protein der mitochondrialen Innenmembran und eine zentrale Komponente der Proteininsertionsmaschinerie in Mitochondrien. Oxa1 ist an der Insertion zweier unterschiedlicher Klassen von Proteinen in die Innenmembran beteiligt: Durch eine C-terminale, matrixständige Domäne interagiert Oxa1 mit mitochondrialen Ribosomen und vermittelt so die ko-translationale Membraninsertion mitochondrial kodierter Proteine. Darüber hinaus wurde auch eine Beteiligung von Oxa1 an der Insertion einiger kernkodierter Proteine beschrieben. Bei allen bisher identifizierten kernkodierten Substraten von Oxa1 handelt es sich um sogenannte konservativ sortierte Proteine, die nach ihrer Synthese im Zytosol zunächst klassisch über die Translokasen der mitochondrialen Außen- und Innenmembran in die mitochondriale Matrix importiert werden. In einem Oxa1-vermittelten Schritt werden sie schließlich von der Matrix aus in die Innenmembran inseriert. Vergleiche mit dem bakteriellen Oxa1-Homolog YidC lassen weiterhin vermuten, dass Oxa1 auch an der Faltung von Membranproteinen beteiligt sein könnte, bisher ist eine solche Oxa1-Funktion jedoch nur in Einzelfällen beschrieben worden. Der genaue molekulare Mechanismus der Proteininsertion durch Oxa1 sowie eine eventuelle Be- teiligung von Oxa1 an der Insertion anderer mitochondrialer Innenmembranproteine ist bisher unklar. Es war daher uberraschend festzustellen, dass die Level des ADP/ATP-Carriers in Abwesenheit von Oxa1 stark reduziert waren. Der Import und die Membraninsertion mitochondrialer Carrier wurden in den vergangenen Jahren im Detail beschrieben, bisherige Studien deuteten jedoch nie auf eine Beteiligung von Oxa1 bei der Carrier-Biogenese hin. Carrier-Proteine werden, im Gegensatz zu konservativ sortierten Proteinen, aus dem Intermembranraum in die Innenmembran inseriert. Im Rahmen dieser Arbeit konnte durch Importversuche gezeigt werden, dass Oxa1 eine wichtige, wenn auch nicht essentielle Funktion bei der Biogenese verschiedener Vertreter der mitochondrialen Carrier-Familie einnimmt. Die erhaltenen Daten deuten darauf hin, dass Oxa1 nicht an der Membraninsertion der Carrier-Proteine per se beteiligt ist, sondern ahnlich einem Chaperon die TIM22-abh¨ ngig inserierten Carrier stabilisiert und ihre Faltung oder Assemblierung in der Membran begünstigt. Diese Arbeit zeigt somit, dass Oxa1 nicht nur an der Membraninsertion verschiedener mitochondrial und kernkodierter Proteine beteiligt ist, sondern eine weitere wichtige Funktion als Chaperon einnimmt. Bedeutend ist hierbei vor allem, dass diese Rolle bei der Stabilisierung und Faltung mitochondrialer Innenmembranproteine sich nicht auf klassische Oxa1-Substrate beschränkt, die von Seiten der Matrix in die Membran inseriert werden, sondern entscheidend die Biogenese von Proteinen beeinflusst, deren eigentliche Membraninsertion Oxa1- unabhängig verläuft. Die Bedeutung von Oxa1 bei der Insertion mitochondrial kodierter Proteine ist gut dokumentiert, genaue mechanistische Details des Prozesses der Membraninsertion durch Oxa1 fehlen jedoch bisher. Um den molekularen Mechanismus der Oxa1-vermittelten Proteininsertion besser zu verstehen, wurde die native Aufreinigung von rekombinant exprimiertem S. cerevisiae Oxa1 etabliert und gezeigt, dass dieses einen dimeren oder höher oligomeren Komplex ausbildet. Oxa1 wurde weiterhin erfolgreich in Proteoliposomen rekonstituiert und stimuliert in vitro die Insertion des mitochodrial kodierten Proteins Atp8. In dieser Arbeit wurden vorläufige Daten über die Oxa1-vermittelte Proteininsertion gesammelt. Das hier etablierte Rekonstitutionssystem wird eine wichtige Basis für zukünftige Arbeiten bilden, die zum Verständnis der molekularen Mechanismen der Oxa1-abhängigen Proteininsertion beitragen werden.

Sepsis ist eine lebensbedrohliche Krankheit und eine der häufigsten Todesursachen auf Intensiv-Stationen. Eine der Hauptursachen für die Schwere dieser Krankheit ist die Lymphopenie, d. h. die apoptotische Depletion von Lymphozyten, die vor allem in der späten hypo-inflammatorischen Phase der Sepsis auftritt. Die dafür verantwortlichen Signalwege sind jedoch nicht im Detail geklärt. Die Liganden-vermittelte Aktivierung von PPARgamma (‚peroxisome proliferator activated receptor gamma’), einem wichtigen Regulator der Immunantwort, führt zur Apoptose in aktivierten T-Zellen. Daher postulierte ich, dass die PPARgamma-vermittelte Apoptose in T-Zellen zur Lymphopenie während der Sepsis beiträgt. Hierbei konnte ich zeigen, dass T-Zellen aus dem peripheren Blut von Sepsis-Patienten eine stark erhöhte PPARgamma-mRNA-Expression zeigten und in vitro stark erhöhte Apoptoseraten infolge einer Liganden-vermittelten PPARgamma-Aktivierung aufwiesen. Die hierfür erforderlichen PPARgamma-Liganden lagen im Plasma von Sepsis-Patienten vor. D. h. die PPARgamma-vermittelte Apoptose in T-Zellen könnte zur nachgewiesenen Lymphopenie während der Sepsis beitragen. Aufgrund der anti-inflammatorischen Wirkung von PPARgamma könnte dessen gezielte Aktivierung in der frühen hyper-inflammatorischen Phase durch Thiazolidindione (TZDs) als synthetische PPARgamma-Aktivatoren therapeutisch interessant sein. Da diese jedoch auch auf PPARgamma-unabhängigen Wegen den Zelltod in T-Zellen induzieren können, war es essentiell, die dafür verantwortlichen Signalwege zu klären. Dabei konnte ich feststellen, dass Ciglitazon Nekrose und Troglitazon Apoptose auf PPARgamma-unabhängigen Wegen bereits nach 4 h in Jurkat T-Zellen induzierten, wohingegen Rosiglitazon keinen Einfluss auf den Zelltod hatte. Die Inkubation der TZDs führte zur Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies, welche eine wichtige Rolle bei der Ciglitazon-induzierten Nekrose, jedoch nur marginal bei der Troglitazon-induzierten Apoptose spielten. Durch Studien in submitochondrialen Partikeln konnte ich zeigen, dass die getesteten TZDs den Komplex I der mitochondrialen Atmungskette inhibierten, während nur Ciglitazon und Troglitazon zusätzlich den Komplex II hemmen konnten. Mit Hilfe synthetischer Atmungskette-Inhibitoren konnte ich weiterhin zeigen, dass die Zelltod-Induktion nach Ciglitazon und Troglitazon in Jurkat T-Zellen hauptsächlich auf der Hemmung des Komplexes II beruhte. Da die Ciglitazon-Inkubation zur Depletion des ATP-Gehaltes führte, erfolgte eine Nekrose-Induktion nach Ciglitazon, wohingegen Troglitazon den ATP-Gehalt nicht beeinflusste und daher Apoptose induzierte. Die von mir identifizierten PPARgamma-unabhängigen Mechanismen der Zelltod-Induktion durch TZDs könnten eventuell Nebenwirkungen bei TZD-basierten Therapien erklären.

Diversitätsgenerierende Retroelemente (DGRs) stellen einen neuen Typus Retroelement dar, die gezielt einen Teil einer codierenden Sequenz des Wirtsgenoms über einen Copy and Replace-Mechanismus hypermutieren und somit zur Erzeugung biologischer Diversität beitragen können. Trotz dieser einzigartigen Eigenschaften und dem potentiellen Wert dieser Elemente für Industrie und Forschung konzentrierten sich seit der Beschreibung des ersten DGRs vor über zehn Jahren die meisten Publikationen auf mechanistische Eigenschaften des Prototypen aus dem Bordetella Bakteriophagen. Allerdings sind zahlreiche Fragen zur Funktionsweise dieser Elemente noch immer ungeklärt. Ebenso wurden bisher extensivere, vergleichende Studien, die weitere Vertreter dieser Elemente berücksichtigen, noch nicht durchgeführt. Die vorliegende Dissertation leistet einen wichtigen Beitrag zum tieferen Verständnis diversitätsgenerierender Retroelemente. Das eigens für diesen Zweck konzipierte Programm DiGReF erlaubte eine umfassende Analyse der Bestände öffentlicher Datenbanken auf DGRs in sequenzierten Genomen. Mit Hilfe dieser Daten konnten weitere Aspekte dieser Elemente aufgeklärt werden, die eine Analyse ihrer Verteilung, ihrer phylogenetischen Beziehungen, ihrer Struktur und eine Charakterisierung der einzelnen Elemente einer DGR-Kassette umfassten. So konnte gezeigt werden, dass das zuvor für wenige Elemente beschriebene Merkmal der Adeninsubstitution eine gemeinsame Eigenschaft aller DGRs ist, während keine C-, T- oder G-Substitionen auftreten. Ebenso fanden sich erste Belege dafür, dass die beiden essentiellen Elemente Template Repeat und reverse Transkriptase nicht notwendigerweise ein gemeinsames Transkript besitzen. Außerdem konnte erstmalig die Gruppe der weitgehend uncharakterisierten akzessorischen Proteine umfassender beschrieben und ein Consensusmotiv ermittelt werden. Für künftige Studien werden die DiGReF-Software und die Ergebnisse dieser Arbeit von grundlegender Bedeutung sein. Der zweite Teil dieser Arbeit fokussierte sich auf die experimentelle Charakterisierung zweier Kernkomponenten von DGRs, der reversen Transkriptase und den akzessorischen Proteinen. Während die Aufreinigung einer DGR-assoziierten reversen Transkriptase noch weitere experimentelle Arbeiten erfordern wird, konnte das akzessorische Protein Alr3496 aus der Blaualge Nostoc sp. PCC 7120 erfolgreich in rekombinanter Form aufgereinigt werden. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass Alr3496 diverse Nucleinsäuresubstrate bindet, und in der Lage ist, die Hybridisierung von komplementären DNA-Strängen zu katalysieren. Dies legt nahe, dass akzessorische Proteine aus DGR-Elementen eine Rolle als Nucleinsäurechaperone übernehmen.

Ecophysiological characterizations of photoautotrophic communities are not only necessary to identify the response of carbon fixation related to different climatic factors, but also to evaluate risks connected to changing environments. In biological soil crusts (BSCs), the description of ecophysiological features is difficult, due to the high variability in taxonomic composition and variable methodologies applied. Especially for BSCs in early successional stages, the available datasets are rare or focused on individual constituents, although these crusts may represent the only photoautotrophic component in many heavily disturbed ruderal areas, such as parking lots or building areas with increasing surface area worldwide. We analyzed the response of photosynthesis and respiration to changing BSC water contents (WCs), temperature and light in two early successional BSCs. We investigated whether the response of these parameters was different between intact BSC and the isolated dominating components. BSCs dominated by the cyanobacterium Nostoc commune and dominated by the green alga Zygogonium ericetorum were examined. A major divergence between the two BSCs was their absolute carbon fixation rate on a chlorophyll basis, which was significantly higher for the cyanobacterial crust. Nevertheless, independent of species composition, both crust types and their isolated organisms had convergent features such as high light acclimatization and a minor and very late-occurring depression in carbon uptake at water suprasaturation. This particular setup of ecophysiological features may enable these communities to cope with a high variety of climatic stresses and may therefore be a reason for their success in heavily disturbed areas with ongoing human impact. However, the shape of the response was different for intact BSC compared to separated organisms, especially in absolute net photosynthesis (NP) rates. This emphasizes the importance of measuring intact BSCs under natural conditions for collecting reliable data for meaningful analysis of BSC ecosystem services.

Fragmentation of habitats, especially of tropical rainforests, ranks globally among the most pervasive man-made disturbances of ecosystems. There is growing evidence for long-term effects of forest frag-mentation and the accompanying creation of artificial edges on ecosystem functioning and forest structure, which are altered in a way that generally transforms these forests into early successional systems. Edge-induced disruption of species interactions can be among the driving mechanisms governing this transformation. These species interactions can be direct (trophic interactions, competition, etc.) or indirect (modification of the resource availability for other organisms). Such indirect interactions are called ecosystem engineering. Leaf-cutting ants of the genus Atta are dominant herbivores and keystone-species in the Neotropics and have been called ecosystem engineers. In contrast to other prominent ecosystem engineers that have been substantially decimated by human activities some species of leaf-cutting ants profit from anthropogenic landscape alterations. Thus, leaf-cutting ants are a highly suitable model to investigate the potentially cascading effects caused by herbivores and ecosystem engineers in modern anthropogenic landscapes following fragmentation. The present thesis aims to describe this interplay between consequences of forest fragmentation for leaf-cutting ants and resulting impacts of leaf-cutting ants in fragmented forests. The cumulative thesis starts out with a review of 55 published articles demonstrating that herbivores, especially generalists, profoundly benefit from forest edges, often due to (1) favourable microenviron-mental conditions, (2) an edge-induced increase in food quantity/quality, and (3; less well documented) disrupted top-down regulation of herbivores (Wirth, Meyer et al. 2008; Progress in Botany 69:423-448). Field investigations in the heavily fragmented Atlantic Forest of Northeast Brazil (Coimbra forest) were subsequently carried out to evaluate patterns and hypotheses emerging from this review using leaf-cutting ants of the genus Atta as a model system. Colony densities of both Atta species occuring in the area changed similarly with distance to the edge but the magnitude of the effect was species-specific. Colony density of A. cephalotes was low in the forest interior (0.33 ± 1.11 /ha, pooling all zones >50 m into the forest) and sharply increased by a factor of about 8.5 towards the first 50 m (2.79 ± 3.3 /ha), while A. sexdens was more uniformly distributed (Wirth, Meyer et al. 2007; Journal of Tropical Ecology 23:501-505). The accumulation of Atta colonies persisted at physically stable forest edges over a four-year interval with no significant difference in densities between years despite high rates of colony turn-over (little less than 50% in 4 years). Stable hyper-abundant populations of leaf-cutting ants accord with the constantly high availability of pioneer plants (their preferred food source) as previously demonstrated at old stabilised forest edges in the region (Meyer et al. submitted; Biotropica). In addition, plants at the forest edge might be more attractive to leaf-cutting ants because of their physiological responses to the edge environment. In bioassays with laboratory colonies I demonstrated that drought-stressed plants are more attractive to leaf-cutting ants because of an increase in leaf nutrient content induced by osmoregulation (Meyer et al. 2006; Functional Ecology 20:973-981). Since plants along forest edges are more prone to experience drought stress, this mechanism might contribute to the high resource availabil-ity for leaf-cutting ants at forest edges. In light of the hyper-abundance of leaf-cutting ants within the forest edge zone (first 50 m), their po-tentially far-reaching ecological importance in anthropogenic landscapes is apparent. Based on previous colony-level estimates, we extrapolated that herbivory by A. cephalotes removes 36% of the available foliage at forest edges (compared to 6% in the forest interior). In addition, A. cephalotes acted as ecosys-tem engineers constructing large nests (on average 55 m2: 95%-CI: 22-136) that drastically altered forest structure. The ants opened gaps in the canopy and forest understory at nest sites, which allowed three times as much light to reach the nest surface as compared to the forest understory. This was accompa-nied by an increase in soil temperatures and a reduction in water availability. Modifications of microcli-mate and forest structure greatly surpassed previously published estimates. Since higher light levels were detectable up to about 4 m away from the nest edge, an area roughly four times as big as the actual nest (about 200 and 50 m2, respectively) was impacted by every colony, amounting to roughly 6% of the total area at the forest edge (Meyer et al. in preparation; Ecology). The hypothesized impacts of high cutting pressure and microclimatic alterations at nest sites on forest regeneration were directly tested using transplanted seedlings of six species of forest trees. Nests of A. cephalotes differentially impacted survival and growth of seedlings. Survival differed highly significantly between habitats and species and was generally high in the forest, yet low on nests where it correlated strongly with seed size of the species. These results indicate that the disturbance regime created by leaf-cutting ants differs from other distur-bances, since nest conditions select for plant species that profit from additional light, yet are large-seeded and have resprouting abilities, which are best suited to tolerate repeated defoliation on a nest (Meyer et al. in preparation; Journal of Tropical Ecology). On an ecosystem scale leaf-cutting ants might amplify edge-driven microclimatic alterations by very high rates of herbivory and the maintenance of canopy gaps above frequent nests. By allowing for an increased light penetration Atta may, ultimately, contribute to a dominating, self-replacing pioneer communities at forest edges, possibly creating a positive feed-back loop. Based on the persisting hyper-abundance of leaf-cutting ants at old edges of Coimbra forest and the multifarious impacts documented, we conclude that the ecological importance of leaf-cutting ants in pristine forests, where they are commonly believed to be keystone species despite very low colony densities, is greatly surpassed in anthropogenic landscapes In fragmented forests, Atta has been identified as an essential component of a disturbance regime that causes a post-fragmentation retrogressive succession. Apparently, these forests have reached a new self-replacing secondary state. I suggest additional human interference in form of thoughtful management in order to break this cycle of self-enhancing disturbance and to enable forest regeneration along the edges of threatened forest remnants. Thereby the situation of the forest as a whole can be ameliorated and the chances for a long-term retention of biodiversity in these landscapes increased.

Das Zytosol ist der Hauptort der Proteinbiosynthese. Während viele Proteine im Zytosol bleiben, muss ein Großteil zu unterschiedlichen Kompartimenten der Zelle transportiert werden. Die korrekte Lokalisation der Polypeptide ist essentiell für die Homöostase der Zelle. Werden Proteine fehlgeleitet oder gar nicht transportiert, können diese in der Zelle aggregieren, was zu Stress bis hin zum Zelltod führen kann. Obwohl der Import mitochondrialer Proteine über die verschiedenen Membranen der Mitochondrien sehr gut erforscht ist, war lange unklar, wie diese Proteine zu ihrem Zielorganell transportiert werden. In den letzten Jahren wurde diese Wissenslücke teilweise gefüllt, neue zytosolische Faktoren wurden identifiziert und alternative Transportwege aufgedeckt. Eine solche Entdeckung war der Transportweg namens ER-SURF. Hier werden mitochondriale Proteine an die Membran des endoplasmatischen Retikulums transportiert, wo sie vom Co-Chaperon Djp1 gebunden und zu den Mitochondrien gebracht werden. Im Zuge der Studie zu ER-SURF wurde ein Protein identifiziert, das bisher noch uncharakterisiert war. Dieses Protein nannten wir Ema19 („Efficient Mitochondria Targeting–Associated Protein 19”). Es ist ein Membranprotein des endoplasmatischen Retikulums, das vier Transmembrandomänen besitzt. Ziel dieses Projekts war es, die Funktion von Ema19 für die Zelle zu analysieren. Durch ein Alignment konnte ich feststellen, dass das Protein bis in den Menschen hoch konserviert ist, was auf eine wichtige Rolle für die Zelle schließen ließ. Da Ema19 im Zusammenhang mit dem ER-SURF Transportweg identifiziert wurde, habe ich zunächst eine mögliche Rolle für den Transport und Import mitochondrialer Proteine in unterschiedlichen Experimenten getestet. Im Laufe der Arbeit wurde jedoch deutlich, dass Ema19 keine direkte Rolle beim Import von mitochondrialen Proteinen spielt. Allerdings konnte ich durch mehrere unabhängige Versuche einen Zusammenhang mit der Lokalisation und dem Abbau mitochondrialer Proteine feststellen. Fehlt Ema19 in der Zelle, ist vor allem das mitochondriale Protein Oxa1 mehr am endoplasmatischen Retikulum vorzufinden. Ebenso konnte ich feststellen, dass Oxa1, sowie das Intermembranraumprotein Erv1, langsamer abgebaut werden als in Wildtypzellen. Diese Experimente geben erste Hinweise auf eine mögliche Rolle von Ema19 für den Abbau mitochondrialer Proteine an der ER-Membran. Nichtsdestotrotz bleiben noch viele Fragen offen und weitere Versuche sind nötig, um diese Hypothese weiter zu unterstützen.

Bei gängigen Verfahren zur Untersuchung von unbekannten Duftstoffgemischen sind entweder die Selektivität, die Empfindlichkeit oder aber die zeitliche Auflösung des Systems nicht ausreichend für eine gute und schnelle Analyse. Sollen diese Ansprüche erfüllt werden, so besteht Bedarf nach einem neuen Verfahren, welches schnell und dennoch sehr genau Duftstoffgemische analysieren kann. In dieser Arbeit wird ein solches Verfahren und ein neu entwickeltes Meßsystem vorgestellt, welches mittels Potentialänderung einer Insektenantenne (Elektroantennogramm, EAG) Duftstoffgemische auf deren Komponenten und Konzentrationen bestimmen kann. Dazu werden Basis-Reizstoffe ermittelt, welche ihrerseits zur Quantifizierung der Komponenten des zu untersuchenden Duftstoffgemischs benötigt werden. Je mehr dieser Basis-Reizstoffe bekannt und zur Bestimmung des Duftstoffgemischs eingesetzt werden können, desto genauer wird die Analyse. Zu diesem Zweck wurde ein multidimensionales EAG-Meßsystem entwickelt, mit dem 7 Basis-Reizstoffe mit je 2 Konzentrationen verwendet werden können. Zur Ermittlung der Basis-Reizstoffe wurde ein Verfahren entwickelt und Überlagerungsversuche von Duftstoffen mit dem Kartoffelkäfer Leptinotarsus decemlineata durchgeführt. Dabei konnte ein Triplett von Basis-Reizstoffen gefunden werden. Zudem konnte durch Überlagerungsversuche von Pflanzenduftstoffen und Pheromon mit dem Bekreuzten Traubenwickler Lobesia botrana gezeigt werden, daß die Anwesenheit von Pflanzenduftstoffen die Bestimmung der Konzentration des Pheromons mit dem EAG-Meßsystem und dem Zusatzreizverfahren nicht beeinträchtigt. Pheromon einerseits und Pflanzenduftstoffe andererseits werden getrennt voneinander mit einer hohen Selektivität von der Insektenantenne registriert. Das entwickelte Verfahren und Meßsystem kann ebenfalls zur Überprüfung der Selektivität einer Insektenantenne auf Duftstoffe benutzt werden.

Most mitochondrial proteins are synthesized in the cytosol and targeted to the mitochondrial surface in a post-translational manner. The surface of the endoplasmic reticulum (ER) plays an active role in this targeting reaction. ER-associated chaperones interact with certain mitochondrial membrane protein precursors and transfer them onto receptor proteins of the mitochondrial surface in a process termed ER-SURF. ATP-driven proteins in the membranes of mitochondria (Msp1, ATAD1) and the ER (Spf1, P5A-ATPase) serve as extractors for the removal of mislocalized proteins. If the re-routing to mitochondria fails, precursors can be degraded by ER or mitochondria-associated degradation (ERAD or MAD respectively) in a proteasome-mediated reaction. This review summarizes the current knowledge about the cooperation of the ER and mitochondria in the targeting and quality control of mitochondrial precursor proteins.

Neuronal inhibition is mediated by glycine and/or GABA. Inferior colliculus (IC) neurons receive glycinergic and GABAergic inputs, whereas inhibition in hippocampus (HC) predominantly relies on GABA. Astrocytes heterogeneously express neurotransmitter transporters and are expected to adapt to the local requirements regarding neurotransmitter homeostasis. Here we analyzed the expression of inhibitory neurotransmitter transporters in IC and HC astrocytes using whole-cell patch-clamp and single-cell reverse transcription-PCR. We show that most astrocytes in both regions expressed functional glycine transporters (GlyTs). Activation of these transporters resulted in an inward current (IGly) that was sensitive to the competitive GlyT1 agonist sarcosine. Astrocytes exhibited transcripts for GlyT1 but not for GlyT2. Glycine did not alter the membrane resistance (RM) arguing for the absence of functional glycine receptors (GlyRs). Thus, IGly was mainly mediated by GlyT1. Similarly, we found expression of functional GABA transporters (GATs) in all IC astrocytes and about half of the HC astrocytes. These transporters mediated an inward current (IGABA) that was sensitive to the competitive GAT-1 and GAT-3 antagonists NO711 and SNAP5114, respectively. Accordingly, transcripts for GAT-1 and GAT-3 were found but not for GAT-2 and BGT-1. Only in hippocampal astrocytes, GABA transiently reduced RM demonstrating the presence of GABAA receptors (GABAARs). However, IGABA was mainly not contaminated by GABAAR-mediated currents as RM changes vanished shortly after GABA application. In both regions, IGABA was stronger than IGly. Furthermore, in HC the IGABA/IGly ratio was larger compared to IC. Taken together, our results demonstrate that astrocytes are heterogeneous across and within distinct brain areas. Furthermore, we could show that the capacity for glycine and GABA uptake varies between both brain regions.

The screening of metagenomic datasets led to the identification of new phage-derived members of the heme oxygenase and the ferredoxin-dependent bilin reductase enzyme families. The novel bilin biosynthesis genes were shown to form mini-cassettes on metagenomic scaffolds and further form distinct clusters in phylogenetic analyses (Ledermann et al., 2016). In this project, it was demonstrated that the discovered sequences actually encode for active enzymes. The biochemical characterization of a member of the heme oxygenases (ΦHemO) revealed that it possesses a regiospecificity for the α-methine bridge in the cleavage of the heme macrocycle. The reaction product biliverdin IXα was shown to function as the substrate for the novel ferredoxin-dependent bilin reductases (PcyX reductases), which catalyze its reduction to PEB via the intermediate 15,16-DHBV. While it was demonstrated that ΦPcyX, a phage-derived member of the PcyX reductases, is an active enzyme, it also became clear that the rate of the reaction is highly dependent on the employed redox partner. It turned out that the ferredoxin from the cyanophage P-SSM2 is to date the most suitable redox partner for the reductases of the PcyX group. Furthermore, the solution of the ΦPcyX crystal structure revealed that it adopts an α/β/α-sandwich fold, typical for the FDBR-family. Activity assays and subsequent HPLC analyses with different variants of the ΦPcyX protein demonstrated that, despite their similarity, PcyX and PcyA reductases must act via different reaction mechanisms. Another part of this project focused on the biochemical characterization of the FDBR KflaHY2 from the streptophyte alga Klebsormidium flaccidum. Experiments with recombinant KflaHY2 showed that it is an active FDBR which produces 3(Z)-PCB as the main reaction product, like it can be found in reductases of the PcyA group. Moreover, it was shown that under the employed assay conditions the reaction of BV to PCB proceeds in two different ways: Both 3(Z)-PΦB and 18¹,18²-DHBV occur as intermediates. Activity assays with the purified intermediates yielded PCB. Hence, both compounds are suitable substrates for KflaHY2. The results of this work highlight the importance of the biochemical experiments, as catalytic activity cannot solely be predicted by sequence analysis.

Haustoria of the rust fungus pathogen Uromyces fabae deliver RTP1 (Rust Transferred Protein1) into host plant cells. In this work, different heterologous expression systems were used to study RTP1 biological function as well as RTP1 transfer mechanism. The first part of this thesis focused on the identification of the subcellular target compartment of RTP1 in plant cells. In this respect we could identify a functional bipartite nuclear localization signal within RTP1. However, stable and transient expression studies of RTP1 in different plant species, including the host plant Vicia faba, interfered with plant cell vitality but did not result in detection of RTP1 protein. These findings led us to propose that RTP1 interferes with plant gene expression. However, the molecular basis of this interference remains unclear. By deletion studies, we could localize the active region of RTP1 within a 45 amino acid central domain. In the second part of this study, two different lines of approaches were taken to study RTP1 transfer mechanism. First, transient expression of secreted RTP1 (sRTP1) also interfered with plant cell vitality. Addition of an endoplasmic reticulum retention signal abolished sRTP1 interference with plant cell vitality, suggesting that RTP1 can reenter the plant cell from the apoplast after secretion in the absence of the pathogen. We have identified a PEST-like region within RTP1, however, contribution of this region to the stability of RTP1 is not clear. Site directed mutagenesis analysis showed that the PEST-like region is likely to play a role during the transfer of RTP1 through plant plasma membrane. In the second line of approach, we established a recombinant delivery model, using Ustilago maydis/Zea mays pathosystem, to pursue RTP1 translocation into the plant cell. Our results indicate that U. maydis is capable of secreting high amounts of recombinant RTP1, showing similar glycosylation pattern as RTP1 secreted from rust haustoria. Our data propose the use of this model system to study RTP1 domains mediating its entry into the plant cell. Haustoria of the rust fungus pathogen Uromyces fabae deliver RTP1 (Rust Transferred Protein1) into host plant cells. In this work, different heterologous expression systems were used to study RTP1 biological function as well as RTP1 transfer mechanism. The first part of this thesis focused on the identification of the subcellular target compartment of RTP1 in plant cells. In this respect we could identify a functional bipartite nuclear localization signal within RTP1. However, stable and transient expression studies of RTP1 in different plant species, including the host plant Vicia faba, interfered with plant cell vitality but did not result in detection of RTP1 protein. These findings led us to propose that RTP1 interferes with plant gene expression. However, the molecular basis of this interference remains unclear. By deletion studies, we could localize the active region of RTP1 within a 45 amino acid central domain. In the second part of this study, two different lines of approaches were taken to study RTP1 transfer mechanism. First, transient expression of secreted RTP1 (sRTP1) also interfered with plant cell vitality. Addition of an endoplasmic reticulum retention signal abolished sRTP1 interference with plant cell vitality, suggesting that RTP1 can reenter the plant cell from the apoplast after secretion in the absence of the pathogen. We have identified a PEST-like region within RTP1, however, contribution of this region to the stability of RTP1 is not clear. Site directed mutagenesis analysis showed that the PEST-like region is likely to play a role during the transfer of RTP1 through plant plasma membrane. In the second line of approach, we established a recombinant delivery model, using Ustilago maydis/Zea mays pathosystem, to pursue RTP1 translocation into the plant cell. Our results indicate that U. maydis is capable of secreting high amounts of recombinant RTP1, showing similar glycosylation pattern as RTP1 secreted from rust haustoria. Our data propose the use of this model system to study RTP1 domains mediating its entry into the plant cell.

Botrytis cinerea is a world-wide occurring plant pathogen, causing pre- and post-harvest gray mold rot on a large number of fruit, vegetable, and flower crops. B. cinerea is closely related to Botrytis pseudocinerea, another broad host range species which often occurs in sympatry with B. cinerea, and to several host-specific species including Botrytis fabae and Botrytis calthae. B. cinerea populations have been shown to be genetically heterogeneous, and attempts have been made to correlate genetic markers to virulence and host adaptation. Here, we present the development of a multilocus sequence typing (MLST) scheme, with 10 genes selected for high variability and phylogenetic congruence, to evaluate the genetic diversity of B. cinerea, B. fabae, and B. pseudocinerea. Using PacBio-assisted simultaneous mass sequencing of PCR products, MLST analysis of about 100 strains from diverse geographical origins and years of isolation was performed, which resulted in high-resolution strain differentiation and robust species separation. Several B. cinerea strains formed an as yet unknown population, referred to as group B, which was well separated from all other B. cinerea strains. Furthermore, the gene cluster for biosynthesis of the phytotoxin botcinic acid was missing in B. cinerea B strains. B. cinerea strains from the monocot Iris pseudacorus were found to form a genetically distinct population, and contained an intact gene cluster for production of the red pigment bikaverin, which is usually degenerated in B. cinerea. Remarkably, these strains were much more aggressive on Iris than other B. cinerea strains, which is the first unequivocal example for host specialization in B. cinerea. Our data reveal new insights into the genetic diversity of B. cinerea and provide evidence for intraspecific differentiation and different degrees of host adaptation of this polyphagous necrotrophic pathogen.

Bei dem in dieser Arbeit untersuchten Antibiotikum Vancoresmycin handelt es sich um ein neuartiges Tetramsäurederivat, das aus der Fermentationsbrühe des Aktinomyceten Amycolatopsis vancoresmycina gewonnen wurde. Da der Wirkungsmechanismus und mögliche Resistenzmechanismen unbekannt sind, soll diese Arbeit zu deren Aufklärung beitragen. Dazu wurden verschiedene Determinanten für die Resistenz gegen Vancoresmycin in Streptococcus pneumoniae R6 analysiert. Zuerst wurden acht vancoresmycinresistente Labormutanten von Streptococcus pneumoniae R6 bei einer Konzentration von 0,5 µg/ml Vancoresmycin isoliert und phänotypisch charakterisiert. Es konnte eine bakteriolytische Wirkung von Vancoresmycin auf S. pneumoniae gezeigt werden. Zur Identifizierung genetischer Resistenzdeterminanten wurden verschiedene Strategien verfolgt. Zum einen wurden Genbanken von der Mutante aR6 erstellt und nach der resistenzvermittelnden DNA-Sequenz durch Transformation des sensitiven Rezipienten S. pneumoniae R6 gesucht. Zum anderen wurden die Transkriptome der Mutanten aR6, eR6, fR6 und gR6 mit dem des Referenzstammes R6 durch mikroarraybasierte Studien verglichen, um Transkriptmengenunterschiede zu detektieren. Durch das Screening der Genbanken konnten zwei Determinanten identifiziert werden, deren Funktionen durch Insertion des IS10-R-Elementes eingeschränkt waren. Dabei handelte es sich um das Gen rpsI, das für das kleine ribosomale Protein S9 codiert, und um das Gen dexS, das für eine Dextranglucosidase codiert. Der Stamm R6-rpsI::IS10-R zeichnete sich durch ein verlangsamtes Wachstum aus, was zu der beobachteten erhöhten Vancoresmycinresistenz beitragen könnte. Für das Gen dexS konnte eine direkte Beteiligung an der Resistenz gegenüber Vancoresmycin nicht nachgewiesen werden. Durch einen Transkriptomvergleich der Mutanten aR6, eR6 und fR6 mit dem Referenzstamm R6 wurde festgestellt, dass die Transkriptmengen des Genes copY, das für einen Transkriptionsrepressor codiert, und der Gene eines Cyl-Operons, deren Genprodukte vermutlich an der Bildung, Modifikation und Sezernierung eines Cytolysins beteiligt sind, in den Mutanten aR6, eR6 und fR6 erhöht waren. Mit Hilfe ausführlicher Analysen wurde nachgewiesen, dass sowohl das Gen copY als auch die Gene des Cyl-Operons nicht direkt an einer Resistenz gegenüber Vancoresmycin beteiligt sind. Im Transkriptom der Mutante gR6 fielen zwei Gene (spr0812 = abcA und spr0813 = abcB), die für einen ABC-Transporter codieren, durch erhöhte Transkriptmengen im Vergleich zu den entsprechenden Transkriptmengen des Referenzstammes R6 auf. Die Funktion dieses ABC-Transporters bei der Resistenz gegenüber Vancoresmycin wurde detailliert analysiert, da ein Aminosäureaustausch im C-terminalen Ende der Permeaseuntereinheit AbcB in der Mutante gR6 identifiziert wurde (Gln581 ® Stop). Durch Transformation des Rezipienten R6 mit der entsprechenden DNA-Sequenz konnte für die Transformanten (gTR) eine erhöhte Vancoresmycinresistenz gezeigt werden. Außerdem konnte durch Deletion des ABC-Transporter-Operons in der Mutante gR6 eine MHK-Erniedrigung auf das Ausgangsniveau des Referenzstammes R6 herbeigeführt werden. Die im Transkriptom der Mutante gR6 detektierten erhöhten Transkriptmengen der Gene abcA und abcB wurden durch quantitative Real-Time-PCR verifiziert. In der Transformante gTR wurden ebenfalls erhöhte Transkriptmengen der Gene abcA und abcB nachgewiesen. Sowohl in der Mutante gR6 als auch in der Transformante gTR waren die Transkriptmengen der Gene abcA und abcB etwa um das Sechsfache im Vergleich zu den jeweiligen Transkriptmengen des Referenzstammes R6 erhöht. Um die Ursache der erhöhten Transkriptmengen aufzuklären, wurde die Promotoraktivität des ABC-Transporter-Operons in der Mutante gR6 und in der Transformante gTR mit Hilfe von lacZ- Reporterfusionskonstrukten analysiert. Die Promotoraktivitäten in der Mutante gR6 und in der Transformante gTR unterschieden sich nicht von der des Referenzstammes R6. Dieses Resultat lässt vermuten, dass die erhöhten Transkriptmengen der Gene abcA und abcB nicht auf eine gesteigerte Promotoraktivität zurückgeführt werden können, sondern dass die Stabilität der Transkripte durch die Nonsensemutation in der Mutante gR6 und in der Transformante gTR erhöht war. In der Literatur werden homologe ABC-Transporter aus Bacillus subtilis bzw. S. mutans beschrieben, die in eine Resistenz gegenüber Bacitracin involviert sind (Ohki et al., 2003; Tsuda et al., 2002). Aufgrund dessen wurde eine Beteiligung des hier untersuchten ABC-Transporters an einer Bacitracinresistenz überprüft. Mit Hilfe einer MHK-Bestimmung für Bacitracin wurde ein fünffach erniedrigter MHK-Wert für die Mutante gR6 und für die Transformante gTR im Vergleich zum Referenzstamm R6 festgestellt. Das bedeutet, dass der mutierte ABC-Transporter der Mutante gR6 sowohl in eine erhöhte Resistenz gegenüber Vancoresmycin als auch in eine erhöhte Sensitivität gegenüber Bacitracin involviert ist.

Die kommensalen, in der Mundhöhle lebenden Bakterien-Arten S. mitis und S. oralis zählen zusammen mit dem humanpathogenen Bakterium S. pneumoniae zu den Streptokokken der Mitis-Gruppe (Kawamura et al., 1995). Mitglieder dieser phylogenetischen Gruppe besitzen nachweislich die Fähigkeit zum Austausch von genetischem Material (Whatmore et al., 2000; Hakenbeck et al., 2001; King et al., 2005), was durch die natürliche Kompetenz dieser Streptokokken-Spezies begünstigt wird. Das Ergebnis sind Gene mit Mosaikstruktur ─ ein Indiz für horizontalen Gentransfer. Als Reservoir für solche, in S. pneumoniae auftretende Mosaik-strukturen wurde der Genpool der verwandten, kommensalen Streptokokken identifiziert. Demnach werden Resistenz- und Virulenz-determinierende Sequenzen über Gentransfer und homologe Rekombination auf Pneumokokken übertragen (Dowson et al., 1993; Sibold et al., 1994; King et al., 2005; Chi et al., 2007). Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Spezifizierung von Streptokokken der Mitis-Gruppe. Hierzu wurden mit einer ausgewählten heterogenen Sammlung von oralen S. mitis- und S. oralis-Isolaten vergleichende Genom-Hybridisierungen mittels des kürzlich entwickelten S. mitis B6-Biochips (Denapaite et al., 2010) durchgeführt. Zentraler Aspekt dieser Unter-suchungen war die erstmalige Analyse eines gemeinsamen „Kerngenoms“ aller untersuchten oralen Streptokokken sowie des S. mitis-„Kerngenoms“. Letzteres beinhaltet insgesamt 972 Gene, von denen ein bemerkenswert großer Teil (94 %) auch in S. pneumoniae vorhanden ist. Dies belegt eindeutig die sehr nahe Verwandschaft von S. mitis und S. pneumoniae (Chi et al., 2007; Kilian et al., 2008; Bishop et al., 2009; Denapaite et al., 2010) und stützt die Evolutionstheorie, dass sich S. pneumoniae aus einem spezialisierten S. mitis-Klon entwickelt hat (Denapaite et al., 2010). Das erstmals ermittelte „Gesamt-Kerngenom“ von S. mitis, S. pneumoniae und S. oralis ist mit 386 Genen wesentlich kleiner. Wie die vorliegenden Daten demonstrieren, enthält es eine Reihe von nachgewiesenen S. pneumoniae-Virulenzfaktoren. Die Tatsache, dass S. mitis und S. oralis im Gegensatz zu S. pneumoniae meist apathogen sind, suggeriert, dass in S. pneumoniae erst das Zusammenspiel mehrerer unterschiedlicher Virulenzdeterminanten den bekannten, krankheitserregenden Phänotyp bewirkt. Ein weiteres Ziel war die Analyse der genomischen Varianz der S. mitis- und S. oralis-Stämme. Neben dem S. mitis B6-Chip wurde der S. pneumoniae R6/TIGR4-Chip zur vergleichenden Genom-Analyse eingesetzt. Die Ergebnisse dieser globalen Untersuchungen weisen auf eine große genomische Diversität innerhalb der Mitis-Gruppe hin und bestätigen das Fehlen einer klaren Art-Grenze zwischen S. mitis, S. oralis und S. pneumoniae (Hakenbeck et al., 2001). Ursache für diese genomische Varianz sind inner- und inter-artliche Gentransfer-Ereignisse innerhalb dieser transformierbaren Spezies, die neben Antibiotika-Resistenzgenen wie den pbp auch bestimmte Virulenzgene betreffen. Besonderes Interesse galt der Identifizierung von Pneumokokken-spezifischen Virulenzgenen, wobei an dieser Stelle die Cholin-Bindeproteine PspA, PspC und PcpA, die Hyaluronidase HysA sowie die PiaA-Komponente des Eisen-Aufnahme-Systems PiaA/PiuA zu nennen sind. Zum ersten Mal konnten entscheidende, das Pathogenitätspotenzial betreffende Unterschiede zu den meist nicht krankheitserregenden Kommensalen herausgestellt werden. Einen weiteren wichtigen Punkt der Arbeit bildeten zwei S. mitis-Isolate, für die im Rahmen der Microarray-Analysen gezeigt wurde, dass sie im Besitz der Pathogenitätsfaktoren Pneumolysin (Ply) und Autolysin (LytA) sind. Beide Gene wurden lange Zeit für S. pneumoniae-spezifisch gehalten, liegen auf dem Genom von S. pneumoniae zirka 7 kb voneinander entfernt und werden von einem 94 bp langen „direct repeat“ flankiert (Denapaite et al., 2010). Eine ausführliche Sequenzanalyse der lytA/ply-Region ergab in beiden Fällen eine genetisch ähnliche Organisation wie in S. pneumoniae R6. Zudem konnte gezeigt werden, dass einer der beiden S. mitis-Stämme neben dem chromosomal kodierten lytA ein zweites Prophagen-assoziiertes lytA-Allel besitzt. Die Tatsache, dass im Gegensatz zu S. mitis alle Pneumokokken die „Pathogenitäts- insel“ in ihrem Genom enthalten, bestätigt die oben besprochene Evolutionstheorie: Die lytA/ply-Insel wurde vermutlich vor der Evolution von S. pneumoniae aus S. mitis erworben, wobei der 94 bp „direct repeat“ mit großer Wahrscheinlichkeit die Integrationsstelle darstellt.

Synaptic transmission is controlled by re-uptake systems that reduce transmitter concentrations in the synaptic cleft and recycle the transmitter into presynaptic terminals. The re-uptake systems are thought to ensure cytosolic concentrations in the terminals that are sufficient for reloading empty synaptic vesicles (SVs). Genetic deletion of glycine transporter 2 (GlyT2) results in severely disrupted inhibitory neurotransmission and ultimately to death. Here we investigated the role of GlyT2 at inhibitory glycinergic synapses in the mammalian auditory brainstem. These synapses are tuned for resilience, reliability, and precision, even during sustained high-frequency stimulation when endocytosis and refilling of SVs probably contribute substantially to efficient replenishment of the readily releasable pool (RRP). Such robust synapses are formed between MNTB and LSO neurons (medial nucleus of the trapezoid body, lateral superior olive). By means of patch-clamp recordings, we assessed the synaptic performance in controls, in GlyT2 knockout mice (KOs), and upon acute pharmacological GlyT2 blockade. Via computational modeling, we calculated the reoccupation rate of empty release sites and RRP replenishment kinetics during 60-s challenge and 60-s recovery periods. Control MNTB-LSO inputs maintained high fidelity neurotransmission at 50 Hz for 60 s and recovered very efficiently from synaptic depression. During 'marathon-experiments' (30,600 stimuli in 20 min), RRP replenishment accumulated to 1,260-fold. In contrast, KO inputs featured severe impairments. For example, the input number was reduced to ~1 (vs. ~4 in controls), implying massive functional degeneration of the MNTB-LSO microcircuit and a role of GlyT2 during synapse maturation. Surprisingly, neurotransmission did not collapse completely in KOs as inputs still replenished their small RRP 80-fold upon 50 Hz | 60 s challenge. However, they totally failed to do so for extended periods. Upon acute pharmacological GlyT2 inactivation, synaptic performance remained robust, in stark contrast to KOs. RRP replenishment was 865-fold in marathon-experiments, only ~1/3 lower than in controls. Collectively, our empirical and modeling results demonstrate that GlyT2 re-uptake activity is not the dominant factor in the SV recycling pathway that imparts indefatigability to MNTB-LSO synapses. We postulate that additional glycine sources, possibly the antiporter Asc-1, contribute to RRP replenishment at these high-fidelity brainstem synapses.

More than ten years ago, ER-ANT1 was shown to act as an ATP/ADP antiporter and to exist in the endoplasmic reticulum (ER) of higher plants. Because structurally different transporters generally mediate energy provision to the ER, the physiological function of ER-ANT1 was not directly evident. Interestingly, mutant plants lacking ER-ANT1 exhibit a photorespiratory phenotype. Although many research efforts were undertaken, the possible connection between the transporter and photorespiration also remained elusive. Here, a forward genetic approach was used to decipher the role of ER-ANT1 in the plant context and its association to photorespiration. This strategy identified that additional absence of a putative HAD-type phosphatase partially restored the photorespiratory phenotype. Localisation studies revealed that the corresponding protein is targeted to the chloroplast. Moreover, biochemical analyses demonstrate that the HAD-type phosphatase is specific for pyridoxal phosphate. These observations, together with transcriptional and metabolic data of corresponding single (ER-ANT1) and double (ER-ANT1, phosphatase) loss-of-function mutant plants revealed an unexpected connection of ER-ANT1 to vitamin B6 metabolism. Finally, a scenario is proposed, which explains how ER-ANT1 may influence B6 vitamer phosphorylation, by this affects photorespiration and causes several other physiological alterations observed in the corresponding loss-of-function mutant plants.

Das Zwei-Komponenten System CiaRH beeinflusst die genetische Kompetenz, das Lyseverhalten, die Virulenz und die Resistenz gegen Cefotaxim von S. pneumoniae. Der entscheidende Einfluss von CiaRH für S. pneumoniae zeigt sich auch darin, dass in mehreren Transkriptomstudien eine große Zahl von Genen identifiziert wurde, die in Abhängigkeit des Zwei-Komponenten Systems transkribiert werden. In dieser Arbeit konnten nun die Gene, deren Transkription direkt durch Bindung des Response Regulators CiaR in ihrem Promotorbereich reguliert wird, eindeutig definiert werden. Durch die Kombination von transkriptionellen Reportergenfusionen in dem neu konstruierten Promoter Probe Plasmid pPP2, Bandshiftassays und Mutageneseexperimenten wurde als Bindestelle von CiaR ein Direct Repeat mit der Sequenz TTTAAG-N5-TTTAAG identifiziert. Für 16 Promotoren mit dieser Bindestelle wurden eine Bindung von CiaR und eine CiaRH abhängige Expression nachgewiesen. Von den 16 Promotoren sind 15 positiv und nur einer negativ reguliert. Insgesamt besteht das CiaRH Regulon aus 30 Genen, wobei 19 Gene in 6 Operons organisiert sind. Zum CiaRH Regulon gehören ciaRH selbst, eine Vielzahl von Genen, die am Zellwandmetabolismus beteiligt sind (lic1 Operon, dlt Operon), die Gene von fünf kleinen nicht-kodierenden RNAs (ccnA-E), die Stressprotease HtrA, das Chromosomensegregationsprotein ParB, die Peptidyl-Prolyl Isomerase PpmA, die Maltoseverwertungsgene malMP, das Phosphotransferasesystem ManLMN und mehrere Gene mit unbekannter Funktion. Die eindeutige Identifizierung der Gene des Regulons des Zwei-Komponenten Systems CiaRH ermöglicht eine detaillierte Analyse der Zusammenhänge mit den cia-vermittelten Phänotypen. In einem zweiten Teil dieser Arbeit wurde darauf eingegangen, welche Rolle die Histidinkinase CiaH spielt und woher das Phosphat für die Phosphorylierung des Response Regulators CiaR stammt. Es wurde durch Einbringen der Mutation D51A in CiaR gezeigt, dass das Aspartat an dieser Stelle des Proteins entscheidend für die Aktivität von CiaR als transkriptionellen Regulator ist. CiaH ist hingegen während des exponentiellen Wachstums in C-Medium für die Aktivität von CiaR verzichtbar. Die Promotoren des CiaRH Regulons zeigten in Abwesenheit der Kinase während dieser Wachstumsphase keine veränderte Aktivität. Die Phosphorylierung von CiaR muss daher auch über einen anderen Weg, beispielsweise über Acetylphosphat, erfolgen können. Deshalb wurde auch der Einfluss der Inaktivierung von spxB, dem Gen für eine Pyruvatoxidase, welche die Synthese eines Großteils des zellulären Acetylphosphats in S. pneumoniae katalysiert, untersucht. Eine entscheidende Rolle wurde für CiaH bei Eintritt in die stationäre Wachstumsphase beobachtet. Es konnte gezeigt werden, dass zu diesem Zeitpunkt nur bei vorhandenem CiaH ein Anstieg der Aktivität der Promotoren des CiaRH Regulons stattfindet. Dies deutet darauf hin, dass die Histidinkinase beim Übergang in die stationäre Phase ein Signal erhält, das die Aktivierung des CiaRH Regulons stimuliert. Möglicherweise können daraus Ansätze zur Identifizierung des bisher unbekannten Signals von CiaH entwickelt werden.

Glycine constitutes the major neurotransmitter at inhibitory synapses of lower brain regions. A rapid removal of glycine from the synaptic cleft and consequent recycling is crucial for synaptic transmission in systems with high effort on temporal precision. This is mainly achieved by glycine translocation via two glycine transporters (GlyTs), namely GlyT1 and GlyT2. At inhibitory synapses, GlyT2 was found to be specifically expressed by neurons, supplying the presynapse with glycine needed for vesicle filling. In contrast, GlyT1 is attributed to astrocytes and primarily mediates the termination of synaptic transmission by glycine removal from the synaptic cleft. Employing patch-clamp recordings from principal neurons of the lateral superior olive (LSO) in acute brainstem slices of GlyT1b/c knockout (KO) mice and wildtype (WT) littermates at postnatal day 20, I analyzed how postsynaptic responses are changed in a GlyT1-depleted environment. During spontaneous vesicle release I found no change of postsynaptic responses, contradicting my initial hypothesis of prolonged decay times. Electrical stimulation of fibers of the medial nucleus of the trapezoid body (MNTB), which are known to form fast, reliable and highly precise synapses with LSO principal neurons, revealed that GlyT1 is involved in proper synaptic function during sustained, high frequent synaptic transmission. Stimulation with 50 Hz led to a stronger decay time and latency prolongation in GlyT1b/c KO, accelerating to 60% longer decay times and 30% longer latencies. Additionally, a more pronounced frequency-dependent depression and fidelity decrease was observed during stimulation with 200 Hz in GlyT1b/c KO, resulting in 67% smaller amplitudes and only 25% of WT fidelity at the end of the challenge. Basic properties like readily releasable pool, release probability, and quantal size (q) were not altered in GlyT1b/c KO, but interestingly q decreased during 50 Hz and 100 Hz challenges to about 84%, which was not observed in WT. I conclude that stronger accumulation of extracellular glycine due to GlyT1 loss leads to prolonged activation of postsynaptic glycine receptors (GlyRs). As a further consequence, activation of presynaptic GlyRs in the vicinity of the synaptic cleft might be enhanced, accompanied by a stronger occurrence of shunting inhibition. Furthermore, I assume a GlyT1-dependent glycine shuttle, which is absent at GlyT1b/c KO synapses. This could result in a diminished glycine supply to GlyT2 located at more distant sites, causing a disturbed replenishment during periods with excess release of glycine. Conclusively, my study reveals a contribution of astrocytes in fast and reliable synaptic transmission at the MNTB-LSO synapse, which in turn is crucial for proper sound source localization.

Amino acids, apart from being building blocks of proteins, serve various cellular and metabolic functions1,2. Changes in amino acid handling have been observed in a wide range of human pathologies, including diabetes and various metabolic disorders (aminoacidopathies)3–5. Saccharomyces cerevisiae is used as a model to investigate how increase in amino acid content (in the form of amino acid dropout mix: AAM) in growth medium influences cell growth. Intriguingly, it was observed that increasing the concentration of AAM in the media (double or triple times; 2 X AAM and 3 X AAM respectively), severely affects the growth of auxotrophic but not of prototrophic yeast strains in presence of glucose as carbon substrate. Increased concentration of Ehrlich amino acids, which are degraded to fusel acidic/alcoholic compounds, induced the observed slow growth phenotype of BY4742. These phenotypes can be rescued by either re-establishing the functional leucine biosynthetic pathway in BY4742 (leucine auxotroph) or increasing leucine in proportion to the increased AAM. Interestingly, the amino acid dependent growth phenotypes are absent when cells grow in media containing non-fermentable carbon sources. Furthermore, the deletion of ILV2 or ILV3 (genes encoding enzymes involved in the leucine biosynthetic pathway) also rescues the growth phenotype of BY4742 on 2 X AAM and 3 X AAM growth media. It was found that Ilv3 is the potential switching point and links cellular growth to redox homeostasis. The possibility of leucine limitation per se or transport competition between different Ehrlich amino acids and leucine, as a cause for the observed phenotypes, is ruled out. Upregulation of the branched-chain amino acid pathway inhibits cell growth of BY4742 on 2 X AAM. Although we could not detect KIV, the α-keto acid intermediate formed by the Ilv3. It is proposed that KIV itself (or its unknown downstream product) leads to the onset of the observed phenotypes. Different studies suggest that oxidative stress (due to accumulation of branched-chain amino acids (BCaa) and their α-keto acids) contributes to the neurological damage of MSUD patients6–9. It was also observed that the trigger of the BCaa bio-synthesis pathway on 2 X AAM growth conditions also contributes to the significant oxidative stress in the cell. In conclusion, we propose that yeast can be used as a suitable model system to study how accumulation of BCaa and their α-keto acids are lead to oxidative stress that is potentially toxic to cells. Further, this knowledge and the underlying molecular mechanisms will enhance our understanding of MSUD in humans.

In dieser Arbeit wurden auf der Basis des felinen Foamyvirus (FFV) bzw. Spumaretrovirus diverse replikationsdefiziente Vektoren entwickelt und deren Tranduktionseffizienz, Stabilität, Markergenexpression und biologische Sicherheit unter Zellkulturbedingungen charakterisiert. Ausgehend von replikationskompetenten FFV-Vektoren wurden zunächst so genannte selbst-inaktivierende (SIN) Vektoren, in welchen die LTR-Promotoraktivität inhibiert ist, konstruiert. Diese FFV-SIN-Vektoren erlaubten eine stabile Transduktion und Markergenexpression, entwickelten jedoch nach einer begrenzten Zeit replikationskompetente Revertanten und waren daher nicht zur Transduktion langlebiger Zellen geeignet. In Analogie zu humanen Foamyvirus-basierenden Vektoren wurde anschließend ein Großteil der env-Sequenz aus den SIN-Vektoren deletiert, um die biologische Sicherheit der Vektoren zu erhöhen. Diese Env-deletierten und FFV-Promotor-abhängigen Vektoren waren allerdings aufgrund eines schwachen und schnell abklingenden Markergentransfers nicht zur effizienten und stabilen Markergentransduktion geeignet. Zur Entwicklung replikationsdefizienter Vektoren mit einem starken heterologen Promotor zur Markergenexpression wurden verschiedene Deletionen in das Vektorgenom eingeführt und Helferplasmide für die Strukturgene bzw. viralen Enzyme kloniert. Hiermit wurde ein transientes Transfektionssystem zur Produktion von Vektorpartikeln etabliert, wobei die für den Markergentransfer essentiellen cis-agierenden Sequenzen auf dem FFV-Genom identifiziert wurden. Die Lokalisation zweier essentieller cis-agierender Sequenzen am 5’-Ende des Genoms und in pol ermöglichte die anschließende Konstruktion replikationsdefizienter Bel1-unabhängiger Vektoren, in denen die 3’ von pol liegenden Gene fast vollständig deletiert und durch eine Expressionskassette, bestehend aus dem humanen Ubiquitin C-Promotor und dem lacZ-Gen, ersetzt wurden. Diese neuen FFV-basierenden Vektoren erlauben einen effizienten Markergentransfer und ermöglichen eine stabile Transduktion diverser Zielzellen bei gleichzeitiger nicht nachweisbarer viraler Genexpression und replikationskompetenter Revertanten. Daher sind diese Vektoren biologisch sicher, zur Transduktion langlebiger Zellen geeignet und können daher für gentherapeutische Untersuchungen in tierexperimentellen Modellen verwendet werden.

Salinity is one of the most structuring environmental factors for microeukaryotic communities. Using eDNA barcoding, I detected significant shifts in microeukaryotic community compositions occurring at distinct salinities between brackish and marine conditions in the Baltic Sea. I, furthermore, conducted a metadata analysis including my and other marine and hypersaline community sequence data to confirm the existence of salinity-related transition boundaries and significant changes in alpha diversity patterns along a brackish to hypersaline gradient. One hypothesis for the formation of salinity-dependent transition boundaries between brackish to hypersaline conditions is the use of different cellular haloadaptation strategies. To test this hypothesis, I conducted metatranscriptome analyses of microeukaryotic communities along a pronounced salinity gradient (40 – 380 ‰). Clustering of functional transcripts revealed differences in metabolic properties and metabolic capacities between microeukaryotic communities at specific salinities, corresponding to the transition boundaries already observed in the taxonomic eDNA barcoding approach. In specific, microeukaryotic communities thriving at mid-hypersaline conditions (≤ 150 ‰) seem to predominantly apply the ‘low-salt – organic-solutes-in’ strategy by accumulating compatible solutes to counteract osmotic stress. Indications were found for both the intracellular synthesis of compatible solutes as well as for cellular transport systems. In contrast, communities of extreme-hypersaline habitats (≥ 200 ‰) may preferentially use the ‘high-salt-in’ strategy, i. e. the intracellular accumulation of inorganic ions in high concentrations, which is implied by the increased expression of Mg2+, K+, Cl- transporters and channels. In order to characterize the ‘low-salt – organic-solutes-in’ strategy applied by protists in more detail, I conducted a time-resolved transcriptome analysis of the heterotrophic ciliate Schmidingerothrix salinarum serving as model organism. S. salinarum was thus subjected to a salt-up shock to investigate the intracellular response to osmotic stress by shifts of gene expression. After increasing the external salinity, an increased expression of two-component signal transduction systems and MAPK cascades was observed. In an early reaction, the expression of transport mechanisms for K+, Cl- and Ca2+ increased, which may enhance the capacity of K+, Cl- and Ca2+ in the cytoplasm to compensate possibly harmful Na+ influx. Expression of enzymes for the synthesis of possible compatible solutes, starting with glycine betaine, followed by ectoine and later proline, could imply that the inorganic ions K+, Cl- and Ca2+ are gradually replaced by the synthesized compatible solutes. Additionally, expressed transporters for choline (precursor of glycine betaine) and proline could indicate an intracellular accumulation of compatible solutes to balance the external salinity. During this accumulation, the up-regulated ion export mechanisms may increase the capacity for Na+ expulsion from the cytoplasm and ion compartmentalization between cell organelles seem to happen. The results of my PhD project revealed first evidence at molecular level for the salinity-dependent use of different haloadaptation strategies in microeukaryotes and significantly extend existing knowledge about haloadaptation processes in ciliates. The results provide ground for future research, such as (comparative) transcriptome analysis of ciliates thriving in extreme-hypersaline habitats or experiments like qRT-PCR to validate transcriptome results.

Die Resistenz solider Tumoren gegenüber der Behandlung mit Medikamenten oder Bestrahlung ist ein häufig auftretendes Phänomen. Insbesondere das Auftreten von Chemoresistenzen stellt ein großes Problem bei der Behandlung von Krebs dar. Aufgrund einer Unterversorgung des Gewebes kommt es in soliden Tumoren zur Bildung des so genannten ‚hypoxischen Kern’ (hypoxic core), welcher bei der Progression und Metastasierung des Tumors eine wichtige Rolle spielt. Es wird diskutiert, inwieweit Hypoxie an der Entstehung von Resistenzen gegenüber unterschiedlichen Therapieansätzen beteiligt ist. Das Ziel der Arbeit war es, die Fragestellung zu klären, ob Hypoxie vor Apoptose, ausgelöst durch Chemotherapeutika, schützt. Wenn sich diese Vermutung bestätigen sollte, sollten die zu Grunde liegenden Mechanismen dieser Chemoresistenz aufgeklärt werden. Es konnte festgestellt werden, dass es in A549 Zellen unter Hypoxie durch ein Zusammenspiel mehrerer unabhängiger Signalwege zum Schutz vor Etoposid-induzierter Apoptose kommt. Zum einen induziert Hypoxie die Stabilisierung und Aktivierung von HIF-1. Über einen intrazellulären Mechanismus, wahrscheinlich der Expression anti-apoptotischer Zielgene, kommt es zur Desensitivierung der Zellen gegenüber der Behandlung mit Etoposid. Des Weiteren konnte festgestellt werden, dass es unter Hypoxie unabhängig von HIF-1 zur Freisetzung von Schutzfaktoren kommt. Diese vermitteln über auto- oder parakrine Wege anti-apoptotische Signale. Hypoxie führte zu einer Akkumulation der Cyclooxygenase-2 (COX-2), welche maßgeblich an der Freisetzung des Schutzfaktors beteiligt ist. In diesem Zusammenhang wurde festgestellt, dass die Stimulation mit PGE2 zu einer erhöhten Resistenz von A549 Zellen gegenüber Etoposid-induzierter Apoptose führte. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass die basale Aktivität der Sphingosin-Kinasen für die Vitalität von A549 Zellen essenziell ist. Unter Hypoxie wurde darüber hinaus eine Aktivierung der Sphingosin-Kinase 2 (SphK2) festgestellt, wodurch eine vermehrte Synthese und Freisetzung von Sphingosin-1-phosphat (S1P) induziert wurde. Es kommt unter Hypoxie über zwei unabhängige Signalwege zur Freisetzung von PGE2 und S1P, welche in Zielzellen einen chemoresistenten Phänotyp induzieren. Die Übertragung des anti-apoptotischen Signals erfolgte über die Aktivierung der ERK1/2-Signalkaskade. Zusammengefasst konnte gezeigt werden, dass Hypoxie über die Aktivierung von HIF-1, COX-2 und SphK2 in A549 Zellen die Resistenz gegenüber Chemotherapeutika induziert. Hierbei sind neben intrazellulären Signalen auch auto- und parakrin wirkende Mechanismen beteiligt. Als Übermittler des übertragbaren anti-apoptotischen Signals konnten S1P und PGE2 identifiziert werden, die über die Aktivierung von ERK1/2 vor Apoptose schützen.

Most of eukaryotes show signs of having sex or sexual recombination, and the other asexual eukaryotes have evidences of evolving from sexual ancestors. Meiotic recombination, or crossover are proved to have two pathways in eukaryotes, whose distribution was well studied in many model eukaryotes. However, the distribution of sex in specific lineage is debating. The distribution and evolution of meiotic recombination pathways in alveolates would provide us clues of lost/gaining of pathways in early eukaryotes and fill the gaps between protist and more complex multicellular organisms (fungi, animals and plants) . In this dissertation, we designed a customized program with Python, which integrated Blastp and HMMER v3.0, to search for homologs of 51 meiotic genes (11 meiosis-specific and 40 meiosis-related genes ) in the whole genome sequences or EST data of five Ciliates, seven Apicomplexa, two Chromerida, one Perkinsus, one Dinoflagellates and Chrysophytes (golden algae). All candidate homologs were then verified by reciprocal Blastp search against the nonredundant protein sequence database of NCBI and phylogeny analysis of RAxML. The gene inventory results shows that several eukaryotic meiosis-specific and meiosis-related genes are missing in every group. However, the presents of meiosis initiate protein Spo11 in some putative asexual lineage (Symbiodinium, Colpodean and Chrysophytes) suggest that they might be cryptically sexual. Within alveolates, Apicomplexa are capable of both pathways, while Ciliates and Dinoflagellates using a set of mitotic repair proteins for meiotic recombination. We speculated that the result of the abandonment of the pathway I might due to the abnormal chromosome structure of both Ciliates and Dinoflagellates. Phylogenetic analysis of the distribution of meiotic pathways within alveolates suggest that the reduction of meiotic pathway I in Ciliates and Dinoflagellates are independent. Considering that Apicomplexa are capable of both meiotic pathways, we would infer that those two pathways exist in the common ancestor of alveolates.

Cancer cells often harbor chromosomes in abnormal numbers and with aberrant structure. The consequences of these chromosomal aberrations are difficult to study in cancer, and therefore several model systems have been developed in recent years. We show that human cells with extra chromosome engineered via microcell-mediated chromosome transfer often gain massive chromosomal rearrangements. The rearrangements arose by chromosome shattering and rejoining as well as by replication-dependent mechanisms. We show that the isolated micronuclei lack functional lamin B1 and become prone to envelope rupture, which leads to DNA damage and aberrant replication. The presence of functional lamin B1 partly correlates with micronuclei size, suggesting that the proper assembly of nuclear envelope might be sensitive to membrane curvature. The chromosomal rearrangements in trisomic cells provide growth advantage compared to cells without rearrangements. Our model system enables to study mechanisms of massive chromosomal rearrangements of any chromosome and their consequences in human cells.

Die Peltulaceae sind eine flechtenbildende Ascomycetenfamilie, die derzeit 43 morphologisch umschriebene Spezies in drei Gattungen umfasst. Systematisch gehören sie in die Ordnung Lichinales (Lichinomycetes, Pezizomycotina), ihre genaue Stellung im System der Ascomyceten ist unbekannt. Die Familie lebt exklusiv mit Cyanobakterien in Symbiose und besiedelt weltweit aride und semi-aride Habitate. Die aktuell bekannte Verbreitung zeigt Ähnlichkeiten zu derjenigen xerophytischer Moospflanzen, für die ein gondwanischer Ursprung angenommen wird. Außerdem besiedeln mehr Peltulaceen-Spezies die ehemaligen Gondwanakontinente (Afrika, Südamerika, Australien, Indien) als die übrigen, laurasischen Kontinente (Nordamerika, Europa, Asien); der Sörensen-Koeffizient für die Florenähnlichkeit beträgt 0,697. Die Hypothese, dass die Peltulaceae gondwanischen Ursprungs sind, sollte mit Hilfe einer phylogenetischen Analyse der Familie geklärt werden, indem durch darauf aufbauende geographische Analysen das Ursprungsareal auf kontinentalem Niveau identifiziert wird. Mit Hilfe des morphologischen Merkmalskomplexes ließ sich keine aufgelöste Phylogeniehypothese erstellen. Da die geographischen Analysen eine voll aufgelöste Phylogenie erfordern, wurden sechs molekulare Marker ausgewählt (nucSSU, nucLSU, mtSSU, ITS, RPB2/7-11, β-Tubulin) und zunächst für je einen Vertreter von 37 der 43 umschriebenen Morphotaxa sequenziert. Die resultierenden Stammbäume der ML- und Bayes'schen Analysen waren unterschiedlich gut aufgelöst und untereinander dergestalt inkompatibel, dass unterschiedliche monophyletische Beziehungen unterstützt wurden. Außerdem wies das β-Tubulin-Gen eine paraloge Kopie auf. Durch Kompatibilitätstests ließen sich keine Teilmengen kongruenter Daten feststellen. Die dennoch durchgeführte kombinierte Analyse aller sechs Marker war vom phylogenetischen Signal des RPB2/7-11-Gens dominiert und ließ sich nicht durch geographische, morphologisch-anatomische oder ökologische Merkmale bestätigen. Zwei verschiedene Methoden zur Detektion von Rekombination ergaben nicht-übereinstimmende Signale nur in der nucLSU beziehungsweise in allen Markern außer der ITS. Von den Genen ITS und RPB2/7-11 wurden zusätzlich Sequenzen weiterer Peltulaceae-Individuen erzeugt und ML- und Bayes‘sche Analysen durchgeführt, in der die Vertreter von zwölf Morphospezies keine monophyletischen Einheiten bildeten. Die Suche nach phylogenetischen Spezies mittels der Konsensusmethode zeigte lediglich eine nicht-terminale Gruppierung unterschiedlicher Morphotaxa: die Vereinigung dreier durch eine peltate Wuchsform charakterisierte Spezies. Dieses Merkmal besitzen jedoch auch andere, in dieser Gruppierung nicht eingeschlossene Spezies. Die Monophylie der Peltulaceae wurde mit molekularen Daten bestätigt, die Stellung im System der Ascomyceten konnte jedoch nicht geklärt werden. Die Existenz der Gattungen Neoheppia und Phyllopeltula konnte mittels molekularer Marker nicht bestätigt werden. Sie werden als taxonomische Konsequenz mit dem älteren Gattungsnamen Peltula synonymisiert, womit die Familie monogenerisch wird. Die vorhandenen Inkongruenzen zwischen den molekularen Markern deuten auf genetisch nicht isolierte Taxa hin. Die Peltulaceae werden nun als ein Spezieskomplex mit bisher ungeklärter Spezieszahl gedeutet. Die morphologische Speziesumschreibung bedarf einer Neubewertung, da sie sich größtenteils nicht mit molekularen Daten bestätigen ließ. Die Klärung der Ausgangsfrage nach dem geographischen Ursprung der Peltulaceae muss die Überarbeitung der Speziesabgrenzungen abwarten.

Für alle Organismen ist es wichtig, sich gegen das Eindringen exogener DNA bzw. RNA wie z.B. Viren oder transposablen Elementen zur Wehr zu setzen um die Integrität ihres eigenen Genoms zu bewahren. Zudem müssen innerhalb eines Organismus oft ganze Genfamilien reguliert werden. Die RNA-Interferenz stellt ein optimales Mittel sowohl für die Abwehr exogener Nukleinsäuren, als auch für die Regulierung endogener Gene dazu bereit. Das Herzstück der RNAi stellen kleine regulatorische siRNAs dar, die Homologie-abhängig Reaktionen in einer Zelle hervorrufen können, wie z.B. das transkriptionelle oder das posttranskriptionelle Silencing. Bei dem Mechanismus der RNAi sind zudem mehrere Komponenten beteiligt um diese siRNAs zu synthetisieren, zu stabilisieren und zu ihrem Zielort zu bringen um dort das Silencing zu vermitteln. Dabei spielen die Enzyme Dicer und RNA abhängige RNA-Polymerasen eine wichtige Rolle in der Synthese. Argonauten, bzw. eine Unterklasse von ihnen, die Piwi-Proteine sind für das eigentliche Silencing des Zielgens wichtig und spielen, wie auch die 2´-O-Methyltransferase Hen1, eine Rolle in der Stabilisierung der siRNAs. In Paramecium tetraurelia weiß man, dass endogene Genfamilien, wie z.B. die Oberflächen-Antigene RNAi-vermittelt reguliert werden. Zudem ist bekannt, dass man RNAi-Mechanismen, die diesem endogenen Mechanismus ähneln, artifiziell durch das Einbringen einer doppelsträngigen RNA induzieren kann. Dies kann entweder durch das Verfüttern von Bakterien geschehen, die zur Synthese einer dsRNA in ihrem Inneren veranlasst werden und diese anreichern, oder durch die Injektion eines Transgens in den Makronukleus, dessen Transkript ebenfalls zu einer dsRNA umgesetzt wird. Der Fokus dieser Arbeit lag auf dem exogenen, durch ein injiziertes Transgen induzierten RNAi-Mechanismus in Paramecium tetraurelia und dessen genauere Charakterisierung. Dabei konnte gezeigt werden, dass dieser RNAi-Mechanismus eine Temperaturabhängigkeit aufweist, wie es auch für RNAi-Mechanismen in anderen Organismen beschrieben wurde. Im Rahmen dieser Arbeit konnte jedoch die Ursache diese Temperaturabhängigkeit nicht aufgeklärt werden. Dafür konnte gezeigt werden, dass zwei Klassen an siRNAs an diesem Mechanismus beteiligt sind. Es konnten neben den schon in der Literatur beschriebenen primären siRNAs auch sekundäre siRNAs nachgewiesen werden, deren Synthese von einer RdRP abhängig ist. Im Rahmen dieser Arbeit konnte der Schluss gezogen werden, das diese RdRP, die für die Synthese der sekundären siRNAs verantwortlich ist, das Homolog Rdr2 ist. Weiter konnte gezeigt werden, dass diese sekundären siRNAs Transitivität induzieren. Dies beschreibt die Amplifikation der siRNAs über das Ausgangsmolekül hinaus. Es konnte dargestellt werden, dass die sekundären siRNAs nicht von dem ursprünglichen Transgen synthetisiert, sondern vielmehr von einem homologen endogenen Transkript, einer mRNA, entstammen und somit als transitiv angesehen werden können. Ferner konnte gezeigt werden, dass die Nukleotidyltransferase Cid2 ebenfalls in die Akkumulation dieser sekundären siRNAs involviert ist. Es konnte der Schluss gezogen werden, dass dieses Cid2 in einem Komplex mit Rdr2 vorliegt und das Template zur Generierung der sekundären siRNAs stabilisiert und so für Rdr2 zugänglich macht. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit war die detailliertere Untersuchung der spezifischen Stabilisierung beider siRNA-Klassen. Dabei konnte gezeigt werden, dass mehrere Piwi-Proteine in den Transgen-induzierten Mechanismus involviert sind. Die Paramecium spezifischen Piwis Ptiwi 8, Ptiwi 13 und Ptiwi 14 spielen dabei eine Rolle. Im Rahmen der durchgeführten Analysen konnte gezeigt werden, dass die Ptiwis 8 und 14 in die Akkumulation und damit in die Stabilisierung beider siRNA-Klassen involviert sind. Allerdings scheint dieser Effekt eher auf dem Ptiwi14 zu beruhen. Für das Ptiwi 13 konnte vermutet werden, dass dieses eher in die Akkumulation und spezifischen Stabilisierung der sekundären siRNAs involviert ist. Auch konnte aufgezeigt werden, dass beide Klassen an Transgen-induzierten siRNAs eine Methylgruppe an ihrem 3´ Ende tragen, welche von der 2´-O-Methyltransferase Hen1 abhängig ist und ebenfalls der Stabilisierung der siRNAs dient. Zudem konnte vermutet werden, dass diese Methylierung bereits vor dem Binden der siRNAs an eines der Ptiwis stattfindet und davon unabhängig ist. Somit konnten Rückschlüsse auf den zeitlichen Verlauf des Transgen-induzierten RNAi-Mechanismus gezogen werden. Über eine Lokalisation dieses Hen1-Proteins konnte ferner gezeigt werden, dass dieses Protein in bzw. an den mit der Keimbahn assoziierten Mikronuklei und dem vegetativen Makronukleus aufzufinden ist. Die Methylierung der siRNAs findet somit in den Kernen statt. Dies lässt den Schluss zu, dass der Transgen-induzierte RNAi-Mechanismus neben der posttranskriptionellen Regulation auch eine transkriptionelle Genregulation direkt am Chromatin vermitteln kann.

In this study, 27 marine bacteria were screened for production of bioactive metabolites. Two strains from the surface of the soft coral Sinularia polydactyla, collected from the Red Sea, and three strains from different habitats in the North Sea were selected as a promising candidates for isolation of antimicrobial substances. A total of 50 compounds were isolated from the selected bacterial strains. From these metabolites 25 substances were known from natural sources, 10 substances were known as synthetic chemical and herein are reported as new natural products, and 13 metabolites are new. Two substances are still under elucidation. All new compounds were chemically and biologically characterized. Pseudoalteromonas sp. T268 produced simple phenol and oxindole derivatives. Production of homogentisic acid and WZ 268S-6 from this bacteria was affected by the salinity stress. WZ 268S-6 shows antimicrobial and cytotoxic activities. Its target is still unclear. Isolation of isatin from this strain points out for the possibility of using this substance as a chemotaxonomical marker for Alteromonas-like bacteria. A large number of nitro-substituted aromatic compounds were isolated from both Salegentibacter sp. T436 and Vibrio sp. WMBA1-4. They may be derived from metabolism of phenylalanine or tyrosine. From Salegentibacter sp. T436, 24 compounds were isolated, of which four compounds are new and six compounds were known as synthetic chemicals. WZ 436S-16 (dinitro-β-styrene) is the most potent antimicrobial and cytotoxic compound. It inhibits the oxygen uptake by N. coryli and causes apoptosis in the human promyelocytic leukaemia (HL-60 cells). From Vibrio sp. WMBA1-4, 13 new alkaloids were isolated, of which four were known as synthetic products and herein are reported as new substances from natural sources. The majority of these compounds show antimicrobial and cytotoxic activities. The cytotoxic activity of WMB4S-11 against the mouse lymphocytic leukaemia (L1210 cells) is due to the inhibition in the protein biosynthesis, while the remaining cytotoxic alkaloids have no effect on the synthesis of macromolecules in this cell line. The antibacterial activity of WMB4S-2, -11, -12, -13 and the antifungal activity of WMB4S-9 are not due to the inhibition in the macromolecules biosynthesis or in the oxygen uptake by the microorganisms. The biological activity of these nitro-aromatic compounds from Salegentibacter sp. T436 and Vibrio sp. WMBA1-4 is influenced by the presence of a nitro group and its position in respect to the hydroxyl group, number of the nitro groups, and the type of substitutions on the side chain. In diaryl-maleimide derivatives, types and position of substitution on the aryl rings, on the maleimide moity, and the hydrophobicity of the aryl ring itself lead to variations in the extent of the bioactivity of these derivatives. This is the first time that vibrindole (WMB4S-14) and turbomycin B or its noncationic form (WMB4S-15), isolated from Vibrio sp., are reported as cytotoxic compounds. WMB4S-15 inhibits the biosynthesis of macromolecules in L1210 cells. The structural similarity between some of the metabolites in this study and previously reported compounds from sponges, ascidians, and bryozoan indicates that the microbial origin of these compounds must be considered.

Whole genome duplication (WGD) is commonly accepted as an intermediate state between healthy cells and aneuploid cancer cells. Usually, cells after WGD get removed from the replicating pool by p53-dependent cell cycle arrest or apoptosis. Cells, which are able to bypass these mechanisms exhibit chromosomal instability (CIN) and DNA damage, promoting the formation of highly aneuploid karyotypes. In general, WGD favors several detrimental consequences such as increased drug resistance, transformation and metastasis formation. Therefore, it is of special interest to investigate the limiting factors and consequences of tetraploid proliferation as well as the adaptations to WGD. In the past it has been difficult to study the consequences of such large-scale genomic changes and how cells adapt to tetraploidy in order to survive. Our lab established protocols to generate tetraploids as well as isolated post-tetraploid/aneuploid single cells clones derived from euploid parental cell lines after induction of cytokinesis failure. This system enables to study the consequences and adaptations of WGD in newly generated tetraploid cells and evolved post-tetraploid clones in comparison to their isogenic parental cell line. Using newly generated tetraploids from HCT116 cells, we identified USP28 and SPINT2 as novel factors limiting the proliferation after WGD. Using mass spectrometry and immunoprecipitation, we revealed an interaction between USP28 and NuMA1 upon WGD, which affects centrosome coalescence of supernumerary centrosomes, an important process that enhances survival of tetraploids. Furthermore, we validated the occurrence of DNA damage in tetraploid cells and found that USP28 depletion diminished the DNA damage dependent checkpoint activation. SPINT2 influences the proliferation after WGD by regulating the transcription of CDKN1A via histone acetylation. Following proliferating tetraploid cells, we confirmed the activation of the DNA damage response (DDR) by immunoblotting and microscopic approaches. Furthermore, we show that the DDR in the arising post-tetraploid clones is reduced. Further experiments verified the appearance of severe mitotic aberrations, replication stress and accumulation of reactive oxygen species in newly generated tetraploids as well as in the aneuploid cancer cells contributing to the occurrence of DNA damage. Using various drug treatments, we observed an increased dependency on the spindle assembly checkpoint in aneuploid cancer cells compared to their diploid parental cell line. Additionally, siRNA knock down experiments revealed the kinesin motor protein KIF18A as an essential protein in aneuploid cells. Taken together, the results point out cellular consequences of proliferation after tetraploidization as well as the cellular adaptations needed to cope with the increased amount of DNA.

Botrytis cinerea, der Erreger der Graufäule, infiziert hunderte verschiedene Pflanzenspezies und verursacht weltweit enorme landwirtschaftliche Verluste. Dabei tötet er das Wirtsgewebe sehr schnell mithilfe lytischer Enzyme und Nekrose-induzierender Metaboliten und Proteine ab. Das Signal-Mucin Msb2 ist in B. cinerea, wie in anderen pathogenen Pilzen, wichtig für die Oberflächenerkennung, Differenzierung von Appressorien und die Penetration des Pflanzengewebes. Msb2 agiert oberhalb der BMP1 Pathogenitäts-MAPK-Kaskade. In dieser Studie konnte eine direkte Interaktion zwischen Msb2 und BMP1, sowie zwischen den beiden Sensorproteinen Msb2 und Sho1 nachgewiesen werden. Dennoch führte die Deletion von sho1 lediglich zu geringfügigen Defekten im Wachstum, der Hyphendifferenzierung und der Bildung von Infektionsstrukturen. Sho1 zeigte nur einen geringen Einfluss auf die Aktivierung von BMP1. Das Fehlen von Sho1 verursachte keine Virulenzdefekte, während der Doppel-KO von msb2 und sho1 zu einer stärkeren Reduzierung der Läsionsausbreitung im Vergleich zu msb2 Mutanten führte. Es wurden mehrere keimungsregulierte, BMP1 abhängige Gene deletiert und die Mutanten phänotypisch charakterisiert. Keines der Gene für lytische Enzyme oder putative Effektorproteine beeinflusste die Virulenz. Mutanten, denen das für ein Ankyrin-repeat Protein codierende arp1 Gen fehlt, zeigten eine gestörte Oberflächenerkennung, gravierende Wachstumsdefekte und reduzierte Virulenz. B. cinerea VELVET-Mutanten sind in der lichtabhängigen Differenzierung und der Ausbreitung nekrotischer Läsionen beeinträchtigt. In dieser Arbeit ermöglichte die Charakterisierung mehrerer Mutanten ein besseres Verständnis der molekularen Vorgänge, aufgrund derer der VELVET-Komplex die Entwicklung und Pathogenese in B. cinerea reguliert. Quantitative Vergleiche der in planta Transkriptome und Sekretome führten zur Identifizierung eines für drei VELVET-Mutanten gemeinsamen Sets an herunterregulierten Genen, welche für CAZymes, Proteasen und Virulenz-assoziierte Proteine codieren. Die meisten dieser Gene wurden zusätzlich im Wildtyp während der Infektion verstärkt exprimiert, was zusätzliche Hinweise auf deren Relevanz im Infektionsprozess lieferte. Die drastisch verringerte Expression von Genen für Proteasen konnte mit niedrigerer Proteaseaktivität und der unvollständigen Mazeration des Gewebes an der Infektionsstelle in Verbindung gebracht werden. Der neu etablierte quantitative Sekretom-Vergleich des Wildtyps und der VELVET-Mutanten mithilfe 15N-markierter Proteine korrelierte eindeutig mit den Transkriptomdaten sekretierter Proteine. Damit wurde gezeigt, dass die Abundanz der Proteine maßgeblich von deren mRNA-Level abhängt. Die Unfähigkeit zur Ansäuerung des Wirtsgewebes ist einer der interessantesten phänotypischen Aspekte der VELVET-Mutanten. Während Citrat die dominierende von B. cinerea ausgeschiedene Säure ist, sekretierten VELVET-Mutanten deutlich weniger Citrat. Weder für Oxalat noch für Gluconat konnte eine wichtige Rolle während der Infektion bestätigt werden. Die Läsionsausbreitung der Mutanten wurde sowohl durch Zugabe von Vollmedium, als auch durch künstlich konstant niedrig eingestellte pH-Werte an den Infektionsstellen gefördert, während die Einstellung auf neutrale pH-Werte die Expansion beim B. cinerea Wildtyp stark beeinträchtigte. Damit ist die Ansäuerung in Tomatenblättern ein wichtiger Virulenzmechanismus, der möglicherweise essentiell für die Aktivität der sekretierten Proteine ist. Überraschenderweise scheint eine Ansäuerung des Gewebes für die erfolgreiche Infektion der Ackerbohne Vicia faba nicht notwendig zu sein. Weder B. cinerea noch der am nächsten verwandte Botrytis fabae, welcher sich als Spezialist auf V. faba aggressiver verhält, zeigten während der erfolgreichen Infektion eine Ansäuerung des Ackerbohnenblattgewebes. B. fabae ist auf wenige Wirtspflanzen der Fabaceae begrenzt. Die Grundlagen der Wirtsspezifität sind bisher unklar. Vergleichende Transkriptom- und Sekretom-Analysen ergaben Hinweise für die molekularen Ursachen der unterschiedlichen Wirtsspektren von B. cinerea und B. fabae. In dieser Arbeit konnte die schlechte Infektion durch B. fabae auf Tomatenblättern mit einer deutlich niedrigeren Proteaseaktivität in Verbindung gebracht werden, während artifiziell konstant niedrige pH-Werte die Läsionsausbreitung kaum förderten. Im Gegensatz zur Infektion von Tomatenblättern wurden jedoch auf V. faba insgesamt deutlich niedrigere Proteaseaktivitäten in den Sekretomen beider Spezies gemessen. Diese Daten weisen darauf hin, dass die beiden Spezies nicht nur generell unterschiedliche Infektionsstrategien anwenden, sondern dass die Virulenzmechanismen zusätzlich vom infizierten Pflanzengewebe abhängig sind.

Die Entwicklung von beta-Laktam-Resistenz in dem Pathogen Streptococcus pneumoniae (S. pneu-moniae) stellt einen komplexen Prozess dar, welcher auf einer Modifikation der Penicillin-Bindeproteine (PBP), der Targetstrukturen von beta-Laktam-Antibiotika beruht. PBP sind Membran-gebundene Enzyme, welche essentielle Reaktionen bei der bakteriellen Zellwand-Synthese katalysieren. Diese Proteine werden im Zuge der Resistenzentstehung so verändert, dass beta-Laktame nicht mehr oder nur noch mit geringer Affinität gebunden werden, das physiologische Substrat aber noch erkannt werden muß. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem PBP2x von S. pneumoniae, das als essentielles PBP und wichtigste primäre Resistenzdeterminante einen hohen Stellenwert bei der Entstehung von beta-Laktam-Resistenz in diesem Organismus einnimmt. Obwohl dieses PBP zu den am besten untersuchten PBP gehört, bleiben die Resistenzrelevanz einzelner Punktmutationen und die mit der Veränderung des Proteins einhergehenden physiologischen Folgen für die Zelle weitgehend unklar. Zentraler Inhalt dieser Arbeit war die Untersuchung des Effekts von PBP2x-Mutationen auf die Resistenz, Funktionalität von PBP2x und Zellphysiologie im Kontext mit der sekundären Resistenzdeterminante PBP1a und den beiden Zwei-Komponenten-Systemen CiaRH, welches in die Cefotaxim-Resistenz, genetische Kompetenz und Virulenz involviert ist und ComDE, das die genetische Kompetenz reguliert. Besonderes Interesse galt dabei der Position Thr338, welche sich unmittelbar benachbart zum aktiven Serin befindet und in den meisten resistenten klinischen Isolaten zu Alanin, Prolin oder Glycin mutiert ist. Durch eine gerichtete Mutagenese dieser Position im Wildtyp R6 konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass eine Thr338-Punktmutation einen selektionierbaren Resistenz-Phänotyp in vivo vermittelt, wobei abhängig von dem jeweiligen Austausch unterschiedliche Resistenzniveaus und Kreuzresistenzspektren zu beobachten waren. Abgesehen von einem nur moderaten Beitrag zur Resistenz, betraf eine solche Substitution offenbar auch die Funktionalität von PBP2x, was sich auf dramatische Art und Weise in Abwesenheit eines intakten CiaRH-Regulationssystems äußerte: Es kam zu Wachstumsdefekten, insbesondere einer verfrühten und verstärkten Autolyse, morphologischen Aberrationen und einer verminderten Lebensfähigkeit. Entgegen aller Erwartungen führte die Präsens eines Mosaik-PBP1a in dem genetischen Hintergrund der Thr338-Mutation nicht zu einem weiteren Anstieg der Resistenz, sondern bewirkte sogar einen leichten Abfall. Dennoch komplementierte das Mosaik-PBP1a die durch das Fehlen eines funktionsfähigen CiaRH-Systems hervorgerufenen Wachstumsdefizienzen. Der Vergleich zwischen dem PBP2x mit Thr338-Punktmutation und einem Mosaik-PBP2x deckte gravierende Unterschiede im Hinblick auf das Resistenzpotential und die physiologischen Auswirkungen auf. Anders als bei der PBP2x-Punktmutation waren bei dem Mosaik-PBP2x fast keine Wachstumseinbußen zu verzeichnen, wenn es mit einem inaktiven Zwei-Komponenten-System CiaRH kombiniert wurde, und die Anwesenheit eines Mosaik-PBP1a brachte eine starke Erhöhung der Cefotaxim-Resistenz mit sich. Beiden pbp2x-Allelen war jedoch gemeinsam, dass die Abwesenheit eines PBP1a massive Defekte im Wachstum zur Folge hatte. Alle diese Beobachtungen deuteten auf eine mögliche Interaktion zwischen PBP2x und PBP1a hin. Die Analyse der Zellwand einer Mutante mit zwei PBP2x-Aminosäureaustauschen, von denen einer in resistenten klinischen Stämmen anzutreffen ist, ergab eine biochemisch modifizierte Zellwand, in der bei einem fast gleichbleibenden Anteil an verzweigten Dimeren, Monomere erhöht, und lineare Dimere und Trimere reduziert waren. Diese Befunde ließen auf eine enzymatische Beeinträchtigung dieses PBP2x schließen. Ein von CiaRH ausgehender Effekt konnte nicht festgestellt werden. Eine Inaktivierung des für den Export des Kompetenz-stimulierenden Peptids CSP verantwortlichen ABC-Transporters ComAB in Kombination mit einem nicht-funktionellen CiaRH-System bewirkte im Wildtyp eine vollständige, in PBP2x-Punktmutanten eine nur teilweise Aufhebung der vorzeitigen stationären Phase-Autolyse. Darüber hinaus machte sich bei einem der PBP2x-Derivate, welches zusätzlich über eine Cefotaxim-Resistenz-vermittelnde Aminosäuresubstitution in CiaH verfügte, bei ciaR-Inaktivierung sowohl ein Verlust der CiaH- als auch eine partielle Einbuße der PBP2x-Resistenz bemerkbar, bei comAB-Inaktivierung hingegen aber ausschließlich ersteres. Hieraus konnte zum einen auf einen direkten Bezug des Lyse-Phänotyps zu der Kompetenz und der CiaRH-Resistenz zu ComAB geschlossen werden, zum anderen auf einen CiaRH-unabhängigen Einfluss von PBP2x auf die Kompetenz und Autolyse. Tatsächlich bestätigte eine Bestimmung der Transformationseffizienz von Mutanten mit verschiedenen Konstellationen aus niederaffinen und unmodifizierten PBP, dass das Kompetenzmuster bzw. -ausmaß von der jeweiligen PBP-Ausstattung moduliert wird. Auch eine Microarray-basierte globale Transkriptomanalyse dieser Mutanten sowie spontan resistenter Labormutanten mit PBP2x- und CiaH-Mutationen suggerierte eine von CiaRH-entkoppelte Einflussnahme der PBP auf die Kompetenz. Zudem zeugten die Transkriptionsmuster von einem vielschichtigen Regulationsnetzwerk der Resistenzentwicklung unter Beteiligung von Kompetenz, Bakteriocinproduktion, Virulenz, Metabolismus, Transportprozessen und Energiestatus, was möglicherweise eine indirekte Folge einer gestörten Zellwand- und Membranintegrität darstellt. Durch die Extraktion von intergenen Bereichen, sowie potentiellen neuen Resistenzdeterminanten bzw. Resistenz-unterstützenden Genen, wie den Gen-Clustern spr1545-spr1549 und spr0096-spr0110 oder den Genen des Purinstoffwechsels wurde die Basis für weiterführende Untersuchungen geschaffen. Die hier vorgestellten Daten demonstrieren, dass der Erwerb von beta-Laktam-Resistenz nicht nur von Vorteil ist, sondern auch physiologische Konsequenzen für die Zelle hat, die sie kompensiert, um ein möglichst stabiles Wachstum zu gewährleisten. Über die Zellwand-Zusammensetzung und Kompetenz konnte erstmalig eine Verbindung von PBP2x zu CiaRH hergestellt werden. Eine konkrete kompensatorische Wirkung dieses Regulons hinsichtlich PBP2x-Mutationen wurde mit der Repression der Kompetenzlyse ausfindig gemacht. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde basierend auf einer früheren Veröffentlichung, in der eine Inaktivierung des Gens für das PBP2b von S. pneumoniae erfolglos blieb, erneut versucht, eine solche Mutante herzustellen. Obwohl lebensfähige Transformanten generiert werden konnten, war es nicht möglich eine pbp2b-Inaktivierungs- bzw. Deletionsmutante zu isolieren, sodass PBP2b in diesem Organismus weiterhin als essentielles Protein angesehen werden kann.