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The project aimed to investigate the evolution of B-GATAs in plants by performing phylogenetic analyses and generating gata mutants in M. polymorpha, P. patens, and A. thaliana. The research identified the acquisition of the HAN-domain during terrestrialization and revealed novel phenotypes for B-GATAs from A. thaliana in stem stability. The study also indicated the involvement of B-GATAs from P. patens in protonema formation and the protective role of B-GATAs from M. polymorpha and A. thaliana in high-light stress, suggesting evolutionary conservation., In diesem Projekts wurde die Evolution von B-GATAs in Pflanzen untersucht. Dafür wurden phylogenetische Analysen durchgeführt und gata-Mutanten in M. polymorpha, P. patens und A. thaliana erzeugt. Es wurde der Erwerb der HAN-Domäne während der Terrestrialisierung identifiziert und neue Phänotypen für B-GATAs aus A. thaliana in Bezug auf Stammstabilität gefunden. Die Studie deutete auf die Beteiligung von B-GATAs aus P. patens an der Protonemabildung und die schützende Rolle von B-GATAs aus M. polymorpha und A. thaliana bei Hochlichtstress hin, was eine evolutionäre Konservierung vermuten lässt.

Most drugs bind proteins and modulate their functions. Chemoproteomic methods allow to profile drugs for their binding affinity to thousands of proteins in a single experiment, enabling the identification of drug targets and the understanding of drug mode of action. Here, chemoproteomic technologies were developed to perform drug target deconvolution and selectivity profiling of over 50 HDAC inhibitors. Our results question claimed selectivities of widely-used inhibitors, identified MBLAC2 as common off-target, and uncovered HDACs as targets of the approved drug lipoic acid., Die meisten Wirkstoffe binden Proteine und modulieren deren Funktionen. Mit chemoproteomischen Methoden können Wirkstoffe in einem einzigen Experiment auf ihre Bindungsaffinität zu Tausenden von Proteinen hin geprüft werden, was die Identifizierung von Wirkstoff-Zielproteinen und das Verständnis der Wirkungsweise von Arzneimitteln ermöglicht. In dieser Arbeit wurden chemoproteomische Technologien entwickelt, um die Dekonvolution von Zielproteinen und die Erstellung von Selektivitätsprofilen von über 50 HDAC-Inhibitoren durchzuführen. Unsere Ergebnisse stellen die behaupteten Selektivitäten weit verbreiteter Inhibitoren in Frage, identifizierten MBLAC2 als häufiges Off-Target und deckten HDACs als Ziele des zugelassenen Medikaments Liponsäure auf.

Alternative splicing (AS) plays a major role in regulating the functional repertoire of the proteome. However, isoform-specific functions are often overlooked. Here, I first developed DIGGER, an isoform- and exon- specific interactions database. I further designed NEASE, a functional enrichment method that relies on protein interactions affected by AS rather than their genes. DIGGER and NEASE tools provide essential resources for studying the mechanistic consequences of AS in systems medicine., Das alternative Spleißen (AS) spielt eine wichtige Rolle bei der Erweiterung des Proteoms. Isoformspezifische Funktionen werden jedoch oft übersehen. Hier habe ich zunächst DIGGER entwickelt, eine isoformspezifische Interaktionsdatenbank. Außerdem habe ich NEASE entwickelt, eine funktionelle Anreicherungsmethode, die sich auf Proteininteraktionen stützt, die von AS betroffen sind, und nicht auf deren Gene. DIGGER und NEASE bieten wesentliche Ressourcen für die Untersuchung der Folgen von AS.

Agriculturally impacted lower-order steams are designed to efficiently drain water from agricultural fields. Despite their importance for agriculture, their reactivity towards surplus nitrogen loading is unclear. Results presented in this dissertation disentangle the controls of microbial nitrogen cycling in a streambed impacted by bidirectional water exchange. Findings indicated that such small streams have significant reactivity towards nitrate controlled by chemolithoautotrophic microbiota and water exchange fluxes., Landwirtschaftlich geprägte Fließgewässer niederer Ordnung dienen der effizienten Drainage von Wasser aus dem Feld. Trotz ihrer Bedeutung für die Landwirtschaft ist ihre Reaktivität auf Stickstoffeinträge noch unklar. Diese Dissertation entschlüsselt die Kontrollen des mikrobiellen Stickstoffkreislaufs in einem Bachbett, welches von bidirektionalem Wasseraustausch geprägt ist. Die Ergebnisse zeigen, dass solche Bäche eine signifikante Reaktivität gegenüber Nitrat aufweisen, welche von chemolithoautotrophen Mikroben und vom Wasseraustausch kontrolliert wird.

This dissertation elucidates a new role of the Arabidopsis thaliana GATA factors GNC and GNL in the regulation of starch metabolism. In cells of dark-grown plants, GNC and GNL repress starch granule initiation and amyloplast differentiation, which in turn modulate the perception of gravity. At the whole-plant level GNC and GNL regulate starch granule growth and transitory starch degradation, which help balance between gravitropism and phototropism., Diese Dissertation zeigt die Rolle der GATA-Faktoren GNC und GNL von Arabidopsis thaliana bei der Regulierung des Stärkestoffwechsels. In Zellen von dunkel gewachsenen Pflanzen unterdrücken GNC und GNL die Bildung von Stärkekörnern und die Differenzierung von Amyloplasten, die wiederum die Wahrnehmung der Schwerkraft beeinflussen. Auf der Ebene der gesamten Pflanze regulieren GNC und GNL den transienten Stärkeabbau. Dies trägt zum Gleichgewicht zwischen Gravitropismus und Phototropismus bei.

Cell wall components and soluble metabolites were investigated for their resistance-inducing capacity in the model plant Arabidopsis thaliana. Here, the wall-associated protein BETA-D-XYLOSIDASE 4 promotes intra- and interplant communication involving metabolites of glycolytic metabolism and resistance to Pseudomonas syringae. The data suggests that cell walls and carbohydrates have important functions in modulating inducible resistance., Zellwandbestandteile und lösliche Metaboliten wurden in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana auf ihre resistenz-induzierende Wirkung untersucht. Das Wand-assoziierte Protein BETA-D-XYLOSIDASE 4 fördert dabei inner- und zwischenpflanzliche Kommunikation unter Einbeziehung von Metaboliten des glykolytischen Stoffwechsels und Resistenz gegen Pseudomonas syringae. Die Daten legen nahe, dass Zellwände und Kohlenhydrate wichtige Funktionen bei der Modulation der induzierbaren Resistenz haben.

Transmembrane proteins perform many essential tasks, including transport, signaling, regulation, and cell adhesion. Although they are very important and serve as targets for most drugs, only a minor fraction of known 3D protein structures represents transmembrane proteins. This dissertation presents a comprehensive overview over the membrane protein universe and the gradual evolution of methods designed to predict transmembrane proteins and their structural features., Transmembranproteine erledigen viele essentielle Aufgaben, einschließlich Transport, Signalisierung, Regulation, sowie Zelladhäsion. Obwohl sie sehr wichtig sind und als Zielstrukturen für die meisten Medikamente dienen, stellt nur ein kleiner Teil der bekannten 3D-Strukturen Transmembranproteine dar. Diese Dissertation gibt einen umfassenden Überblick über Transmembranproteine und die schrittweise Weiterentwicklung von Methoden zur Vorhersage dieser und deren strukturellen Merkmalen.

Unter definierten Bedingungen wurde mit einem synthetischen Medium eine kontinuierliche anaerobe Cellulosevergärung etabliert und mit diesem System der Einfluss von zugesetzten Kohlenhydraten auf den Celluloseabbau untersucht. Durch Modifikation eines potentiellen Elicitors sollte die biologische Abbaubarkeit verringert und die Verweilzeit im Fermenter erhöht werden. Zum besseren Verständnis wurde die Population der cellulolytischen Leitspezies mittels einer qPCR-Methode begleitend ermittelt., Under defined conditions, a continuous anaerobic cellulose fermentation was established with a synthetic medium and with this system the influence of added carbohydrates on cellulose degradation was investigated. By modifying a potential elicitor, the biodegradability should be reduced and the retention time in the fermenter increased. For a better insight, the population of the cellulolytic lead species was determined concomitantly by means of a qPCR method.

This thesis addresses the relation between land use transition phases and the supply of ecosystem services and ecosystem service multifunctionality, additionally I evaluate the influence of the incentive-based forest conservation (IBFC) on ecosystem services and deforestation. Results show that logging activities reduce ecosystem services and multifunctionality. Successional forests could be the best option to recover ecosystem services. IBFC helps to maintain ecosystem services, reduces the loss of ecosystem services in logging areas, and reduces deforestation rates at the parish level., Diese Arbeit befasst sich mit dem Zusammenhang zwischen Landnutzungsstadien und der Bereitstellung von Ökosystemdienstleistungen und Multifunktionalität von Ökosystemdienstleistungen, zusätzlich bewerte ich den Einfluss des anreizbasierten Waldschutzes (IBFC) auf Ökosystemdienstleistungen und Entwaldung. Die Ergebnisse zeigen, dass Holzeinschlagsaktivitäten Ökosystemleistungen und Multifunktionalität reduzieren. Sukzessive Wälder könnten die beste Option sein, um Ökosystemdienstleistungen wiederherzustellen. IBFC trägt zur Aufrechterhaltung von Ökosystemdienstleistungen bei, reduziert den Verlust von Ökosystemdienstleistungen in Abholzungsgebieten und reduziert die Entwaldungsraten auf Gemeindeebene.

This study examined the effect of rare PDE5A variants on coronary artery disease risk from several genetic and pharmacological aspects. Our study provides evidence of a putative causal effect of PDE5A overexpression on coronary artery disease and myocardial infarction. Furthermore, these findings vigorously promote PDE5 inhibition as a promising strategy to encounter coronary artery disease. However, this remains to be studied., Im Rahmen dieser Studie wurde genetisch und pharmakologisch untersucht, wie sich das Tragen seltener PDE5A Varianten auf das Risiko für koronare Herzerkrankungen auswirkt. In diesem Zusammenhang konnten wir einen mutmaßlich kausalen Zusammenhang zwischen einer PDE5A Überexpression und einem erhöhtem Risiko für koronare Herzerkrankungen feststellen. Diese Erkenntnisse erwecken den Eindruck, dass die Anwendung eines PDE5-Hemmers bei koronaren Herzerkrankungen von großem Nutzen sein könnte, was jedoch weiterer Untersuchungen bedarf.

The aim of this study is to examine the theoretical foundation of OLGs regarding their importance for early life, possible functions and the difficulty of creating OLGs. Due to the similarity between the conservation of alternative reading frames, a toy model of sequence space exploration is studied to determine the tradeoff between sequence conservation and coding flexibility. The difficulty of evolving OLGs is estimated by studying artificially created OLGs., In dieser Dissertation wird die Bedeutung von überlappenden Genen (OLGs) bezüglich des Ursprungs des Lebens, möglicher biologischer Funktionen und ihrer evolutiven Entstehung erforscht. Auf Grund der Ähnlichkeit der Konservierung verschiedener Leserahmen wird ein Modell zur Analyse des Sequenzraums entwickelt, um die Balance zwischen Konservierung und Flexibilität zu beschreiben. Durch die Analyse von künstlich erzeugten OLGs wird die Schwierigkeit der Entstehung von OLGs abgeschätzt.

Human endogenous retroviruses (HERVs) are the remnants of ancient exogenous retroviruses infecting the human germline cells and remaining in the genome. This dissertation discusses HERV activities and their interactions with the host in pathological contexts. We detected a close relationship between HERV activities and cell anti-viral immune response. And we also identified that the reactivation of HERV-K elements could disrupt cortical neuron development by inducing the overexpression of the NTRK3 gene., Humane endogene Retroviren (HERVs) sind die Überreste alter exogener Retroviren, die die menschlichen Keimzellen infizieren und im Genom verbleiben. Diese Dissertation beschäftigt sich mit HERV-Aktivitäten und deren Interaktionen mit dem Wirt in pathologischen Kontexten. Wir konnten einen engen Zusammenhang zwischen HERV-Aktivitäten und antiviraler Immunantwort der Zellen feststellen. Und wir identifizierten auch, dass die Reaktivierung von HERV-K Elementen die Entwicklung von kortikalen Neuronen stören könnte, indem die Überexpression des NTRK3 Gens induziert wird.

NTCP serves as species-specific key factor for HBV entry. Identification of suitable animal NTCP may allow discovering potential HBV animal models. In this study, we identified NTCP from rabbits, cats and horses as suitable to allow HBV binding and uptake. Of note, HBV infection was increased by expressing horse instead of human NTCP on HepG2 and AML12 cells. Thus, horse NTCP may allow to create new in vitro and in vivo models of HBV infection and help to clarify NTCPs mode of action during HBV entry., NTCP dient als spezies-spezifischer Schlüsselfaktor für die Bindung des HBV an Leberzellen. Die Identifikation geeigneter NTCP aus dem Tierreich sollte helfen, neue Infektionsmodelle zu generieren. In dieser Arbeit wurden Kaninchen-, Katzen- und Pferde-NTCP als Kandidaten für eine HBV-Infektion identifiziert. Nach Expression des NTCP vom Pferd in permissiven Zellen war eine HBV Infektion effizienter als mit dem humanen Analog, was es zu einem vielversprechenden Protein macht, um in vitro als auch in vivo Modelle zu schaffen.

Mature spruce and beech were exposed to five drought and three recovery years in the KROOF experiment. Compared to beech showing only stomatal regulation, spruce more strongly reduced their water use by stronger stomatal control together with a reduction in total leaf area. After drought release, spruce fully recovered C transport speed and preferentially allocated recent and stored C to regrow their fine roots. Whole-tree C uptake and water use of spruce did not fully recover in contrast to beech due to slow recovery of leaf area, which, however, may be advantageous during next drought., Adulte Fichten und Buchen wurden fünf Dürre- und drei Erholungsjahren ausgesetzt. Die Fichte reduzierte, im Vergleich zur nur stomatär regulierten Buche, den Wasserverbrauch stärker durch stärkere stomatäre Kontrolle zusammen mit Abnahme der gesamten Blattfläche. Die Fichte erholte sich vollständig in der C Transportgeschwindigkeit und allozierte den neuen und gespeicherten C bevorzugt zum Feinwurzelzuwachs. Der gesamte Wasserverbrauch der Fichte pendelte sich im Gegensatz zur Buche nicht vollständig ein, was jedoch bei der nächsten Trockenheit von Vorteil sein könnte.

Die Isoprenyldiphosphatsynthase PcIDS1 aus dem Blattkäfer Phaedon cochleariae weist eine metallabhängige Regulation auf. Eine kristallographische und biophysikalische Studie konnte aufdecken, wie Dimersymmetrie und allosterische Regulation das Produktspektrum während der Insektenentwicklung beeinflussen. In Cyanobakterien der Spezies Scytonema findet sich die Merosterolsäure-Synthase MstE, die eine untypische Einzeldomänenarchitektur aufweist. Durch Komplexstrukturen konnte der Reaktionsmechanismus der Zyklisierungskaskade aufgeklärt werden., The isoprenyl diphosphate synthase PcIDS1 from the leaf beetle Phaedon cochleariae exhibits metal-dependent regulation. A crystallographic and biophysical study revealed how dimer symmetry and allosteric regulation influence the product spectrum during insect development. In cyanobacteria of the species Scytonema, the merosterolic acid synthase MstE is found to have an atypical single domain architecture. Complex structures were used to elucidate the reaction mechanism of the cyclization cascade.

Cholera is an infectious disease caused by the pathogenic Vibrio cholerae bacteria. The transmission dynamics for the disease span multiple interconnected scales, making it challenging for traditional single-scale immunological or epidemiological models to capture the disease dynamics. In this thesis, we develop multi-scale models to study the transmission dynamics of cholera., Cholera ist eine Infektionskrankheit welche durch das pathogene Bakterium Vibrio cholerae verursacht wird. Die Übertragungsdynamik der Krankheit erstreckt sich über mehrere miteinander verknüpfte Skalen. Daher gestaltet sich die Erfassung der Krankheitsdynamik durch herkömmliche immunologische oder epidemiologische Modelle basierend auf einer einzigen Skala als schwierig. In dieser Arbeit entwickeln wir Multiskalenmodelle zur Untersuchung der Übertragungsdynamik von Cholera.

Classical non-shivering thermogenesis enabled by uncoupling protein 1 (UCP1) in brown adipose tissue is activated but not essential for survival in the cold. It has long been suspected that futile ATP-consuming substrate cycles contribute to thermogenesis and can partially compensate for the genetic ablation of UCP1 in mouse models. In the present work, different UCP1-independent thermogenic pathways in brown adipocytes of UCP1-knockout mice were explored and their contribution to cellular heat production was investigated., Die klassische zitterfreie Thermogenese, die durch das Entkopplungsprotein 1 (UCP1) im braunen Fettgewebe vermittelt wird, ist in der Kälte aktiv aber nicht überlebenswichtig. Es wird seit langem vermutet, dass ATP-verbrauchende Substratzyklen zur Thermogenese beitragen und die genetische Ablation von UCP1 in Mausmodellen teilweise kompensieren können. In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene UCP1-unabhängige wärmegenerierende Mechanismen in braunen Adipozyten von UCP1-Knockout-Mäusen erforscht und ihr Beitrag zur zellulären Wärmeproduktion untersucht.

This present work provides comprehensive NMR structural and functional insights into the membrane porin OEP21 in chloroplasts. It was shown that the interaction and transport of metabolites depend on their electrostatic properties. Furthermore, Tic40 from chloroplasts was structurally studied by NMR and thus the difference in fertility of plants carrying two different Tic40 variants could be better understood., Diese vorliegende Arbeit liefert umfassende NMR-strukturelle und funktionelle Erkenntnisse über das Membran-Porin OEP21 in Chloroplasten. Es konnte gezeigt werden, dass die Interaktion und der Transport von Metaboliten von deren elektrostatischen Eigenschaften abhängen. Des weiteren wurde Tic40 aus Chloroplasten mit NMR strukturell untersucht und damit konnte der Unterschied in der Fertilität von Pflanzen, welche zwei verschiedene Tic40 Varianten tragen, besser verstanden werden.

Mutations in tumour suppressor or proto-oncogenes initiate tumorigenesis in a tissue depended context. What determines tissue specificity or diseases severity in individual patients is often unknown. Using a porcine model for inherited TP53 mutations, the molecular basis for the limited tumour spectrum could be determined as well as secondary driver mutations and important species depending difference in TP53 expression. In a model for familial adenomatous polyposis the cause of disease variability between siblings with an identical mutation in the tumour suppressor gene APC could be elucidated., Mutationen in Tumorsuppressoren oder Proto-Onkogenen lösen die Tumorentstehung in einem gewebeabhängigen Kontext aus. Was die Gewebespezifität oder den Schweregrad der Erkrankung bei einzelnen Patienten bestimmt, ist oft unbekannt. Anhand eines Schweinemodells für vererbte TP53-Mutationen konnten die molekularen Grundlagen für das begrenzte Tumorspektrum sowie sekundäre Treibermutationen und wichtige speziesabhängige Unterschiede in der TP53-Expression identifiziert werden. In einem Modell für familiäre adenomatöse Polyposis wurde die Ursache der Krankheitsvariabilität zwischen Geschwistern mit identischer Mutation im Tumorsuppressorgen APC aufgeklärt.

Die Cellulosesynthese in Essigsäurebakterien wie in Komagataeibacter hansenii-Stämmen dient als Modell für die Untersuchung der allgemeinen Enzymologie der Cellulosesynthese. In dieser Arbeit wurden markerfreie in-frame Deletionen der Gene der Cellulose-Sythasen (bcsAB1, bcsAB2, bcsAB3) hergestellt. Sowohl Einzel- als auch Doppeldeletionen dieser Gene wurden verwendet, um den individuellen Beitrag des/der verbliebenen Cellulose-Synthase-Gens/Gene sowie deren kombinierte Funktion zu ermitteln., Cellulose synthesis in acetic acid bacteria like Komagataeibacter hansenii strains serves as a model to study the general enzymology of cellulose synthesis. During this study, markerless in-frame deletions of the genes for cellulose synthases (bcsAB1, bcsAB2, bcsAB3) were constructed. Single as well as double deletions were used to assess the individual contribution of the remaining cellulose synthase genes and their combined function.

In dieser Arbeit werden die sHsps Sip1 und Hsp17 aus C. elegans mittels Cryo-TEM charakterisiert. In Sip1 konnte ein möglicher domain-swap und ein konformationeller Schalter identifiziert werden. Die Struktur des Hsp17 24mers zeigt eine neuartige Domänenorganisation, in der 12 flexible N-terminale Regionen nach außen gewandt und die Übrigen an stabilisierenden Interaktionen im inneren des Oligomers beteiligt sind., In this work, the sHsps Sip1 and Hsp17 from C. elegans are characterized by cryo-TEM. In Sip1, a possible domain-swap and a conformational switch could be identified. The structure of the Hsp17 24mer shows a novel domain organization in which 12 flexible N-terminal regions are outward facing and the remainder are involved in stabilizing interactions inside the oligomer.

The study aimed at observing the diversity and composition of bacteria associated with the bulk soil, rhizosphere and root endosphere of Dactylis glomerata L. in response to LUI. Different sampling seasons allowed the investigation of the influence of LUI during different plant developmental stages (vegetative, reproductive, and senescence stage), the description of LUI-dependent core microbiomes and the subsequent identification of potential key bacterial players within the plant holobiont., Die Studie zielt darauf ab, die Vielfalt und Zusammensetzung der Bakterien im Boden, Rhizosphäre und Wurzelendosphäre von Dactylis glomerata L. zu analysieren und die Reaktion auf LUI zu beobachten. Die über verschiedenen Jahreszeiten verteilten Probenahmen ermöglichten die Untersuchung des Einflusses von LUI während verschiedener Entwicklungsstadien der Pflanze, die Beschreibung von LUI-abhängigem Kernmikrobiomen und die Identifizierung potenzieller bakterieller Schlüsselakteure innerhalb des Pflanzenholobionts.

Alternative Splicing (AS) gives rise to a diversity of proteins from a gene by editing RNA and reshuffling the protein coding sequences. This thesis presents 3 new tools to the study of AS: ASimulatoR, a RNA-Seq simulator for gold standard datasets; DICAST a modular framework for benchmarking AS-event detection and RNA-Seq alignment tools and DASiRe, a web-tool to integrate RNA-Seq and ChIP-Seq data to identify proteins involved in splicing., Durch Alternatives Spleißen (AS) entsteht eine Vielfalt von Proteinen aus einem Gen, indem die RNA geschnitten und die proteinkodierenden Sequenzen neu angeordnet werden. In dieser Arbeit werden drei neue Werkzeuge für die Untersuchung von AS vorgestellt: ASimulatoR, ein RNA-Seq-Simulator für Goldstandard-Datensätze; DICAST, ein modularer Rahmen für das Benchmarking von AS-Ereigniserkennung und RNA-Seq-Alignment-Tools und DASiRe, ein Web-Tool zur Integration von RNA-Seq- und ChIP-Seq-Daten zur Identifizierung von Proteinen, die am Spleißen beteiligt sind. Übersetzt mit www.DeepL.com/Translator (kostenlose Version)

Diatoms are among the most important primary producers in mountain lakes. However, the variables and mechanisms that govern the different aspects of diatom diversity are still poorly understood. Thus, this thesis investigated the patterns of sedimentary, littoral and planktic diatom diversity in 43 Tyrolian and Bavarian mountain lakes. Water temperature, nutrient level, spatial descriptors and species interactions governed diatom diversity. Community shifts could be mostly explained by direct human impacts., Diatomeen gehören zu den wichtigsten Primärproduzenten in Bergseen. Bestimmende Variablen und Mechanismen der verschiedenen Aspekte ihrer Diversität sind jedoch erst wenig erforscht. In dieser Dissertation wurden daher die Diversitätsmuster von Sedimentären, Litoralen und Planktischen Diatomeen in 43 Bergseen in Tirol und Bayern untersucht. Wassertemperatur, Nährstoffgehalt, räumliche Faktoren und ökologische Interaktionen bestimmten deren Diversität. Veränderungen der Artgemeinschaften ließen sich vor allem durch direkte menschliche Eingriffe erklären.

Increased lactate dehydrogenase (LDH) activity, elevated levels of lactate in the tumor microenvironment and overexpression of heat shock proteins can mediate radioresistance of cancer cells. In this study, I aimed to investigate the relationship of LDH and the cellular stress response with respect to radiation resistance. My results showed that the lactate metabolism and heat shock response are co-regulated in two different tumor cell systems and as a functional consequence the radiosensitivity of cancer cells was significantly enhanced by inhibiting lactate metabolism., Strahlenresistenz von Krebszellen kann durch eine erhöhte Laktatdehydrogenase Aktivität, erhöhte Laktat Konzentrationen und eine Überexpression von Hitzeschockproteinen verursacht werden. In meiner Promotion untersuchte ich, inwieweit Strahlenresistenz durch einen Eingriff in den Laktatmetabolismus der Krebszellen überwunden werden kann. Meine Daten zeigten, dass der Laktatstoffwechsel und die Stressantwort in Tumorzellen co-reguliert werden und dass als Konsequenz die Strahlensensitivität von Krebszellen durch Hemmung des Laktatstoffwechsels erhöht wurde.

Androgens play an important role in sexual development in most vertebrates. They interact via binding to the androgen receptor (AR), leading to a direct change in gene expression. Herein we have generated androgen-receptor knock-out chickens and described their phenotype. The homozygous knock-out chickens lacked signs of secondary sex dimorphism and were infertile. Moreover, we have established methods for the generation of androgen receptor reporter chicken lines in order to visualize the androgen receptor in vivo without the need of antibodies., Androgene spielen eine wichtige Rolle in der Geschlechtsentwicklung der meisten Wirbeltiere. Sie interagieren über die Bindung an den Androgen Rezeptor (AR), was zu einer direkten Veränderung der Genexpression führt. In dieser Arbeit wurden AR knock-out Hühner generiert und deren Phänotyp beschrieben. Die homozygoten Knock-out-Hühnern zeigten keinen sekundären Geschlechtsdimorphismus und waren unfruchtbar. Darüber hinaus haben wir Methoden für die Generierung von Androgen-Rezeptor-Reporter-Hühnerlinien etabliert, um den Androgen-Rezeptor in vivo ohne den Einsatz von Antikörpern zu visualisieren.

Although the chicken has been used for the study of the avian auditory system, its sound localization accuracy and neural representation of auditory space were still unexplored. My behavioral study shows a relatively good localization accuracy in azimuth and the impact of head movements in improving sound localization. My electrophysiological study shows that two areas of the midbrain represent different portions of the auditory space, with interesting implications for multimodal integration., Obwohl das Huhn für die Untersuchung des Gehörs von Vögeln verwendet wurde, waren die Genauigkeit der Schalllokalisierung und die neuronale Repräsentation des auditorischen Raums noch unerforscht. Meine Verhaltensstudie zeigt eine relativ gute Lokalisierungsgenauigkeit im Azimut und den Einfluss von Kopfbewegungen zur Verbesserung der Schalllokalisierung. Meine elektrophysiologische Studie zeigt, dass zwei Bereiche des Mittelhirns unterschiedliche Teile des auditorischen Raums repräsentieren, mit interessanten Implikationen für die multimodale Integration.

This cumulative thesis proves the potential for multimodal spatial metabolomics in clinical and preclinical settings by including four publications. The presented work reveals the methodological requirements for multimodal spatial metabolomics and applies the method to improve diagnosis and understanding of changes in cancer metabolism. This thesis makes a significant contribution to the applicability of spatial metabolomics in clinical diagnostics and preclinical research., Diese kumulative Dissertation beweist mit vier Publikationen das Potenzial multimodaler, räumlich aufgelöster Metabolomik im klinischen und präklinischen Umfeld. Methodische Voraussetzungen werden präsentiert und anschließend zur Verbesserung der Diagnose und des Verständnisses von Krebsstoffwechselveränderungen angewandt. Die Arbeit leistet einen wichtigen Beitrag zur Anwendbarkeit räumlich aufgelöster Metabolomik in der klinischen Diagnostik und präklinischen Forschung.

Axonal transport of mitochondria is essential for neuronal energy supply and integrity. The aim of this thesis was to investigate the patterns of mitochondrial delivery in motoneurons with a new approach, using photo-transformable fluorescent proteins. To this end I characterized transgenic mice with the expression of different photo-transformable proteins in neuronal mitochondria and established pulse-chase experiments in acute nerve-muscle explants. With this technique I could show that mitochondrial turn-arounds in axons and immediate recirculation at synapses are rare., Axonaler Transport von Mitochondrien ist essentiell für die Energieversorgung und Integrität von Neuronen. Das Ziel dieser Arbeit war es, die Verteilungsmuster der Organellen in Motoneuronen mit Hilfe von photoaktivierbaren Proteinen zu erforschen. Dazu wurden transgene Mäuse, die spezifisch in neuronalen Mitochondrien verschiedene photoaktivierbare fluoreszente Proteine exprimieren, charakterisiert und für "pulse-chase" Experimente in Nerv-Muskel-Explantaten genutzt. Mit diesen Experimenten konnte gezeigt werden, dass Mitochondrien sehr selten innerhalb von Axonen oder nach Eintritt in die Synapse umkehren.

Single-cell omics assays provide molecular characterisations of cells. Immunology has stood out as a key application of these assays and molecular states of immune cell have been described in detail. However, mechanistic insights into diseases are often still incomplete. I addressed this limitation using interpretable machine learning models for single-cell immunology in population dynamics, antigen recognition, spatial data, sample and epigenetic variation, and automated analyses., In Einzelzell-Omics wird der molekularen Zustand von Zellen gemessen. Dies Methoden haben in Immunologie detaillierte Beschreibungen von Immunzellen hervorgebracht. Trotz diese Datenfülle gibt es viele offene Fragen zu Krankheitsmechanismen. Mit Bezug auf diese Fragen habe ich interpretierbaren Modellen des maschinellen Lernens in Populationsdynamik, Antigenerkennung, räumlichen Abhängigkeiten von Zellen, epigenetischer und experimenteller Variation, und in automatisierten Analysen entwickelt.

Synaptic changes underlying learning and memory are believed to be implemented by synaptic plasticity. I investigate the functional role of long-term plasticity at excitatory and, specifically, inhibitory synapses. I use computational and mathematical approaches to gain a mechanistic understanding of how plasticity shapes connectivity and activity in neuronal networks, and find that specifically inhibitory plasticity is an ideal control mechanism of excitatory activity and plasticity dynamics., Es wird allgemein angenommen, dass synaptische Plastizität, also die Änderung der Stärke von synaptischen Verbindungen, der unterliegende Mechanismus für Lernen und das Formen von Erinnerungen ist. Ich untersuche die funktionellen Eigenschaften von synaptischer Plastizität an exitatorischen und besonders inhibitorischen Synapsen auf Basis von Computersimulationen und mathematischen Methoden und zeige, dass inhibitorische Plastizität ein idealer Kontrollmechanismus von exitatorischen Dynamiken ist.

The thesis discusses the role of pathogen quiescence in epidemiology. Therefore, we built a SIQS model and found that the quiescence phase increases the time to extinction. By building a multi strains model we found that quiescence buffers the stochasticity of the system. Additionally, we developed a co-infections model and observed a new behavior, quiescence affecting the correlation between the strains. The thesis concludes with a discussion of the relevance of the conducted research., In dieser Arbeit wird die Rolle der Erreger-Ruhephase in der Epidemiologie erörtert. Dazu haben wir ein SIQS-Modell entwickelt und festgestellt, dass die Ruhephase die Zeit bis zum Aussterben verlängert. Durch das Bilden eines Multi-Stamm-Modells haben wir festgestellt, dass die Ruhephase die Stochastizität des Systems puffert. Darüber hinaus haben wir ein Modell für Koinfektionen entwickelt und ein neues Verhalten beobachtet: Die Ruhephase beeinflusst die Korrelation zwischen den Stämmen. Die Arbeit schließt mit einer Diskussion über die Relevanz der durchgeführten Forschung.

There is a significant gap between the very comprehensive and promising academic results for AI in healthcare and the low level of practical implementation. This thesis identifies and analyzes three key success factor categories, namely policy setting, medical and economic impact measurement, and technological implementation which shall contribute to an overall increased application of AI in healthcare., Es besteht eine Diskrepanz zwischen den sehr umfangreichen und vielversprechenden akademischen Forschungsergebnissen zu KI im Gesundheitswesen und der geringen praktischen Umsetzung. Diese Arbeit identifiziert und analysiert Erfolgsfaktoren, welche zu einer erhöhten Anwendung von KI im Gesundheitswesen führen sollen und fokussiert sich auf politische Rahmenbedingungen, medizinische und ökonomische Wirkungsmessung und die technologische Implementierung.

Predicting protein function and structure from sequence is one important challenge for computational biology. For nearly 3 decades, most approaches that took up on this challenge combined machine learning and evolutionary information (EI). Here, I introduced novel concepts from representation learning to protein sequences to bypass some of the limitations inherent to EI. The proposed solution rivals EI-based methods in their predictive performance while relying only on single protein sequences., Die Vorhersage von Proteinfunktion und -struktur ist eine der wichtigsten Herausforderungen für Bioinformatik. Seit 3 Jahrzehnten wird diese Aufgabe mit einer Kombination aus Machine Learning und Evolutionary Information (EI) gelöst. In dieser Dissertation übertrage ich Ideen von Representation Learning auf Proteinsequenzen. Dabei erreichen die vorgestellte Lösungen vergleichbare Performance benötigen dafür aber nur einzelne Proteinsequenzen wodurch inhärente Probleme von EI gelöst werden.

In this thesis, we investigated general principles of IL-12 family members with regard to their glycosylation pattern and in a further project intensified our research on the immunosuppressive IL-35 by a thorough investigation of its unique secretion mode and the resulting biological effects. Our results are an essential extension of our knowledge of this key cytokine family and may pave the way for the development of therapeutic approaches in the treatment of severe immune diseases., In dieser Arbeit wurden allgemeine Prinzipien der Interleukin 12 Familie im Hinblick auf ihr Glykosylierungsmuster und in einem zweiten Forschungsschwerpunkt der einzigartige Sekretionsmodus und die daraus resultierenden biologischen Folgen für IL-35 untersucht. Die hier abgeleiteten Erkenntnisse sind eine wichtige Wissenserweiterung zur Biogenese und Funktion einer zentralen menschlichen Zytokinfamilie und können in Zukunft einen spannenden Weg, hin zur Entwicklung von therapeutischen Ansätzen in der Behandlung von schweren Immunkrankheiten eröffnen.

Diese Arbeit identifiziert Tissue Inhibitor of Metalloproteinases-1 (TIMP-1) als immunregulatorisches Protein, das über seine C-terminale Domäne den CD63/ERK Signalweg aktiviert und so die Ausbildung von Neutrophil Extracellular Traps fördert. Des Weiteren aktiviert TIMP-1 über seine N-terminale Domäne den CD74/ZAP-70 Signalweg in B-Lymphomzellen. Damit kann TIMP-1 zur Klasse der Moonlighting Proteine gezählt werden, die verschiedene molekulare Funktionen über ein und dieselbe Domäne ausüben., This study identifies tissue inhibitor of metalloproteinases-1 (TIMP-1) as immunoregulatory protein, which triggers CD63/ERK signaling via its C-terminal domain, leading to formation of neutrophil extracellular traps. Furthermore, TIMP-1 activates CD74/ZAP-70 signaling in B-lymphoma cells via its N-terminal domain. Thus, TIMP-1 can be attributed to the class of moonlighting proteins, which trigger different molecular functions with one and the same domain.

Lipids are major constituents of biological membranes and are crucial for energy metabolism. This dissertation addresses a research gap regarding computational methods that integrate lipidomics data and biomedical workflows. It shows the untapped potential of lipids as an additional molecular dimension in unraveling metabolic mechanisms. As a result, markers of non-alcoholic fatty liver disease progression were identified. Further, contributions to computational drug repurposing are presented., Lipide sind Hauptbestandteile biologischer Membranen und essenziell für den Energiestoffwechsel. Diese Dissertation adressiert eine Forschungslücke in der Integration von Lipidomik in biomedizinischen Datenanalysen. Das ungenutzte Potential von Lipiden als zusätzliche molekulare Dimension zum entschlüsseln metabolischer Mechanismen wird aufgezeigt. Dabei wurden Marker der nichalkoholischen Fettleberkrankheit identifiziert. Zusätzlich werden Beiträge zur medikamentösen Neuindikation vorgestellt.

Longitudinal data presents various challenges depending on the desired outcome. In this work, for two areas, survival analysis and count models, we have shown how analyses must be adjusted to account for multiple outcomes, select appropriate covariates, and derive predictions. This is demonstrated for the survival after kidney transplantation and for count measures associated with the COVID-19 pandemic., Zeitaufgelöste Daten stellen je nach Zielvariable unterschiedliche Herausforderungen dar. In dieser Arbeit haben wir für zwei Bereiche, Überlebensanalysen und Zählmodelle, gezeigt, wie Analysen angepasst werden müssen, um mehrere Zielvariablen zu berücksichtigen, geeignete Kovariaten auszuwählen und Vorhersagen abzuleiten. Dies wird anhand von Überlebenszahlen nach einer Nierentransplantation und von Häufigkeitsmessungen im Zusammenhang mit der COVID-19-Pandemie demonstriert.

The aim of this thesis was to evaluate the monoacylglycerol lipase (MGLL) in adipocytes as a potential drug target for the treatment of obesity and type 2 diabetes (T2D). For this purpose, a fat tissue specific knockout mouse model with diet induced obesity was characterized. The diet had significant impact on body composition, metabolism, and inflammation. The knockout only resulted in mild effects in severely obese male mice. These results exclude adipocyte MGLL as a drug target in obesity or T2D., Ziel dieser Arbeit war es, die Monoacylglycerol-Lipase (MGLL) in Adipozyten als Wirkstoffziel für die Behandlung von Adipositas und Typ-2-Diabetes (T2D) zu untersuchen. Hierfür wurde ein fettgewebespezifisches Knockout-Mausmodell mit Diät-induzierter Adipositas charakterisiert. Die Diät hatte Auswirkungen auf Körperzusammensetzung, Stoffwechsel und Entzündungsprozesse. Der Knockout führte nur bei stark fettleibigen Männchen zu milden Effekten. MGLL im Fettgewebe kann daher als potenzielles Ziel für die Behandlung von Adipositas und T2D ausgeschlossen werden.

Rare arable plants are especially affected by agricultural intensification. Better understanding of their ecosystem functions could prove their nature conservation value and provide basis for biodiversity management recommendations in agroecosystems. We analysed the effects of rare arable plants on following ecosystem functions: their contribution to phytodiversity, their impact on soil fertility, on productivity, on flower-visiting wild bees and biocontrol. This study provides opportunities for both conservation of rare arable plants and improvement of agroecosystem functioning., Seltene Ackerwildkräuter sind von der Intensivierung der Landwirtschaft besonders stark betroffen. Wissen um ihre Ökosystemfunktionen könnte ihren Wert für den Naturschutz belegen und Empfehlungen für das Biodiversitätsmanagement in Agrarökosystemen liefern. In dieser Studie wurde der Einfluss seltener Ackerwildkräuter auf folgende Ökosystemfunktionen analysiert: ihr Beitrag zur Phytodiversität, ihre Auswirkungen auf die Bodenfruchtbarkeit, die Produktivität, auf blütenbesuchende Wildbienen und auf die biologische Schädlingsregulierung. Diese Studie bietet Erkenntnisse sowohl über den Erhalt seltener Ackerwildkräuter, als auch für die Verbesserung der Ökosystemfunktionen von Agrarökosystemen.

The brain of a newborn animal undergoes an intricate developmental process before it can instruct the animal’s behavior. The developmental process is shaped by neural activity produced in the absence of sensory stimulation, called spontaneous activity. Our understanding of the activity-dependent development of the brain remains limited. Here, I investigate the interplay between spontaneous activity and plasticity across development at multiple scales: the molecular, dendritic, and network level., Das Gehirn eines neugeborenen Tieres durchläuft einen komplizierten Entwicklungsprozess, bevor es das Verhalten des Tieres steuern kann. Der Entwicklungsprozess wird durch neuronale Aktivität geprägt, die ohne sensorische Stimulation entsteht und als spontane Aktivität bezeichnet wird. Unser Verständnis der aktivitätsabhängigen Entwicklung des Gehirns ist nach wie vor begrenzt. Hier untersuche ich das Zusammenspiel zwischen spontaner Aktivität und Plastizität während der Entwicklung auf mehreren Ebenen: der molekularen, der dendritischen und der Netzwerk-Ebene.

Hordeum vulgare is infected by the fungus Blumeria graminis f. sp. hordei (Bgh). The small GTPase HvRACB functions as susceptibility factor in this interaction. Activation of small GTPases is catalysed by guanine nucleotide exchange factors (GEFs). In this dissertation, HvGEF14 is presented as an interactor of HvRACB and new methods show HvRACB activation by HvGEF14 in planta. Additionally, HvGEF14 acts as a susceptibility factor in the interaction of Hv with Bgh. The data support that H. vulgareGEF14 is involved in H. vulgare susceptibility towards Bgh by activating HvRACB., Hordeum vulgare wird durch den Pilz Blumeria graminis f. sp. hordei (Bgh) infiziert. Die kleine GTPase HvRACB fungiert in dieser Interaktion als Anfälligkeitsfaktor. Die Aktivierung von kleinen GTPasen wird durch Guanin-Nukleotid-Austauschfaktoren (GEFs) katalysiert. In dieser Dissertation wird HvGEF14 als Interaktor von HvRACB vorgestellt. Neue Methoden zeigen die Aktivierung von HvRACB durch HvGEF14 in planta. Darüber hinaus fungiert HvGEF14 als Anfälligkeitsfaktor in der Interaktion von H. vulgare mit Bgh. Die Daten unterstützen, dass HvGEF14 durch Aktivierung von HvRACB an der Anfälligkeit von H. vulgare gegenüber Bgh beteiligt ist.

Computer-aided enzyme engineering and drug discovery show great potential, but there are still several challenges to overcome including efficient consideration of protein-ligand flexibility and an accurate description of interactions with metal ions. These topics are addressed here by the development of two new algorithms EnzymeMatch and DynaBiS to identify potential biocatalysts and their ligand binding sites, as well as a benchmarking study and application studies of metalloproteins in biocatalyst development and drug discovery settings., Während computergestütztes Enzym-Engineering und Arzneientwicklung großes Potenzial zeigen, bleiben die Berücksichtigung von Protein- und Liganden-Flexibilität sowie der Wechselwirkungen mit Metallionen Herausforderungen. Um diese Themen aufzugreifen, wurden zwei Algorithmen (EnzymeMatch und DynaBiS) zur Identifizierung potenzieller Biokatalysatoren und ihrer Ligandenbindungsstellen entwickelt sowie Benchmarking- und Anwendungsstudien im Enzym-Engineering und der Arzneientwicklung beschrieben.

In this work we present the successful generation and application of hiPSC based disease models for isoform studies using the EXSISERS, building the basis of further use of the model for disease related investigation in a human genetic background. We show evidence implicating Class I and IV HDAC involvement in MAPT alternative splicing under physiological conditions. Furthermore, a novel regulation of MAPT exon 10 mRNA translation was shown indicating a FABP involvement in translational regulation., In dieser Arbeit stellen wir die erfolgreiche Generierung und Anwendung von hiPSC-basierten Krankheitsmodellen für Isoformstudien unter Verwendung des EXSISERS vor und schaffen damit die Grundlage für die weitere Nutzung des Modells für krankheitsbezogene Untersuchungen mit menschlichem genetischem Hintergrund. Wir zeigen Hinweise auf eine Beteiligung von HDACs der Klassen I und IV am alternativen MAPT Spleißen unter physiologischen Bedingungen. Darüber hinaus wurde eine neuartige Regulation der MAPT Exon 10 mRNA-Translation gezeigt, die auf eine Beteiligung von FABP an der Translationsregulation hinweist.

Hydrogenotrophic denitrifying bacteria, enriched in hydrogen-treated microcosms filled with nitrate polluted aquifer material, were determined through 16S rRNA gene amplicon sequencing. Only a small community was observed, thus prevailing taxa could be isolated and characterised. Dechloromonas denitrificans, Ferribacterium limneticum, and Hydrogenophaga taeniospiralis were all completely reducing nitrate to nitrogen gas; however, they differed largely in the transient accumulation of nitrite, which could be attributed to the nitrate reductase type., Hydrogenotrophe denitrifizierende Bakterien, angereichert in Wasserstoff behandelten Mikrokosmen gefüllt mit Nitrat verschmutztem Grundwassermaterial, konnten mittels 16S rRNA Amplikonsequenzierung bestimmt werden. Da es sich um eine kleine Gemeinschaft handelte, konnten vorherrschende Taxa isoliert und charakterisiert werden. Dechloromonas denitrificans, Ferribacterium limneticum und Hydrogenophaga taeniospiralis reduzierten alle Nitrat komplett zu Stickstoffgas, jedoch unterschieden sie sich stark in der transienten Anreicherung von Nitrit. Wir vermuten, dass diese Unterschiede auf den Nitratreduktasetyp zurückzuführen sind.

The trans-Golgi-network (TGN) is the hub for the flow of information to and from various cellular compartments. This study determined whether two TGN resident proteins: TRAPPII complex and ECHIDNA act in concert or in parallel to fulfill their functions. Additionally, a subunit of the TRAPPII complex was characterized and a new role of this complex as a Rab GEF in plants was established. Finally, post-translational regulatory mechanisms of the TRAPPII complex were elucidated., Das trans-Golgi-Netz (TGN) ist die Drehscheibe für den Informationsfluss zu und von verschiedenen zellulären Kompartimenten. In dieser Studie wurde untersucht, ob zwei im TGN ansässige Proteine: TRAPPII-Komplex und ECHIDNA, die gemeinsam oder parallel ihre Funktionen erfüllen. Außerdem wurde eine Untereinheit des TRAPPII-Komplexes charakterisiert und eine neue Rolle dieses Komplexes festgestellt. Schließlich wurden die posttranslationalen Regulationsmechanismen des TRAPPII-Komplexes aufgeklärt.

In dieser Arbeit erfolgte die Untersuchung der Proteinfamilie von 55 Glutathion Transferasen aus Arabidopsis. Die Studie konnte unter anderem zeigen, dass einzelne Glutathion Transferasen spezifische Diphenylether-Herbizide und natürliche Diphenyletherverbindungen aus Endophyten und Phytopathogenen mit dem Tripeptid Glutathion konjugieren. Die Beteiligung von funktional redundant wirkenden Glutathion Transferasen konnte über Gen-Cluster Deletionen mit der Genschere CRISPR/Cas9 untersucht werden., In this work, the protein family of 55 glutathione transferases from Arabidopsis were examined in plants and yeast. The study could show among others that single glutathione transferase conjugate diphenyl ether herbicides and natural diphenyl ether compounds from endophytes and phytopathogens. The involvement of redundantly acting glutathione transferases was analyzed by gene cluster deletions using CRISPR/Cas9.

Rare diseases impose a global challenge. Exome and genome sequencing are widely used to find causalities of rare diseases, but the diagnostic rate is limited. This thesis describes the analysis of a cohort of 1,747 patients suffering from inborn errors of immunity (IEI). By means of newly developed methods, I discovered 205 disease candidate genes and 26 pathogenic mutations having direct implications for understanding and treating IEI., Seltene Krankheiten stellen eine globale Herausforderung dar. Exom- und Genomsequenzierung sind weit verbreitet, um Kausalitäten seltener Krankheiten zu finden, aber die Diagnoserate ist begrenzt. Diese Arbeit beschreibt die Analyse einer Kohorte von 1.747 Patienten, die an angeborenen Immunstörungen (IEI) leiden. Mit Hilfe neu entwickelter Methoden fand ich 205 Krankheits-Kandidatengene und 26 pathogene Mutationen, die direkte Auswirkungen auf das Verständnis und die Behandlung von IEI haben.

The human brain is a highly complex structure consisting of billions of neurons and synapses, and to date it remains a challenge to uncover the neuronal processes underlying physiological and diseased states. Different imaging techniques have been developed, such as non-invasive magnetic resonance imaging (MRI) or high-resolution electron microscopy (EM) to study molecular processes in their biological context or to construct a connectome in order to obtain detailed anatomical information about the synaptic wiring with high resolution. However, these techniques require contrast agents to overcome inherent physical limitations, which poses a challenge in regards to, e.g., delivery and specificity. Although EM staining techniques are usually based on heavy metals, iron oxides can also yield electron-dense contrast in EM while also being suitable as contrast agents for MRI. Furthermore, large iron oxide particles consisting of magnetite have favorable properties enabling magnetic manipulations of biological systems, thus bridging the fields of imaging and manipulation. However, a genetically-controlled, induced magnetite formation was not achieved in aerobic organisms yet. The aim of this doctoral thesis was thus to develop and characterize different fully genetically encoded biological interfaces for MRI as well as EM, and to examine the controlled formation of magnetite in a biological context. To this end, different proteinaceous nano-compartments were expressed in mammalian cells and characterized in regards to their iron accumulation capability. The first part of this work focused on the ubiquitous, ferrihydrite-forming iron storage protein ferritin and the improvement of its magnetic properties to enable magnetic interactions with cells. While highly-magnetic, magnetite containing ferritin (magnetoferritin) has already been characterized, the magnetite core is obtained by in vitro synthesis, thus limiting the applicability of magnetoferritin as a genetically enco, Das menschliche Gehirn ist ein hochkomplexes System bestehend aus Milliarden von Neuronen und Synapsen, und bis heute ist es eine Herausforderung die neuronalen Prozesse zu entschlüsseln, die physiologischen und krankhaften Zuständen zugrunde liegen. Verschiedene bildgebende Verfahren wurden entwickelt, wie z.B. die nicht-invasive Magnetresonanztomographie (MRT) oder die hochauflösende Elektronenmikroskopie (EM), welche es ermöglichen molekulare Prozesse in ihrem biologischen Kontext zu untersuchen oder ein Konnektom zu konstruieren, um detaillierte anatomische Informationen über synaptische Verknüpfungen mit hoher Auflösung zu erhalten. Diese Techniken erfordern jedoch Kontrastmittel um zugrunde liegende physikalische Grenzen zu überwinden, wodurch sich Herausforderungen z.B. in Bezug auf die Verabreichung und Spezifität ergeben. Obwohl Färbemethoden für EM in der Regel auf Schwermetallen basieren, können Eisenoxide auch einen elektronendichten Kontrast in der Elektronenmikroskopie liefern und sind gleichzeitig auch als Kontrastmittel für MRT geeignet. Darüber hinaus verfügen große Eisenoxidpartikel aus Magnetit über vorteilhafte Eigenschaften, die magnetische Manipulationen biologischer Systeme ermöglichen. Eine genetisch kontrollierte, induzierte Magnetit-Bildung wurde bei aeroben Organismen jedoch noch nicht erreicht. Ziel dieser Doktorarbeit war es daher, verschiedene vollständig genetisch kodierte biologische Schnittstellen sowohl für MRT als auch für EM zu entwickeln und zu charakterisieren sowie die kontrollierte Magnetit-Bildung im biologischen Kontext zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurden verschiedene proteinhaltige Nanokompartimente in Säugetierzellen exprimiert und hinsichtlich ihrer Fähigkeit zur Eisenanreicherung charakterisiert. Der erste Teil dieser Arbeit konzentrierte sich auf das ubiquitäre, Ferrihydrit-bildende Eisenspeicherprotein Ferritin und die Verbesserung seiner magnetischen Eigenschaften, um magnetische Wechselwirkungen mit Zellen zu ermö

Diese Arbeit zeigt die TIMP-1-induzierte Bildung einer männerspezifischen metastasierungsfördernden Lebernische und identifiziert TIMP-1 als vielversprechenden geschlechtsspezifischen Biomarkerkandidat zur Vorhersage der Lebermetastasenentwicklung. Zudem wird mit dem TIMP-1-induzierten, AMPK-abhängigen Katabolismus von Speicherlipiden in Hepatozyten ein bislang unbekannter molekularer Mechanismus aufgedeckt, der neue Perspektiven der Relevanz von TIMP-1 im Kontext von Lebererkrankungen eröffnet., This work shows the TIMP-1-induced formation of a male-specific metastasis-promoting liver niche and identifies TIMP-1 as promising sex-specific biomarker candidate for prediction of liver metastasis development. In addition, a so far unknown molecular mechanism was unraveled with the TIMP-1-induced, AMPK-dependent catabolism of storage lipids in hepatocytes, which opens new perspectives of the relevance of TIMP-1 in the context of liver diseases.