Dissertations / Theses on the topic 'Säugetiere'

There is a basic rule to mammalian neocortical expansion: as it expands, so does it fold. The degree to which it folds, however, cannot strictly be attributed to its expansion. Across species, cortical volume does not keep pace with cortical surface area, but rather folds appear more rapidly than expected. As a result, larger brains quickly become disproportionately more convoluted than smaller brains. Both the absence (lissencephaly) and presence (gyrencephaly) of cortical folds is observed in all mammalian orders and, while there is likely some phylogenetic signature to the evolutionary appearance of gyri and sulci, there are undoubtedly universal trends to the acquisition of folds in an expanding neocortex. Whether these trends are governed by conical expansion of neocortical germinal zones, the distribution of cortical connectivity, or a combination of growth- and connectivity-driven forces remains an open question. But the importance of cortical folding for evolution of the uniquely mammalian neocortex, as well as for the incidence of neuropathologies in humans, is undisputed. In this hypothesis and theory article, we will summarize the development of cortical folds in the neocortex, consider the relative influence of growth- vs. connectivity-driven forces for the acquisition of cortical folds between and within species, assess the genetic, cell-biological, and mechanistic implications for neocortical expansion, and discuss the significance of these implications for human evolution, development, and disease. We will argue that evolutionary increases in the density of neuron production, achieved via maintenance of a basal proliferative niche in the neocortical germinal zones, drive the conical migration of neurons toward the cortical surface and ultimately lead to the establishment of cortical folds in large-brained mammal species.

There is a basic rule to mammalian neocortical expansion: as it expands, so does it fold. The degree to which it folds, however, cannot strictly be attributed to its expansion. Across species, cortical volume does not keep pace with cortical surface area, but rather folds appear more rapidly than expected. As a result, larger brains quickly become disproportionately more convoluted than smaller brains. Both the absence (lissencephaly) and presence (gyrencephaly) of cortical folds is observed in all mammalian orders and, while there is likely some phylogenetic signature to the evolutionary appearance of gyri and sulci, there are undoubtedly universal trends to the acquisition of folds in an expanding neocortex. Whether these trends are governed by conical expansion of neocortical germinal zones, the distribution of cortical connectivity, or a combination of growth- and connectivity-driven forces remains an open question. But the importance of cortical folding for evolution of the uniquely mammalian neocortex, as well as for the incidence of neuropathologies in humans, is undisputed. In this hypothesis and theory article, we will summarize the development of cortical folds in the neocortex, consider the relative influence of growth- vs. connectivity-driven forces for the acquisition of cortical folds between and within species, assess the genetic, cell-biological, and mechanistic implications for neocortical expansion, and discuss the significance of these implications for human evolution, development, and disease. We will argue that evolutionary increases in the density of neuron production, achieved via maintenance of a basal proliferative niche in the neocortical germinal zones, drive the conical migration of neurons toward the cortical surface and ultimately lead to the establishment of cortical folds in large-brained mammal species.

Einleitung<br /> Säugetiere haben zwei verschiedene Arten von Fettgewebe: das weiße Fettgewebe, welches vorwiegend zur Lipidspeicherung dient, und das braune Fettgewebe, welches sich durch seine Fähigkeit zur zitterfreien Thermogenese auszeichnet. Weiße und braune Adipozyten sind beide mesodermalen Ursprungs. Die Mechanismen, die zur Entwicklung von Vorläuferzellen in den weißen oder braunen Fettzellphenotyp führen, sind jedoch unbekannt. Durch verschiedene experimentelle Ansätze konnte gezeigt werden, daß diese Adipocyten vermutlich durch die Differenzierung zweier Typen unterschiedlicher Vorläuferzellen entstehen: weiße und braune Preadipozyten. Von dieser Hypothese ausgehend, war das Ziel dieser Studie, die Genexpression weißer und brauner Preadipozyten auf Unterschiede systematisch zu analysieren.<br /> <br /> Methoden<br /> Die zu vergleichenden Zellen wurden aus primären Zellkulturen weißer und brauner Preadipozyten des dsungarischen Zwerghamsters gewonnen. „Representational Difference Analysis“ wurde angewandt, um potentiell unterschiedlich exprimierte Gene zu isolieren. Die daraus resultierenden cDNA Fragmente von Kandidatengenen wurden mit Hilfe der Microarraytechnik untersucht. Die Expression dieser Gene wurde in braunen und weißen Fettzellen in verschiedenen Differenzierungsstadien und in braunem und weißem Fettgewebe verglichen.<br /> <br /> Ergebnisse<br /> 12 Gene, die in braunen und weißen Preadipozyten unterschiedlich exprimiert werden, konnten identifiziert werden. Drei Komplement Faktoren und eine Fettsäuren Desaturase werden in weißen Preadipozyten höher exprimiert; drei Struktur Gene (Fibronectin, Metargidin und a Actinin 4), drei Gene verbunden mit transkriptioneller Regulation (Necdin, Vigilin und das „small nuclear ribonucleoprotein polypeptide A“) sowie zwei Gene unbekannter Funktion werden in braunen Preadipozyten höher exprimiert. Mittels Clusteranalyse (oder Gruppenanalyse) wurden die gesamten Genexpressionsdaten charakterisiert. Dabei konnten die Gene in 4 typischen Expressionsmuster aufgeteilt werden: in weißen Preadipozyten höher exprimierte Gene, in braunen Preadipozyten höher exprimierte Gene, während der Differenzierung herunter regulierte Gene und während der Differenzierung hoch regulierte Gene.<br /> <br /> Schlußfolgerungen<br /> In dieser Studie konnte gezeigt werden, daß weiße und braune Preadipozyten aufgrund der Expression verschiedener Gene unterschieden werden können. Es wurden mehrere Kandidatengene zur Bestimmung weißer und brauner Preadipozyten identifiziert. Außerdem geht aus den Genexpressionsdaten hervor, daß funktionell unterschiedliche Gruppen von Genen eine wichtige Rolle bei der Differenzierung von weißen und braunen Preadipozyten spielen könnten, wie z.B. Gene des Komplementsystems und der extrazellulären Matrix.<br>Introduction<br /> Mammals have two types of adipose tissue: the lipid storing white adipose tissue and the brown adipose tissue characterised by its capacity for non-shivering thermogenesis. White and brown adipocytes have the same origin in mesodermal stem cells. Yet nothing is known so far about the commitment of precursor cells to the white and brown adipose lineage. Several experimental approaches indicate that they originate from the differentiation of two distinct types of precursor cells, white and brown preadipocytes. Based on this hypothesis, the aim of this study was to analyse the gene expression of white and brown preadipocytes in a systematic approach. <br /> <br /> Experimental approach<br /> The white and brown preadipocytes to compare were obtained from primary cell cultures of preadipocytes from the Djungarian dwarf hamster. Representational difference analysis was used to isolate genes potentially differentially expressed between the two cell types. The thus obtained cDNA libraries were spotted on microarrays for a large scale gene expression analysis in cultured preadipocytes and adipocytes and in tissue samples.<br /> <br /> Results<br /> 4 genes with higher expression in white preadipocytes (3 members of the complement system and a fatty acid desaturase) and 8 with higher expression in brown preadipocytes were identified. From the latter 3 coded for structural proteins (fibronectin, metargidin and a actinin 4), 3 for proteins involved in transcriptional regulation (necdin, vigilin and the small nuclear ribonucleoprotein polypeptide A) and 2 are of unknown function. Cluster analysis was applied to the gene expression data in order to characterise them and led to the identification of four major typical expression profiles: genes up-regulated during differentiation, genes down-regulated during differentiation, genes higher expressed in white preadipocytes and genes higher expressed in brown preadipocytes.<br /> <br /> Conclusion<br /> This study shows that white and brown preadipocytes can be distinguished by different expression levels of several genes. These results draw attention to interesting candidate genes for the determination of white and brown preadipocytes (necdin, vigilin and others) and furthermore indicate that potential importance of several functional groups in the differentiation of white and brown preadipocytes, mainly the complement system and extracellular matrix.

Auf der Basis von Fossilien wird angenommen, dass die ersten Säugetiere nachtaktiv waren. Diese Arbeit untersucht diese Hypothese mit bioinformatischen und molekularbiologischen Techniken. Der Fokus liegt auf dem Rhodopsin, ein Sehpigment im Wirbeltierauge, das für Sehen unter schlechten Lichtverhältnissen verantwortlich ist. Zunächst wurde das Rhodopsin der monotrematen Echidna, einem basalen Säugetier, sequenziert und mit zwei Mutanten mit Mutationen an Positionen 158 und 169 in vitro exprimiert. Die biochemische und funktionelle Charakterisierung ergab, dass das Echidna-Rhodopsin farbpigment-typische Charakteristika aufweist, was auf eine Expression auch in Zapfen hindeutet. Dies ist die erste Charakterisierung eines Rhodopsins eines nachtaktiven Tieres. Dann wurden anzestrale Rhodopsinsequenzen für die Knotenpunkte Amniota, Mammalia und Theria mithilfe der Maximum-Likelihood-Methode berechnet. Die in vitro Expression und biochemische und funktionelle Charakterisierung zeigt funktionale und rhodopsin-typische Sehpigmente. Das Mammalia- und Theria-Rhodopsin zeigen eine hohe Meta II Halbwertszeit. Dieses Ergebnis wird als eventuelle Anpassung an Sehen unter schlechten Lichtverhältnissen interpretiert, wobei, aufgrund von Unstimmigkeiten in der Literatur, Schlussfolgerungen auf ökologisch-bedingte Anpassungen basierend auf einzelnen Funktionstests problematisch sind, da die visuelle Signalkaskade ein sehr komplexes und durch viele Proteine vernetztes System darstellt. Zuletzt zeigen Selektionsanalysen, dass das Rhodopsin entlang der Theria-Linie positive Selektion auf nicht-synonyme Substitutionen erfahren hat, was zu Anpassungen in einem Protein führt. Der Fossilbericht belegt entlang dieser Linie mehrere Einnischungsevents in neue Lebensräume. Entlang der Mammalia-Linie wurde positive Selektion auf synonyme Substitutionen gemessen, was zu einer Zunahme an Rhodopsin-Molekülen führt und damit eine Anpassung an Sehen unter schlechten Lichtverhältnissen darstellt.<br>Based on information from the fossil record, the first mammals are thought to have been nocturnal. This thesis investigates this popular hypothesis using bioinformatic and molecular techniques, focusing on the rhodopsin, a visual pigment in the vertebrate eye that is responsible for vision at low-light levels. First, the rhodopsin gene of the monotreme echidna, a basal mammal, was sequenced and successfully expressed in vitro, together with two mutants with substitutions at sites 158 and 169. Biochemical and functional analyses revealed that the echidna rhodopsin displays cone-like characteristics, likely due to being also expressed in cones. With the echidna being nocturnal, this thesis comprises the first characterisation of a rhodopsin of a nocturnal animal. Second, ancestral rhodopsin sequences for the tetrapod nodes Amniota, Mammalia, and Theria were inferred using Maximum likelihood estimates. All expressed pigments were successfully expressed in vitro, functional and rod-like. Mammalia and Theria rhodopsins display a high meta II half life time, a pattern that is usually interpreted to facilitate better vision at low-light levels. However, due to inconsistency in the available data, the result also suggests that, with the visual signaling cascade being a complex and interconnected system, erecting ecological interpretations based on single biochemical and functional reactions is problematic. Third, selective constraint analyses performed on a set of tetrapod rhodopsin sequences indicate that positive selection on non-synonymous sites, was acting along the branch leading to Theria. This result reflects the rapid diversification into modern ecological habitats during the Triassic and Jurassic, as indicated by the fossil record. In addition, positive selection on synonymous sites, leading to an increase of rhodopsin molecules, was found along the branch leading to Mammalia and suggests adaptations to vision at low-light levels.

Die Hauptursachen für die derzeitige weltweite Krise der biologischen Vielfalt sind Lebensraumzerstörung und Übernutzung. Wir wissen jedoch nicht, wie sich diese beiden Faktoren einzeln und zusammen auf die verschiedenen Aspekte biologischer Vielfalt auswirken und wie sie sich im Laufe der Zeit verändern. Da beide Bedrohungen weit verbreitet sind, verhindern dies die Entwicklung wirksamer Schutzstrategien. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit war räumliche und zeitliche Veränderungsmuster der Auswirkungen von Lebensraumzerstörung und Übernutzung auf die biologische Vielfalt zu verstehen. Ich habe diese Bedrohungsgeographien mit hoher räumlicher Auflösung und über drei Jahrzehnte hinweg für verschiedene Aspekte biologischer Vielfalt untersucht: Arten, Lebensgemeinschaften und taxonomische, phylogenetische und funktionale Facetten biologischer Vielfalt. Ich konzentrierte mich auf den 1,1 Millionen km² großen Gran Chaco, den größten tropischen Trockenwald der Welt und einen globalen Entwaldungs-Hotspot. Meine Ergebnisse zeigen, dass sich im Laufe von 30 Jahren die räumlichen Auswirkungen der einzelnen Bedrohungen auf größere Gebiete ausdehnten als nur auf die abgeholzte Fläche. Dies führte zu einem Verlust an hochwertigen und sicheren Gebieten für den Jaguar, die gesamte Großsäugergemeinschaft und alle Facetten der Säugetiervielfalt. Beide Bedrohungen trugen wesentlich zum Rückgang biologischer Vielfalt bei, ihre relative Bedeutung variierte jedoch je nach Art und Facette der biologischen Vielfalt. Zudem haben die Gebiete, in denen beide Bedrohungen zusammenwirken, im Laufe der Zeit zugenommen, was den Verlust der biologischen Vielfalt wahrscheinlich noch verschlimmert hat. Diese Arbeit unterstreicht, wie wichtig es ist, die Auswirkungen mehrerer Bedrohungen im Laufe der Zeit gemeinsam zu bewerten, um den menschlichen Einfluss auf die biologische Vielfalt besser verstehen zu können und wirksame Schutzstrategien zu finden.<br>The main drivers of the current global biodiversity crisis are habitat destruction and overexploitation. Yet, we lack understanding of their individual and combined spatial impact on different aspects of biodiversity, and how they change over time. Because both threats are common, these knowledge gaps preclude building more effective conservation strategies. The overarching goal of this thesis was to understand how the impacts of habitat destruction and overexploitation on biodiversity change in space and over time. I assessed these geographies of threat at high spatial resolutions and over three decades for different biodiversity aspects: species, communities, and the taxonomic, phylogenetic, and functional facets of biodiversity. I focused on the 1.1 million km² Gran Chaco, the largest tropical dry forest globally, and a global deforestation hotspot. Results reveal that over 30 years, the spatial impacts of each threat expanded over larger areas than the area deforested. This resulted in widespread losses of high-quality and safe areas for the jaguar, the entire larger mammal community and for all facets of the mammalian diversity. Such declines suggest a generalized biotic impoverishment that includes the loss of species, evolutionary history, and ecological functions across much of the Chaco. Both threats contributed substantially to biodiversity declines, and their relative importance varied among species and biodiversity facets. Moreover, the areas where both threats synergize increased over time, likely exacerbating biodiversity losses. For each biodiversity aspect, I identified priority areas of safe and high-quality habitats, and hotspots of high threat impacts, which could guide more effective complementary proactive and reactive conservation strategies. This thesis highlights the importance of jointly assessing the impact of multiple threats over time to better understand the impact of humans on biodiversity and to identify effective ways to mitigate them.<br>Los principales factores de la actual crisis de la biodiversidad global son la destrucción del hábitat y la sobreexplotación. Sin embargo, desconocemos su impacto espacial, tanto individual como combinado, sobre los diferentes aspectos de la biodiversidad, y cómo cambian en el tiempo. Como ambas amenazas son comunes, estos vacíos de conocimiento impiden elaborar estrategias de conservación más eficaces. El objetivo general de esta tesis fue comprender cómo los impactos de la destrucción del hábitat y la sobreexplotación en la biodiversidad cambian en el espacio y en el tiempo. Evalué estas geografías de las amenazas a altas resoluciones espaciales y a lo largo de tres décadas para diferentes aspectos de la biodiversidad: especies, comunidades y las facetas taxonómica, filogenética y funcional de la biodiversidad. Me centré en el Gran Chaco, de 1,1 millones de km², el mayor bosque seco tropical del mundo y un foco global de deforestación. Los resultados revelan que, a lo largo de 30 años, los impactos espaciales de cada una de las amenazas se extendieron por areas mayores que la superficie deforestada. Esto dio lugar a pérdidas extendidas de áreas seguras y de alta calidad para el jaguar, la comunidad de mamíferos grandes y para todas las facetas de la diversidad de mamíferos. Estos declives sugieren un empobrecimiento biótico generalizado que incluye la pérdida de especies, historia evolutiva y funciones ecológicas en gran parte del Chaco. Ambas amenazas contribuyeron sustancialmente al declive de la biodiversidad, y su importancia relativa varió entre especies y facetas de la biodiversidad. Además, las áreas en las que ambas amenazas sinergizan aumentaron en el tiempo, probablemente exacerbando las pérdidas de biodiversidad. Para cada aspecto de la biodiversidad, identifiqué áreas prioritarias de hábitats seguros y de alta calidad, y focos de alto impacto de las amenazas, que podrían orientar estrategias de conservación complementarias más eficaces, tanto proactivas como reactivas. Esta tesis destaca la importancia de evaluar conjuntamente el impacto de múltiples amenazas a lo largo del tiempo para comprender mejor el impacto de los humanos en la biodiversidad e identificar vías eficaces para mitigarlas.

Ziel der Arbeit war es, die wissenschaftlichen und technischen Voraussetzungen zu schaffen, um eine effiziente Elektroporation von großen aber auch kleinen Zellzahlen zu erreichen. Ein großer Teil der Arbeit diente der Entwicklung eines neuen Elektroporationsgerätes, des Multiporators. Die synergetischen Effekte dieser Technik tragen dazu bei, dass sehr hohe Ausbeuten bei der Elektrotransfektion von Zellen erzielt werden. Damit konnte zum ersten Mal der Gentransfer durch künstliche Säugerzell-Chromosomen (MACs) nachgewiesen werden. Eine weitere Anwendung der Elektroporation liegt in der Transfektion von primären Zellen. Dabei ist der entscheidende Punkt für eine hohe Transfektionseffizienz der Zellzyklus. Des Weiteren wurde in dieser Arbeit ein Konzept entwickelt, das als Basis für ein neues Elektroporationssystem benutzt werden kann<br>The aim of this work was the establishment of the scientific and technical supposition for an efficient electroporation of a large and small number of cells. A part of this work was used for the development of a new electroporation instrument, the Multiporator. The synergy of the instrument and the components enable the electrotransfection of eukaryotic cells with high efficiency. With this technique the gene transfer by mammalian artificial chromosomes (MACs) was demonstrated for the first time. Another application is the transfection of primary cells. The main point for the high yields is the cell cycle. Further, a concept for a new electroporation system was evolved

Die Aufrechterhaltung des Zellvolumens unter variablen osmotischen Bedingungen stellt für nahezu alle tierischen Zellen eine essenzielle Aufgabe dar. Um regulatorische Volumenanpassungen vorzunehmen besitzen sie daher effektive Mechanismen, mit deren Hilfe der zelluläre Gehalt an organischen und anorganischen Osmolyten erhöht (= regulatorische Volumenzunahme; RVI) oder gesenkt (= regulatorische Volumenabnahme; RVD) werden kann. Trotz langjähriger Forschung auf diesem Gebiet konnten die hieran beteiligten Transportwege für Osmolyte bisher nur unvollständig aufgeklärt werden. Insbesondere bei T-Lymphozyten sind wichtige Zellfunktionen wie die Proliferation, Migration und die T-Zell-Aktivierung eng mit volumenregulatorischen Mechanismen verbunden. Bei all diesen Prozessen sind u. a. unterschiedliche Kaliumkanäle beteiligt, die insbesondere für die pharmakologische Manipulation von Immunsystemprozessen von wissenschaftlichem Interesse sind. Bisherige Modelle der hypotonen Volumenregulation von T-Lymphozyten berücksichtigen lediglich den spannungsabhängigen KV1.3 sowie den Ca2+-aktivierten IKCa1-Kanal, die zur Klasse der 6TM/P-K+-Kanäle gehören. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurde eine potentielle Rolle von kürzlich entdeckten Zwei-Poren Domänen Kaliumkanälen (K2P) am RVD von murinen und humanen primären CD4+-T-Lymphozyten untersucht. In einem kombinierten genetischen und pharmakologischen Ansatz mittels knockout-Tiermodellen und dem Einsatz kanalspezifischer Inhibitoren konnte mithilfe zellvolumetrischer Analysen gezeigt werden, dass die K2P-Vertreter TASK1, TASK2, TASK3 und TRESK maßgeblich am schwellungsaktivierten Efflux von K+ beteiligt sind. Beurteilt an den Ergebnissen dieser Untersuchung sind der spannungsabhängige TASK2- und der Ca2+-aktivierte TRESK-Kanal für die hypotone Volumenregulation in T-Zellen deutlich bedeutender als TASK1 und TASK3. Der Beitrag der Kanäle TASK2 und TRESK am RVD-Prozess war über dies vergleichbar mit dessen des bisher bekannten KV1.3-Kanals. In dieser Arbeit wurde damit erstmals eine Beteiligung der K2P-Kanäle am RVD muriner und humaner CD4+-Lymphozyten identifiziert. Aufgrund der engen Verbindung zwischen T-Zell-Funktion und der Volumenregulation können Zwei-Poren Domänen K+-Kanäle damit in den engeren Kreis potentieller immunmodulierende Angriffspunkte aufgefasst werden. Im zweiten und umfangreicheren Teil dieser Arbeit wurden darüber hinaus die schwellungsaktivierten Transportwege für organische Osmolyte (small organic osmolytes; SOOs) untersucht. SOOs stellen chemisch inerte Verbindungen dar, zu denen vor allem Polyole (Sorbitol, myo-Inositol), Methylamine (Betain, α-Glycerophosphocholin) sowie Aminosäuren (α- bzw. β-Alanin und Prolin) und deren Derivate (Taurin) zählen. Da SOOs weder die zelluläre Struktur noch die Funktion von Makromolekülen beeinträchtigen, sind sie wichtige Instrumente der Volumenregulation, die sich in hohen Konzentrationen im Zytosol nahezu aller Zellen wiederfinden. Werden tierische Zellen mit hypotonen Bedingungen konfrontiert, dann ist bei nahezu allen Zellen die Freisetzung organischer Osmolyte zu beobachten, wodurch die zelluläre Osmolarität unabhängig von Elektrolyten angepasst werden kann. Trotz der wichtigen Funktion der SOOs in der Osmoregulation tierischer Zellen konnte die molekulare Identität beteiligter Effluxwege (Kanäle bzw. Transporter) bisher nicht aufgeklärt werden. Ungeachtet der molekularen Identität der SOO-Effluxwege war es aus zahlreichen biotechnologischen Anwendungen zu Beginn dieser Arbeit bekannt, dass die schwellungsaktivierten Transportwege für organische Osmolyte eine größenselektive Permeabilität für eine Reihe monomerer Zucker und verwandter Verbindungen aufweisen. Um diese Größenselektivität näher zu charakterisieren, wurde im ersten Schritt die schwellungsaktivierte Membranpermeabilität für eine Reihe strukturell homogener Polyethylenglykole unterschiedlicher Polymerlänge (PEG200–1500; hydrodynamische Radien zwischen ~0,5-1,5 nm) unter iso- und hypotonen Bedingungen in Jurkat-Lymphozyten untersucht. Unter milden hypotonen Bedingungen (200 mOsm) war die Plasmamembran der untersuchten Lymphozyten für PEG300-1500 undurchlässig, was aus der Fähigkeit der Zellen zur hypotonen Volumenregulation geschlossen werden konnte. Darüber hinaus wurde RVD in stark hypotonen Lösungen (100 mOsm) mit PEG600-1500 beobachtet, während PEG300-400 unter vergleichbaren osmotischen Bedingungen die Volumenregulation der Zellen inhibierten. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass starkes hypotones Zellschwellen der Lymphozyten zur Permeabilisierung der Plasmamembran für PEG300-400, nicht jedoch für PEG600-1500, führt. Anhand der hydrodynamischen Radien Rh der verwendeten PEGs konnte ein cutoff-Radius von ~0,74 nm für schwellungsaktivierte Transportwege organischer Osmolyte bestimmt werden. Da diese schwellungsaktivierten Transportwege vielfältig für Zellbeladungstechniken verwendet werden, könnte dieses Ergebnis für zahlreiche biotechnologische und biomedizinische Anwendungen von Interesse sein. Im zweiten Schritt wurde der Versuch unternommen, potentielle Transportwege für organische Osmolyte im RVD-Prozess molekular zu identifizieren. Da es grundlegend ungeklärt war, wie viele unterschiedliche Transporter bzw. Kanäle am Efflux der zahlreichen organischen Osmolyte beteiligt sind, erfolgte zunächst die vergleichende Analyse des schwellungsaktivierten Membrantransports strukturell verschiedener SOOs einschließlich der Aminosulfonsäure Taurin und des Polyols myo-Inositol. Hierbei wurde erstmals gezeigt, dass die schwellungsaktivierten Transportwege für Taurin und myo-Inositol deutlich unterschiedliche Aktivitätsprofile aufweisen. Während der Taurintransport bereits unter milden hypotonen Bedingungen, d.h. nach einer geringen Absenkung der Osmolalität von 300 auf ~230 mOsm, aktiviert wurde, erfolgte die Aktivierung der Membranpermeabilität für myo-Inositol bei einer viel niedrigeren Osmolalität von ~150 mOsm. Darüber hinaus wiesen die beiden Transportwege unter vergleichbarem hypotonen Stress von 100 mOsm deutlich unterschiedliche Aktivitätsdauern auf (Transport von Taurin ~95 min und myo-Inositol ~40 min). Somit deuteten diese Ergebnisse erstmals auf substrat-spezifische Transportwege für SOOs hin, die voneinander stark abweichende osmotische Aktivierungsprofile besitzen. Als aussichtsreiche Kandidaten für diese Transportwege wurden zwei Mitglieder der Gruppe der Solute Carrier (SLC) untersucht, die klare Übereinstimmungen mit den gesuchten Transportern für SOOs aufweisen. Daher wurde im Weiteren eine RVD-Beteiligung dieser Transportergruppe mit einer Kombination aus molekularbiologischer und konventioneller bzw. hochaufgelöster mikroskopischen Techniken überprüft. Die semiqantitativen RT-PCR-Ergebnisse dieser Arbeit zeigen dabei, dass die Gentranskription der potentiellen SOO-Transporter SLC5A3 und SLC6A6 in den untersuchten Zelllinien Jurkat, HEK wie auch HepG2-Zellen durch hypotone Bedingungen deutlich verstärkt wird. Hierbei nimmt der zelluläre mRNA-Gehalt der Gene SLC5A3 zwischen 20-60% und SLC6A6 um 30-100% innerhalb von 10-20 min zu, was auf eine potentielle RVD-Beteiligung von SLC-Transportern hindeutet. Ausgehend von diesem Ergebnis wurde daraufhin die zelluläre Lokalisation des SLC5A3-Transporters unter isotonen und hypotonen Bedingungen mikroskopisch untersucht. Wie anhand der konfokalen lasermikroskopischen Untersuchung zu erkennen ist, findet unter hypotoner Stimulation eine zelluläre Umverteilung des mit EGFP fluoreszenzmarkierten Proteins SLC5A3 statt. Innerhalb von 10 min wird der Transporter dabei von intrazellulären Regionen in Richtung Plasmamembran verlagert. Darüber hinaus konnte mit Hilfe der hochauflösenden Mikroskopie-Technik dSTORM gezeigt werden, dass der Transporter SLC5A3 unter hypotoner Stimulation verstärkt mit der Plasmamembran assoziiert vorliegt. Diese verstärkte Membranassoziation des SLC5A3-Proteins deutet damit auf einen schwellungsinduzierten exozytotischen Einbau des Transporters hin. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen damit erstmals, dass SLC-Transporter wie SLC5A3, SLC6A6 und vermutlich andere Vertreter der SLC-Superfamilie potentiell am Mechanismus der hypotonen Volumenregulation beteiligt sind. Da SLC-Transporter als wichtige Transportsysteme für Therapeutika angesehen werden und die Mechanismen der Volumenregulation bereits in zahlreichen biotechnologischen Anwendungen implementiert sind, könnte der hier aufgedeckte Zusammenhang einen Erkenntnisgewinn für zahlreiche biomedizinische Forschungsgebiete darstellen<br>Cell volume homeostasis is critically important for the functional and structural integrity of mammalian cells. To counteract osmotically induced volume perturbations, cells possess efficient mechanisms that control the intracellular osmolyte composition. The volume regulatory mechanisms operating under hyper- and hypotonic conditions are known, respectively, as regulatory volume increase (RVI) and decrease (RVD). During both, RVI and RVD, cells adjust the cellular content of inorganic ions (most notably Na+, K+ and Cl-) and organic solutes in order to gain or lose osmotically obligated water. These mechanisms counteract osmotic cell damage and enable the adaptation of cells to a wide range of extracellular osmolarities. Despite decades of research in this field, many aspects of the mechanisms underlying RVD and RVI remain poorly understood. In case of T lymphocytes, various cellular functions, including proliferation, migration and T cell activation are closely associated with the cell volume regulatory machinery. Among other mechanisms, all these processes are tightly linked by a network of potassium channels. The identification of this network is of great biomedical interest as it provides a key to pharmacological manipulation of the immune system. Current models of hypotonic volume regulation (RVD) in T-lymphocytes consider primarily the voltage-gated KV1.3 and the calcium-activated IKCa1 channel. The first part of this thesis explores the potential role of two-pore domain (K2P) potassium channels in RVD in murine and human primary CD4+-T lymphocytes. Using a combined genetic and pharmacological approach, time-resolved cell volume analysis revealed an important role of the K2P channels TASK1, TASK2, TASK3 and TRESK in swelling activated K+ efflux from hypotonically swollen T cells. Based on the analysis carried out here, the voltage-gated TASK2 as well as the calcium-activated TRESK channel were found as the most important K2P channels involved in the RVD of both naïve and stimulated T cells. The importance of TASK2 and TRESK in the RVD process was comparable to that of KV1.3. In summary, the data provide first evidence that hypotonic volume regulation of murine and human CD4+-T lymphocytes relies on K2P channels. With respect to the close relationship of T-cell function and volume regulatory mechanisms K2P channels may thus be considered as potential targets for immunomodulation. In the second and major part of this thesis, the swelling-activated transport pathways for small organic osmolytes (SOOs) were investigated. Nearly all eukaryotic cells possess a considerable reservoir of SOOs, such as polyols (e.g. sorbitol, myo-inositol), methylamines (e.g. betaine, α-glycerophosphoryl choline) and small amino acids (e.g. α-/β- alanine, proline and the derivate taurine), which are synthesized within the cells or accumulated from the extracellular medium. Since SOOs do not interfere with the integrity of macromolecules and the membrane potential, cells tolerate great cytosolic fluctuations of these solutes without negative effects on cellular structure or function. Due to these properties, small organic osmolytes are important tools for cell volume regulatory mechanisms, by which the intracellular osmolarity can be adjusted independently of electrolytes. Although the importance of SOOs for hypotonic volume regulation has been known for long time, the molecular identity of participating membrane efflux pathways is far from being clear. Regardless of the involved transporters, swelling-activated pathways have been reported to exhibit a size selective permeability for a wide range of sugars and related compounds. To gain a deeper insight into this issue, in a first step the impact of the molecular size on the permeation of low-molecular-weight polyethylene glycols (PEG200–1500) through the plasma membrane of Jurkat cells under iso- and hypotonic conditions was analyzed. Upon moderate swelling in slightly hypotonic solutions (200 mOsm), the lymphocyte membrane was found to remain impermeable to PEG300–1500, which allowed the cells to accomplish regulatory volume decrease. RVD also occurred in strongly hypotonic solutions (100 mOsm) of PEG600–1500, whereas 100 mOsm solutions of PEG300–400 inhibited RVD. These findings suggest that extensive hypotonic swelling rendered the cell membrane highly permeable to PEG300–400, but not to PEG600–1500. Using the values of hydrodynamic radii Rh for PEGs, the observed size-selectivity of membrane permeation yielded an estimate of ∼0.74 nm for the cut-off radius of the swelling-activated pathway for organic osmolytes. This result may be of interest for many biotechnological and biomedical applications, where swelling-activated SOO-pathways are widely used for cell-loading techniques. As a second step, an attempt was made to elucidate the molecular identity of transporters for organic osmolytes potentially involved in RVD. Since it was not clear whether RVD-related efflux of SOOs is mediated by one common or several distinct transporter(s), at first, the plasma membrane permeability profiles for two structurally dissimilar SOOs, including the amino sulfonic acid taurine and the polyol myo-inositol were analyzed. The results of the time resolved volumetric measurements clearly showed that the membrane permeability to taurine was activated upon moderate cell swelling (by ~15%) in mildly hypotonic solutions (~230 mOsm). In sharp contrast, the membrane permeability to myo-inositol was activated after a much larger swelling (~50%) in strongly hypotonic media (&lt;150 mOsm). Moreover, the swelling-activated permittivity to taurine during RVD in 100 mOsm medium persisted for about twice as long as that for myo-inositol (taurine ~95 min, myo-inositol ~40 min). These findings clearly showed that, taurine and myo-inositol utilized separate, apparently substrate-specific pathways, which were activated at different hypotonic thresholds. Since many members of SLC-family proteins (Solute Carrier) are known for their substrate selectivity and also for their contribution to osmoregulatory mechanisms a participation of SLCs was investigated in the context of RVD. To this end, a combination of molecular biological (semiquantitative RT-PCR) and fluorescence microscopy techniques (confocal and super-resolution microscopy) was used. The semiquantitative RT-PCR data showed a transcriptional upregulation for the SLC proteins SLC5A3 (myo-inositol transporter; SMIT) and SLC6A6 (taurine transporter TauT) in hypotonically stressed Jurkat lymphocytes, HEK293, and HepG2 cells. In all three human cell lines strongly hypotonic solutions (100 mOsm) increased the mRNA level of the genes SLC5A3 and SLC6A6 between 20-60% and 30-100%, respectively, suggesting a potential participation of SLC transporters in RVD. In addition, confocal microscopy images clearly showed the intracellular displacement of EGFP-tagged SLC5A3 expressed in HEK293 cells following strongly hypotonic stress (100 mOsm). Within 10 min the fluorescence of EGFP was shifted from intracellular regions towards the plasma membrane. Furthermore, super-resolution microscopy by means of dSTORM revealed a considerably increased membrane association of SLC5A3 in strongly hypotonic stressed (100 mOsm) HEK293 and Jurkat cells. This finding suggests that SLC5A3 is integrated into the plasma membrane by swelling-induced exocytosis. Taken together, the results of this investigation provided first evidence that transporters such as SLC5A3, SLC6A6 and probably other SLC-proteins participate in the mechanism of hypotonic volume regulation. Due to the relevance of SLC-proteins as potential drug delivery systems the possible role of these transporters might be of great interest for many biomedical research areas

Säugerzellen sind die bevorzugten Wirtszellen zur Produktion komplexer biopharmazeutischer Proteine, da die post-translational durchgeführten Modifikationen sowohl in funktionaler als auch in pharmakokinetischer Hinsicht humankompatibel sind. Ein großes Problem bei der Etablierung von Zelllinien mit hoher Expression des gewünschten Proteins ergibt sich aus der willkürlichen und ungerichteten Integration des rekombinanten Vektors in transkriptionsaktive oder -inaktive Loki des Wirtszellgenoms. Dadurch erhält man eine Population von Zellen, die völlig unterschiedliche Expressionsraten des heterologen Gens aufweist, wobei die Produktivität der Zellen in der Regel einer Normalverteilung folgt. Zur Identifizierung von Zellklonen, die eine sehr hohe Expression des heterologen Produktgens aufweisen, muss deshalb eine Vielzahl von Klonen überprüft und getestet werden, resultierend in einem hohen Zeit-, Arbeits- und Kostenaufwand. Optimierungen des zur Transfektion eingesetzten Vektorsystems zielen deshalb darauf ab, durch geeignete Selektionsstrategien den Anteil von Hochproduzenten in der transfizierten Zellpopulation zu erhöhen und somit den Aufwand in der Klonidentifizierung zu reduzieren. Die Entwicklung eines derartigen Expressionssystemes ist Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Zwei alternative Strategien, die beide auf der Beeinträchtigung des Selektionsmarkers basieren wurden untersucht. Die Beeinträchtigung des Selektionsmarkers sollte bewirken, dass Klone mit einer Integration in transkriptionsinaktiven Genloki die Selektion nicht überstehen und absterben, während Klone mit einer Integration in transkriptionsaktiven Genloki die Beeinträchtigung des Selektionsmarkers durch eine erhöhte Expression kompensieren können. Diese Klone sollten überleben und gleichzeitig eine hohe Produktexpression aufweisen. Eine der Strategien beruhte auf der Beeinträchtigung der Enzymfunktion des Selektionsmarkers, indem Mutationen in das Leseraster des Enzyms eingeführt wurden. Diese Arbeit zeigt, dass die Verwendung von mutierten Neomycin Phosphotransferase-Varianten als Selektionsmarker in CHO-DG44-Zellen für die Anreicherung von Hochproduzenten geeignet ist. Eine weitere Möglichkeit, die Expressionsrate eines stabil integrierten Produktgens zu erhöhen, ist der Einsatz von cis- und transwirkenden genetischen Elementen. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Sequenz aus dem Genom von CHO-Zellen auf mögliche expressionssteigernde Wirkung hin untersucht (Transcription Enhancing TE-Element). Es konnte gezeigt werden, dass dieses TE-Element die Expression eines rekombinanten Antikörpers in stabil transfizierten CHO-DG44-Zellpools verdoppelt<br>Mammalian cells are the preferred host fort he production of most complex protein therapeutics, as functionally and pharmacokinetically relevant post-translational modifications are highly human-compatible. A major problem when establishing cell lines with high expression rates of the protein of interest results from the random integration of the recombinant vector in transcription-active and –inactive loci of the host cell genome. As a consequence, a population of cells is obtained, which shows completely diverse expression rates of the heterologous gene, while in general, the productivity of the cells follows a normal distribution. Therefore, a multitude of clones has to be investigated in order to identify cells clones with high expression of the heterologous gene of interest, requiring a lot of time, capacitites and being costly. Thus, optimisations of the vector system used for transfection aim on appropriate selection strategies to elevate the proportion of high producers in the transfected cell population and consequently reduce the effort in clone identification. The development of such an expression system is the subject of this thesis. Two alternative strategies, both based on the impairment of the selection marker, were investigated. The reduced activity of the selection marker should result in the death of clones with a silent site integration. At the same time, clones with an active site integration can compensate the impairment of the selection marker by a higher expression. These clones should survive and simultaneously show a higher product expression. One of the strategies was based on the impairment of the selection marker’s enzyme function by introducing mutations into the enzyme’s open reading frame. This thesis shows that the use of mutated neomycin phosophotransferase-variants as selection marker in CHO-DG44 cells is suitable for the accumulation of high producers. Another possibility to raise the expression rate of a stably integrated product gene is the use of cis- and trans-acting genetic elements. In this thesis, a sequence from the CHO genome was investigated with regard to a possible expression augmenting effect. It has been demonstrated that this element doubled the expression of a recombinant antibody in stably transfected CHO-DG44 cell pools

Das fakultativ intrazelluläre Bakterium Listeria monocytogenes besitzt die Fähigkeit, eukaryotische Wirtszellen zu penetrieren, sich in diesen zu vermehren, fortzubewegen und zwischen den Zellen auszubreiten. Im Zuge des intrazellulären Lebenszyklus gehen Listerien Wechselwirkungen mit ver-schiedenen zellulären Proteinen ein. Als eines dieser Proteine konnte das zelluläre Phosphoprotein Stathmin identifiziert werden. Dieses Protein bindet an Untereinheiten des Tubulins und destabilisiert dadurch Mikrotubuli (MT). Es wird durch Phosphorylierung von vier spezifischen Serinresten in seiner MT-destabilisierenden Aktivität reguliert. Da Stathmin als Antwort auf externe Signale zelluläre Funktionen, z. B. Zell-Proliferation und Differenzierung reguliert, vermutet man seine Funktion in einer Art Relais welches verschiedene Signale aus dem Umfeld der Zelle integriert. In mit L. monocytogenes infizierten Wirtszellen wird Stathmin an die Oberfläche intrazellulärer Bakterien rekrutiert. Inwiefern diese Rekrutierung das Phosphorylierungsmuster von Stathmin und damit dessen Aktivität beeinflusst, konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht geklärt werden. Stathmin knock-out Mäuse sollten sich gut eignen, um die Rolle von Stathmin während einer Infektion mit L. monocytogenes EGD in vitro und in vivo zu untersuchen. Es stellte sich heraus, dass in Stathmin(-/-)-Makrophagen der intrazelluläre Lebenszyklus der Listerien nicht signifikant beeinflusst ist. Nach intravenöser Verabreichung von 5x103 L. monocytogenes waren drei Tage nach der Infektion in Leber und Milz der knock-out Mäuse allerdings signifikant mehr Listerien nachzuweisen, als in den Organen wildtypischer Mäuse. Mittels Immunfluoreszenzmikroskopie und einem anti-Stathmin-Antiersum konnte an mit verschiedenen L. monocytogenes-Mutanten infizierten Zellen gezeigt werden, dass Stathmin mit der Oberfläche intrazellulärer Listerien kolokalisiert. Allerdings konnten dabei die Angaben in der Literatur nicht bestätigt werden, wonach für diese Kolokalisation die Expression von ActA notwendig ist. Die Ergebnisse dieser Arbeit sprechen im Gegensatz zu den publizierten Daten dafür, dass Stathmin über einen bisher noch unbekannten Mechanismus ActA-unabhängig an intrazelluläre Listerien rekrutiert wird. Zweikomponentensysteme ermöglichen Bakterien eine rasche Anpassung an sich verändernde Umweltbedingungen, da sie extra- und intrazelluläre Stimuli in zelluläre Signale umwandeln. Um die 16 in der Genomsequenz von L. mono-cytogenes EGDe identifizierten Zweikomponentensysteme charakterisieren zu können, wurden individuelle Mutanten konstruiert, in denen individuelle Response Regulatorgene deletiert sind. Die erhaltenen Mutanten wurden in vitro und in vivo auf ihr Wachstumsverhalten hin untersucht. Es zeigte sich, dass unter den angewandten Kultur- und Versuchsbedingungen keines der Zweikomponentensysteme eine signifikante Rolle bei der Anpassung an Temperatur, sowie an oxidativen oder osmotischen Stress spielt. Die Zugabe von 5 % Ethanol hatte einen stark hemmenden Effekt auf das Wachstum von 4 Mutanten, wohingegen zwei andere Mutanten in Gegenwart des Alkohols deutlich besser wuchsen. Unter anaeroben Bedingungen konnte kein Unterschied im Wachstum beobachtet werden. Die Expression wichtiger Virulenzgene war in keiner der untersuchten Mutanten im Vergleich zum Ausgangsstamm verändert. Die intrazelluläre Replikation sowie intrazelluläre Bewegung und Ausbreitung im Zellrasen waren durch die Deletion der Response Regulatorgene nicht beeinträchtigt. Abgesehen von geringen Unterschieden in der Invasivität einiger Deletionsmutanten für Cos-1 und Caco-2 Zellen zeigte sich keiner der Response Regulatoren für den intrazellulären Lebenszyklus von L. monocytogenes erforderlich. Es zeigte sich, dass der in der vorliegenden Arbeit verwendete L. monocyto-genes-Wildstamm auch bei der für die Flagellenexpression normalerweise nicht-permissiven Temperatur von 37° C noch beweglich ist. Die L. monocytogenes &#916;degU-Mutante war dagegen auf Weichagar temperaturunabhängig unbeweglich. Die elektronenmikroskopische Analyse ergab, dass dieser Stamm im Gegensatz zum Wildtyp auch bei 24° C keine Flagellen ausbildet. Durch vergleichende Proteomanalysen konnte gezeigt werden, dass L. monocytogenes &#916;degU bei 24° C wesentliche Proteine des Flagellenapparates nicht synthetisiert. Mittels Transkriptomanalysen konnten die Ergebnisse der Proteomanalysen bestätigt werden. Es wurden neben Genen, die für Proteine der Flagellenbiosynthese und Chemotaxis codieren, noch weitere Gene identifiziert, die offensichtlich unter der transkriptionellen Kontrolle des Response Regulators DegU stehen. Die Ergebnisse der in vivo Studien zeigten, dass L. monocytogenes &#916;degU deutlich virulenzattenuiert ist. Für die restlichen L. monocytogenes &#916;TCS-Mutanten waren im Vergleich zum Wildtyp die Unterschiede in Leber und Milz nur leicht verändert und statistisch nicht signifikant<br>The facultative intracellular pathogen Listeria monocytogenes is able to penetrate eukaryotic host cells, to multiply and move intracellularly and to spread between the cells. In the course of the intracellular lifecycle the listeriae interact with different cellular proteins. The cellular phosphoprotein stathmin was identified as one of these proteins. This protein binds to the tubulin subunits thereby destabilizing microtubules. It is regulated in its microtubule-destabilizing activity via phosphorylation of four specific serine residues. Since stathmin regulates cellular functions, i. e. cell proliferation and differentiation, its function is presumed in acting as a type of relay integrating different signals of the cell´s environment. In L. monocytogenes infected host cells stathmin is recruited to the bacterial cell surface. Whether and to which extent this recruitment influences the phosphorylation pattern of stathmin and thereby its activity, could not be identified during this work. Stathmin knock-out mice should be valuable for experimentally testing the influence of stathmin in an infection with L. monocytogenes in vitro and in vivo. It appeared that the listerial intracellular lifecycle is not significantly influenced in stathmin(-/-) macrophages. However, three days after intravenous application of 5x103 L. monocytogenes EGD the bacterial load in liver and spleen of stathmin knock-out mice was significantly higher than in organs of wildtype mice. By means of immunfluorescence microscopy with an anti-stathmin antiserum it could be revealed that within infected cells stathmin colocalizes with the listerial cell surface. Data from the literature, however, suggesting that this recruitment of stathmin is dependent upon the expression of ActA, could not be confirmed implicating stathmin to be recruited in an up to now unknown ActA-independent manner. Two-component systems enable bacteria to efficiently adapt to changes in the environment by converting extra- and intracellular signals into cellular responses. In order to characterize the 16 identified two-component systems of L. monocytogenes EGDe in detail individual mutants with deletions in each one of the response regulator genes were constructed. The growth characteristics of the mutants were examined in in vitro and in vivo experiments. It appeared that under the culture and test conditions applied, neither one of the TCS plays a role for adapting to temperature, as well as oxidative or osmotic stress. The addition of 5 % ethanol severely impaired growth of 4 of the mutants, whereas growth of two other mutatns was enhanced. No difference in growth between wildtype listeriae and the individual mutants was observed when the cells were grown anaerobically. Expression of important virulencefactor genes was not altered in the mutants tested compared to the wildtype strain. Intracellular replication as well as intracellular movement and spreading was not affected by either one of the response regulator gene deletions. Despite a slightly reduced invasiveness of a few deletion mutants for Cos-1 and Caco-2 cells none of the response regulators appeared to be necessary for the intracellular lifecycle of L. monocytogenes. The wildtype strain used throughout this work proved to be motile even at 37° C, a temperature usually non-permissive for flagellin expression. In contrast, the L. monocytogenes &#916;degU mutant displayed a non-motile phenotype on semisolid agar irrespective of the temperature applied. Electron microscopical analysis demonstrated that, unlike the wildtype strain EGD, this deletion mutant did not produce flagella, not even at 24° C. Comparative proteomics revealed that at 24° C L. monocytogenes &#916;degU did not produce the major components of the flagella apparatus. The results of transcriptome analysis were in line with the results of the proteome analysis and, aside of genes for flagella biosynthesis and chemotaxis, identified other genes obviously under transcriptional regulation by DegU. In vivo studies revealed that only L. monocytogenes &#916;degU showed a conspicuous virulence attenuation. There were significantly less bacteria in liver and spleen compared to an infection with the wildtype strain L. monocytogenes EGD. For the other L. monocytogenes &#916;TCS-mutants the difference of bacterial counts in liver and spleen compared to the wildtype was slightly altered but not statistically significant

In der vorliegenden Arbeit wurden die Einflüsse verschiedener genotoxischer Substanzen auf Säugertierzellen untersucht. Da ein Organismus der Ontogenese unterliegt und sich Zellen aus Stamm- und Vorläuferzellen entwickelt, gilt es diese ursprünglichen Zellen vor äußeren Einflüssen zu schützen. Da bisher kaum Untersuchungen von Zellen in verschiedenen Differenzierungsstadien durchgeführt wurden, wurden unter Verwendung vieler unterschiedlicher biologischer Endpunkte Effekte auf die Vitalität, Proliferation, Mitose und Apoptose dieser Zellen untersucht. Zudem erfolgte eine Interpretation der Ausbildung von Mikrokernen, Entstehung von DNS-Schäden und der zugrundeliegenden Reparaturmechanismen. So konnte mit Hilfe der Untersuchungen der hämatopoetischen Stammzellen und der TK6-Zellen postuliert werden, dass hämatopoetische Stammzellen weitestgehend weniger empfindlich gegenüber Zytostatika (Doxorubicin, Vinblastin, Methylmethansulfonat und Mitomycin C) sind als die lymphoblastoide Zelllinie TK6, welche in der Entwicklungshierarchie den Stammzellen folgt. Die Befürchtung, dass der Mikrokerntest in immortalisierten TK6-Zellen als Grundlage für Genotoxizitätsuntersuchungen nicht genügen würden, konnte mit Hilfe der Versuchsergebnisse dieser Arbeit widerlegt werden. Die Ergebnisse belegen, dass der Mikrokerntest in TK6-Zellen relevant ist, da TK6-Zellen empfindlicher auf genotoxische Agentien im Vergleich zu hämatopoetischen Stammzellen reagieren. Bei der Untersuchung der Leukämiezelllinie HL-60 wurden die Effekte klassischer (Vinblastin, Vincristin, Vinflunin und Vinorelbin) mit neu synthetisierten Vinca-Alkaloiden (4-Chlorochablastin, 4-Chlorochacristin, 16a, 17b und 18a) verglichen. Vinca-Alkaloide werden sehr häufig mit Nebenwirkungen, wie Neuropathien assoziiert, welche während einer Chemotherapie oftmals zu Therapieabbrüchen durch die Patienten führen. Aus diesem Grund war es erstrebenswert, neuartige Vinca-Alkaloide zu entwickeln, welche weniger Nebenwirkungen aber zugleich eine ähnliche Wirksamkeit aufweisen. Obwohl die Potenz der neuen Substanzen niedriger war als bei Vinblastin, Vincristin und Vinorelbin, zeigte ein Teil eine ähnliche Wirkung wie das Vinca-Alkaloid Vinflunin auf die Krebszelllinie HL-60 auf. Die Ergebnisse diese Arbeit können als erste Indikation in vitro genommen werden, dass sich diese Substanzen in der Krebstherapie als wirksam erweisen könnten und nach weiteren Ergebnissen in vivo als therapeutische Alternativen in Betracht gezogen werden. Auch bei der vergleichenden Untersuchung von exponentiell wachsenden mit differenzierten Zelllinien konnten Unterschiede detektiert werden. Die Zelllinie HT-22, welche selbst keine Krebszelllinie ist, zeigte nach Differenzierung zu nicht exponentiell wachsenden Zellen eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber dem Alkylanz Methylmethansulfonat, was auf einer verminderten Basenexzisionsreparatur beruhen könnte. Auch die differenzierte Form der Adenokarzinom-Zelllinie CaCo2 zeigte eine gesteigerte Sensitivität gegenüber dem Topoisomerase II-Inhibitor Etoposid auf, wohingegen der unselektive Topoisomerase II-Hemmer Doxorubicin keinen Effekt aufwies. Um den Sachverhalt zu klären ob die festgestellten Unterschiede auf das Enzym Topoisomerase II zurückzuführen oder zellartspezifisch waren, wurden weitere Analysen der Zelllinien HL-60 und deren differenzierten Zellart durchgeführt. Auch hier konnten signifikante Unterschiede bei der Einzelzellgelelektrophorese nach Behandlung mit Doxorubicin und Etoposid festgestellt werden. Neben den in dieser Arbeit nachgewiesenen Unterschieden bei der Reparatur zwischen den Zelltypen, könnten aber auch weitere Faktoren zu Varianzen führen und die Mutagenitätsforschung beeinflussen. Folglich ist davon auszugehen, dass zukünftige Testungen bei der pharmakologischen Substanzentwicklung in verschiedenen Zellsystemen von Nöten sind, bevor neue Substanzen zugelassen werden. Alles in allem konnte die Komplexität der Ergebnisse zwischen Zellen der verschiedenen Differenzierungsstadien in dieser Arbeit aufgezeigt werden. Deswegen sollte auch bei weiteren Forschungsvorhaben insbesondere ein Augenmerk auf den Differenzierungszustand der zu untersuchenden Zellpopulation geworfen werden<br>In the present study, the influences of different genotoxic substances on mammalian cells were investigated. Given that organisms develop on the basis of ontogenesis and cells develop from stem cells and progenitor cells, it is important to protect these original cells from external influences. Due to the fact so far only few studies have been carried out on cells in different differentiation stages, many different biological endpoints, like effects on vitality, proliferation, mitosis and apoptosis of these cells have been investigated. In addition, the formation of micronuclei, the development of DNA damage and the underlying repair mechanisms were interpreted. The investigations of hematopoietic stem cells and TK6 cells have shown that hematopoietic stem cells are predominantly less sensitive to cytostatic drugs (doxorubicin, vinblastine, methyl methanesulfonate and mitomycin C) than the lymphoblastoid cell line TK6, which follows the stem cells in the development hierarchy. The fear that the micronucleus test in immortalized TK6 cells would not be sufficient as a basis for genotoxicity studies could be refuted with the results of this work. The results show that the micronucleus test in TK6 cells is relevant because TK6 cells are more sensitive to genotoxic agents than hematopoietic stem cells. During the investigation of the leukemia cell line HL-60, the effects of classic vinca alkaloids (vinblastine, vincristine, vinflunine and vinorelbine) were compared with novel synthesized vinca alkaloids (4-chlorochablastine, 4-chlorochacristine, 16a, 17b and 18a). Vinca alkaloids are very often associated with side effects, such as neuropathies, which often lead to discontinuation of therapy by patients during chemotherapy. For this reason, it was desirable to develop novel vinca alkaloids with fewer side effects but similar efficacy. Although the potency on the cancer cell line HL-60 of the new substances was lower than in vinblastine, vincristine and vinorelbine, some showed a similar effect to the vinca alkaloid vinflunine. The results of this work can be taken as a first indication in vitro that these substances may prove effective in cancer therapy and will be considered as therapeutic alternatives in vivo according to further results. Differences were also detected in comparative investigations of exponentially growing with differentiated cell lines. The cell line HT-22, which itself is not a cancer cell line, showed an increased sensitivity to the alkylating agent methyl methanesulfonate after differentiation to non-exponentially growing cells, which could be due to reduced base excision repair. The differentiated form of the adenocarcinoma cell line CaCo2 also showed an increased sensitivity to the topoisomerase II inhibitor etoposide, whereas the non-selective topoisomerase II inhibitor doxorubicin had no effect. In order to clarify whether the found differences due to the enzyme topoisomerase II or were cell-type-specific, further analyses were carried out with the cell line HL-60 and their differentiated cell type. Again, significant differences in single cell gel electrophoresis after treatment with doxorubicin and etoposide were detected. In addition to the differences in repair between cell types shown in this study, other factors could also lead to variances and influence mutagenicity research. Therefore, it is reasonable to assume that future testings in different cell systems are necessary for the development of pharmacologically active substances before new substances will be approved. Altogether, the complexity of the results between cells in the different differentiation stages becomes apparent in this work, which also means that further research projects would pay particular attention to the differentiation stage of the investigated cell population

Untersuchungen der Transkriptionsebene individueller präimplantatorischer Embryonalstadien können wertvolle Informationen über den physiologischen Status der betrachteten Embryonen, die z.B. zur Verbesserung der Systeme zur In vitro-Produktion von Embryonen genutzt werden können, liefern. Bisher fehlte es jedoch an einer geeigneten Technologie, um eine große Anzahl von Transkripten in einzelnen Embryonen zu erfassen. Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war es, ein Verfahren zur globalen Amplifikation embryonaler mRNA-Präparationen zu entwickeln, das die Analyse der Transkriptionsebene einzelner präimplantatorischer Embryonalstadien über die cDNA-Array-Technologie ermöglicht. Dazu wurde die Strategie gewählt, zwei bereits etablierte Amplifikationsverfahren, Polymerasekettenreaktion und In vitro-Transkription, zu kombinieren, um so synergistische Effekte beider Verfahren zu nutzen. Die Evaluierung des entwickelten Verfahrens zeigte eine hohe Reproduzierbarkeit der erhaltenen Genexpressionsdaten und belegte, dass die relativen Mengenverhältnisse einzelner mRNA-Spezies zueinander während der globalen mRNA-Amplifikation nur unwesentlich verändert wurden. Die entwickelte Methodik ist somit geeignet, komplexe Genexpressionsprofile einzelner Blastozysten zu erstellen und Unterschiede in der Expressionsstärke einzelner Transkripte zu detektieren. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass es möglich ist, über heterologe Hybridisierung Genexpressionsprofile boviner Blastozysten mit cDNA-Arrays, die murine Probensequenzen enthalten, reproduzierbar darzustellen. Neben der Detektion individueller Unterschiede in den Genexpressionsprofilen diverser muriner Embryonalstadien und boviner Blastozysten lag ein Schwerpunkt dieser Arbeit in der Untersuchung der Auswirkungen verschiedener in vitro-Produktionssysteme auf die embryonale Genexpression. Die erhaltenen cDNA-Array Expressionsdaten muriner Oozyten, Zweizeller und Blastozysten befanden sich dabei in Übereinstimmung mit Daten früherer Publikationen anderer Arbeitsgruppen. Genexpressionsprofile in vitro fertilisierter boviner Blastozysten ließen eine Beurteilung der Auswirkungen unterschiedlicher Proteinsupplemente des Kulturmediums auf die embryonale Genexpression zu. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zum ersten Mal Genexpressionsprofile einzelner präimplantatorischer Säugerembryonen über cDNA-Array-Analyse erstellt. Die entwickelte Technologie ermöglicht es -bei Verwendung entsprechender cDNA-Array-Systeme-, eine theoretisch unbegrenzte Zahl von Transkripten in individuellen Säugerembryonen semiquantitativ zu erfassen. Dies ist ein wichtiger Schritt hin zu einem besseren Verständnis komplexer Regulationsabläufe während der frühen Embryonalentwicklung und einer besseren Beurteilung der Lebensfähigkeit und Entwicklungskompetenz in vitro produzierter Embryonen, was für die Verbesserung von In vitro-Produktionssystemen für Embryonen sowohl bei Tieren als auch beim Menschen unerlässlich ist<br>Transcript expression profiling in single mammalian embryos can provide valuable information about their physiological status and developmental competence that can be exploited to improve systems for embryo in vitro production. Conventional methodologies such as RT-PCR limit the number of transcripts that can be quantitatively screened in a single embryo to only a few. The purpose of this study was to develop and evaluate a methodology for the global amplification of mRNA that permits cDNA-array analysis of individual preimplantation embryos. For this purpose, two conventional amplification procedures – polymerase chain reaction and in vitro transcription – were combined to a global amplification procedure. Evaluation of methodology developed revealed that data produced were high reproducible and that the relative transcript levels found in the original (non-amplified) sample were maintained throughout the amplification process. Thus, this method is suitable to generate complex gene expression profiles and to detect differentially expressed transcripts in individual mammalian embryos. Furthermore, this study demonstrates that expression profiles can reproducibly be produced from bovine embryos using arrays consisting of murine cDNA-probes by heterologous hybridization. The focus of this study was to establish a methodology to detect differentially expressed genes in different murine developmental stages and in bovine embryos derived from different in vitro production systems. The data obtained from murine oocyte, 2-cell stage and blastocyst expression profiles were in agreement with data previously published by other groups. Expression profiles from bovine in vitro fertilized embryos cultured in different media revealed effects of different media protein supplementation on embryonic gene expression. In this study, for the first time, gene expression profiles were generated from single mammalian preimplantation embryos via model cDNA-arrays. Using state-of-the-art cDNA-arrays this technology features the quantitative screening of a virtually unlimited number of transcripts in individual blastocysts and cleavage stages. Complex expression profiles of preimplantation embryos will contribute to the understanding of the molecular mechanisms essential for embryogenesis. This is crucial for the improvement of systems for in vitro production of mammalian embryos