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- I-5818-2014 (1)
- J-8841-2015 (1)
- M-1240-2017 (1)
- N-2030-2015 (1)
- N-3741-2015 (1)
EU-Project number / Contract (GA) number
- 311781 (1)
- 320377 (1)
- EU (FP7/ 2007-2013) (1)
CRISPR-Cas systems are a versatile tool in genetic engineering because they can be easily reprogrammed to cut a specific chromosomal region or RNA transcript. The choice of nuclease, gRNA design, and target region all influence targeting efficiency, so the appropriate CRISPR components should be chosen depending on the desired application. This thesis examines factors that influence targeting in both DNA- and RNA-targeting CRISPR systems. Chapter 1 discusses the importance of target RNA abundance in shaping the immunity of type VI CRISPR systems. In bacteria, the Cas13 nuclease is known to degrade RNA specifically and non-specifically, leading to cell growth arrest, also known as dormancy. In this chapter, the factors that determine dormancy are investigated by targeting genome- and plasmid-encoded transcripts in E. coli. The observations are extended to a gRNA library targeting the entire coding genome and gRNA design rules are extrapolated. Finally, the role of Cas13 in defense is investigated by testing how the system behaves during viral infection or plasmid transformation. Chapter 2 also looks at the factors that characterize targeting efficiency, but focuses on the Cas12a DNA-targeting system in K. pneumoniae. The ultimate goal is to develop CRISPR antimicrobials as alternatives to antibiotics to eliminate multidrug-resistant and hypervirulent bacteria. Several nucleases are tested for antimicrobial activity, the Cas12a nuclease is selected and the same gRNAs are used against different strains to understand the robustness of the method. Rules for gRNA design are also investigated by looking at secondary structure and testing a gRNA library across several genomic regions in two different strains. This information is used to develop a machine-learning algorithm to predict gRNA activity. In addition, the CRISPR-Cas systems are also packaged in a T7-like phage with engineered tail fibers and delivered to K. pneumoniae. While Chapter 2 uncovers various factors that improve targeting efficiency, Chapter 3 aims to reduce targeting by the Cas9 and Cas12a nucleases to favor homology-directed repair for genome editing in E. coli. Targeting is slowed down so that some copies of the chromosomes remain intact, allowing the bacterium to survive and integrate the desired edit. To reduce targeting, different gRNA formats or nuclease variations are used, gRNA expression is modulated, or gRNAs with attenuated targeting are designed. Attenuated gRNAs are tested to introduce point mutations as well as whole gene deletions and substitutions, and the method is extended to Klebsiella oxytoca and Klebsiella pneumoniae, where it is applied to block transcription of an antibiotic resistance gene in the genome, restoring sensitivity to ampicillin. Overall, this work discusses how changing the CRISPR components alters the outcome of targeting and highlights strategies to achieve efficient or attenuated targeting depending on the desired application.
Variabilität der Penetranz und klinischen Manifestation der autosomal dominanten Osteopetrose Typ II
(2024)
Die autosomal dominante Osteopetrose Typ II ist eine seltene sklerosierende Skeletterkrankung, die durch heterozygote Varianten im CLCN7-Gen verursacht wird. Die klinische Manifestation umfasst ein breites Symptomspektrum. Charakteristisch sind die unvollständige Penetranz und eine hohe Variabilität der Phänotyp-Expression. Beide Phänomene führen wir am ehesten auf eine monoallelische Inaktivierung zurück.
Diese Studie war eine retrospektive Datenauswertung, die 14 ADO II-Betroffene mit klinischer Manifestation der Erkrankung sowie 5 PatientInnen mit Carrier-Status eingeschlossen hat. Diese wurden im Rahmen einer ausführlichen Diagnostik untersucht, bei der Parameter im Hinblick auf den Zustand des Skelettsystems, körperliche Funktionen und Symptome sowie die gesundheitsbezogene Lebensqualität und der Leidensdruck erfasst wurden. Diese Variablen wurden zwischen der Betroffenen- und Carrier-Gruppe verglichen, wobei die Ergebnisse humangenetischer Untersuchungen berücksichtigt wurden, welche Gene umfassten, deren Produkte im Knochenstoffwechsel eine Rolle spielen.
In 6 Stammbäumen und einem sporadischen Fall konnten 5 verschiedene heterozygote CLCN7-Varianten festgestellt werden. Zusätzlich wurden ALPL- und LRP5-Varianten entdeckt. Der Einfluss dieser zusätzlichen Varianten auf die Penetranz und die klinische Manifestation des ADO II-Phänotyps wurden diskutiert.
Es konnte festgestellt werden, dass Betroffene in allen betrachteten Bereichen, d.h. klinisch, osteodensitometrisch und laborchemisch krankheitstypische Veränderungen zeigten, wohingegen Carrier keinerlei Auffälligkeiten aufwiesen.
Die nach Alter stratifizierte Auswertung der Funktionstestung und Lebensqualität offenbarte mit zunehmendem Alter stärkere Einbußen in der Funktionsfähigkeit und der gesundheitsbezogenen Lebensqualität bei Betroffenen gegenüber den Carriern. Eine Zunahme der Krankheitssymptome und eine Verschlechterung des Gesundheitszustandes im Laufe des Lebens könnten demnach angenommen werden.
Hematopoietic stem cell transplantation (HSCT) is a promising therapy for various malignancies and immune deficiency diseases, but it is often associated with graft versus host disease (GvHD), a life-threatening complication arising from immunological incompatibility between donor T cells and host tissues. Current standard therapies for GvHD involve the use of calcineurin inhibitors (CNIs) such as cyclosporine A (CsA) and tacrolimus (FK506), which effectively suppress T cell activation and proliferation. However, these drugs also impair the graft versus leukemia (GvL) effect, which is the advantageous ability of donor T cells to eliminate malignant cells.
Our previous studies demonstrated that the selective deletion of one or two members of the nuclear factor of activated T cells (NFAT) transcription factor family in donor T cells effectively prevented harmful GvHD without compromising GvL activity. This finding highlighted the potential of NFAT as a therapeutic target for GvHD.
In this study, we developed and evaluated novel treatment strategies that specifically target NFAT during allogeneic HSCT. We focused on the development of small molecules that mimic the PxIxIT motif of NFAT, thereby competitively inhibiting its binding to CN (CN) without affecting CN phosphatase activity. We identified two promising candidates, C17 and MRD37, and evaluated their efficacy in inhibiting NFAT and suppressing pro-inflammatory cytokine production. Among these molecules, MRD37 demonstrated the highest potency in selectively inhibiting NFAT at a sub-IC50 concentration without compromising the functional capacity of regulatory T cells (Tregs) in vitro. Furthermore, we demonstrated that MRD37 could effectively protect mice from major mismatch GvHD in vivo. This protection was initially predicted to be due to the enhanced presence of Tregs and Tr1-type cells but when pretreated T cells devoid of Tregs were transplanted it unraveled an additional increase of Th2-like cytokine release. Finally, our in vitro studies on human T cells confirmed that MRD37 could specifically inhibit NFAT while preserving the Treg population, suggesting its potential as a novel therapeutic strategy for GvHD.
Our findings provide compelling evidence for the development of MRD37 as promising alternative to CNIs in mitigating GvHD.
Bei Patienten mit invasiver Aspergillose fanden sich gegenüber gesunden Probanden deutlich erhöhte Werte A. fumigatus spezifischer CD154+/CD4+ Zellen. Die Anwendbarkeit dieses Assays im klinischen Routinebetrieb und bei gegenüber A. fumigatus epxonierten Probanden und Patienten sollte in dieser translationalen Arbeit untersucht werden.
Für den vorbeschriebenen Assay zur Bestimmung CD154+/CD4+ Zellen aus aufgereinigten PBMCs zeigt diese Arbeit eine signifikant reduzierte Detektionsrate nach Blutprobenlagerung von über 2 Stunden. In der Literatur beschriebene Verfahren zur verlängerten Lagerungszeit von heparinisierten Blutproben mittels vorhergehender Dilution und Agitation ermöglichen keine Verlängerung präanalytischer Lagerungszeiten über 6 Stunden. Die Kryokonservierung frisch aufbereiteter PBMCs bei −20 C vor Bestimmung A. fumigatus spezifischer T-Zellen wird als Versandmöglichkeit in einem multizentrischen Setting gezeigt. Um die klinische Anwendbarkeit zu verbessern, wird ein Vollblutprotokoll zur Detektion A. fumigatus spezifischer CD154+/CD4+ Zellen demonstriert, das die Verwendung von bettseitig mit Vollblut beimpften Blutmonovetten mit vorgelegtem A. fumigatus-Lysat ermöglicht.
Die Anwendung des Assays zur Bestimmung A. fumigatus spezifischer T-Zellen wurde bei hämatoonkologischen Patienten vor und drei Monate nach Stammzelltransplantation untersucht. Insbesondere eine reduzierte Zellzahl der gemessenen Lymphozyten ist hier ein limitierender Faktor der erfolgreichen Messung. Aufgrund der generell nied- rigen Erfolgsrate von 20 % bzw. 54 % vor bzw. nach HSCT ist die Anwendbarkeit des Assays in diesem Kollektiv fraglich. Die Erhebung von Expositionsfaktoren gesunder Probanden gegenüber A. fumigatus ermöglicht die Einteilung in eine schwach und stark gegenüber A. fumigatus exponierte Gruppe mit signifikant erhöhtem Anteil A. fumigatus spezifischer CD154+/CD4+ Zellen. Hierzu trägt insbesondere das Vorliegen antigenspezifischer T-Gedächtniszellen als Korrelat einer langfristigen Exposition bei. Retrospektiv fand sich auch nach kurzfris- tiger beruflicher Exposition ein Anstieg CD154+/CD4+ spezifischer T-Zellen. Dies legt eine Verwendung CD154+/CD4+ spezifischer T-Zellen als Biomarker in Bereichen der umweltmedizinischen Abklärung von Schimmelpilzexposition oder der Diagnostik allergischer Erkrankungen nahe.
Die Diagnosestellung von unipolarer und bipolarer Depression basiert bis heute ausschließlich auf der Bewertung klinischer Symptome. Objektive biochemische Marker, wie sie bei zahlreichen somatischen Krankheiten zur Diagnosestellung angewendet werden, sind bisher nicht verfügbar. Da sich die beide Krankheitsbilder vor allem in der depressiven Episode stark ähneln, ist eine Unterscheidung in diesem Krankheitsstadium häufig nicht eindeutig möglich. Dies kann zu Fehldiagnosen, einer Verschlechterung des Krankheitsverlaufs, einer erhöhten Krankheitslast und höheren Gesundheitskosten führen. Periphere Biomarker wären daher wertvoll, um die klinische Diagnosestellung zu unterstützen und eine adäquate Behandlung frühzeitige zu ermöglichen.
In einer vorherigen Studie der Arbeitsgruppe haben Proteom-Analysen bestimmte Proteine wie den Wachstumsfaktor PDGF-BB und das Thrombospondin TSP-1 identifiziert, die potenziell als Biomarker fungieren könnten. In der vorliegenden Studie wurde untersucht, ob sich die Konzentration von PDGF-BB und TSP-1 im Blut zwischen Patient*innen mit unipolarer bzw. bipolarer Depression signifikant unterscheidet.
Es konnte gezeigt werden, dass PDGF-BB bei unipolaren Patientinnen signifikant niedriger ist als bei bipolaren Patientinnen und gesunden Kontrollpersonen. Zudem sank die PDGF-BB-Konzentration bei bipolaren Patientinnen während einer remittierten Episode im Vergleich zu einer depressiven Episode signifikant ab. Im Gegensatz dazu zeigte TSP-1 keine signifikanten Unterschiede zwischen den Patient*innengruppen und Kontrollpersonen.
Die Arbeit konnte zeigen, dass PDGF-BB das Potenzial hat, als diagnostischer Biomarker für die Unterscheidung zwischen unipolarer und bipolarer Depression zu dienen, während TSP-1 in dieser Hinsicht nicht geeignet erscheint. Weitere Forschung ist jedoch notwendig, um die Rolle von PDGF-BB in der Pathogenese affektiver Erkrankungen besser zu verstehen und seinen Einsatz als Biomarker im klinischen Alltag zu validieren.
Die vorliegende Promotionsstudie leistet durch Gewinnung neuer Erkenntnisse zur zahnmedizinisch (technik-)historischen Forschung mittels der Erarbeitung und Darstellung einer chronologisch geordneten Entwicklungsgeschichte der zahnärztlich-prothetisch verwendeten Metalllegierungen sowie ihrer dentalen Technologie einen eigenständigen Forschungsbeitrag und trägt damit zu neuen Erkenntnissen in der zahnmedizinisch-historischen Forschung bei. Als problematisch stellte sich zu Beginn des 19. Jahrhunderts die Kunst des Legierens selbst heraus. So legierten und fertigten die Zahnärzte ihre Metalllegierungen bis zum Ende des 19. Jahrhunderts meistens noch selbst, bedienten sich an vorlegierten Dukatengoldlegierungen oder beauftragten Goldschmiede. Diverse nützliche Legierungskompositionen wurden schriftlich von Pionieren der Zahnheilkunde und den ersten, erfahrensten Prothetikern dieser Zeit in deren frühen Lehrbüchern und Veröffentlichungen festgehalten und damit der breiten Zahnärzteschaft zugänglich gemacht. Mit ihrem Engagement wurde der Weg von der Empirie nicht nur bis zur Verwissenschaftlichung der Zahnmedizin geebnet, sondern zugleich der Fortschritt der dentalen Materialwissenschaft und besonders der Verarbeitungstechnologie dentaler Metalllegierungen eingeläutet. Erst zu Beginn des 20. Jahrhunderts etablierte sich durch Forschung und Vernetzung von Chemie, Metallurgie, Industrie und Zahnmedizin eine sach- und fachkundige zahnärztliche Werkstoffkunde mit speziellen prothetisch geeigneten Metalllegierungen. Die verschiedenen Typenbezeichnungen Goldersatzlegierungen, Austauschlegierungen, Alternativlegierungen oder Aufbrennlegierungen waren in jeder Epoche einem tiefgreifenden Wandel unterworfen und charakteristisch für die jeweilige Zeit. Eine wichtige Erkenntnis aus dieser Studie ist, dass politisch-ökonomische Veränderungen, insbesondere schwankende Edelmetallpreise, Inflation, politische Beschränkungen aufgrund von (vor-)kriegswirtschaftlichen Sparmaßnahmen sowie Gesundheitsreformen und Kostendämpfungsgesetze einen erheblichen Einfluss auf die Zahnärzte und die zahnmedizinisch-prothetische Rehabilitation ihrer Patienten hatte. Die indikationsgerechte Metalllegierungsauswahl und die damit verbundenen optimalen Materialeigenschaften für Zahnersatz und Patienten stellten Zahnärzte damals wie heute vor eine Herausforderung.
Atherosklerose ist eine chronisch inflammatorische Erkrankung der Gefäßwände, bei der sowohl die angeborene als auch die erworbene Immunantwort beteiligt ist. Von Monozyten abstammende Makrophagen spielen eine Schlüsselrolle bei der Entstehung atherosklerotischer Läsionen. Durch die Aufnahme modifizierte Lipide (z.B. oxLDL) werden sie zu Schaumzellen, sezernieren inflammatorische Zytokine und befeuern somit die vaskuläre Entzündungsreaktion. Makrophagen können jedoch auch schützende Funktionen wahrnehmen, bspw. durch die antiinflammatorische Aufnahme apoptotischer Zellen, die Efferozytose. Um den Einfluss CD8+ T-Zellen auf Makrophagen zu bestimmen, wurde ein in vitro Model gewählt, in dem aktivierte CD8+ T-Zellen mit aus Knochenmark isolierten Makrophagen kokultiviert wurden. Zunächst konnte gezeigt werden, dass CD8+ T-Zellen die oxLDL Aufnahme und Schaumzellbildung der Makrophagen fördern, assoziiert mit der gesteigerten Expression des oxLDL Rezeptors CD36 und verminderten Expression des reversen Cholesterintransporters ABCA1. Zusätzlich reduzierten CD8+ T-Zellen die Phagozytose apoptotischer Zellen und die Sekretion des antiinflammatorischen Zytokins IL-10 als Antwort auf die Aufnahme apoptotischer Zellen, was auf eine verminderte Efferozytose hindeutet. Zudem förderten CD8+ T-Zellen die Expression des proinflammatorischen M1-Polarisationsmarker iNOS in Makrophagen und die Sekretion des proatherogenen Chemokins CCL2. Durch die Zugabe neutralisierender Antikörper in die in vitro Kultur konnte gezeigt werden, dass die aufgeführten Prozesse teilweise von den klassischen Effektorzytokinen der CD8+ T-Zellen, INFγ und TNFα, abhängen.
Zusammenfassend zeigen unsere Daten, dass CD8+ T-Zellen die Ausbildung eines proatherogenen Phänotyps der Makrophagen, durch die Steigerung der Schaumzellbildung und Förderung der proinflammatorischen Makrophagenpolarisation, sowie die Inhibierung der antiinflammatorischen Efferozytosefunktion, bewirken.
HausärztInnen sind für die Primärversorgung von PatientInnen mit COVID-19 zuständig. Zum Zeitpunkt der Planung und Durchführung dieser Studie ließen sie kaum Untersuchungen zu den Erfahrungen von HausärztInnen während der ersten Pandemiewelle finden. Das Ziel der Arbeit war, durch eine qualitative Datenerhebung Einblicke zu gewinnen, wie HausärztInnen die ersten Monate der COVID-19-Pandemie erlebt haben. Die Untersuchung war Teil einer übergeordneten Querschnittsstudie, in der Erhebungen mit strukturierten Fragebögen und qualitativen Befragungen stattfanden. Für den qualitativen Abschnitt wurden semistrukturierte Interviews mit 22 HausärztInnen aus vier Bundesländern durchgeführt. Die Einladung zur Teilnahme erfolgte mit der Aussendung von Fragebögen im Rahmen der quantitativen Datenerhebung. Die Daten wurden anhand der inhaltlich strukturierenden qualitativen Inhaltsanalyse nach Kuckartz ausgewertet. In der Studie zeigte sich, dass HausärztInnen ihr Praxismanagement und ihre PatientInnenversorgung in der Pandemie rasch umstrukturieren mussten. Mangel an Schutzmaterialien, die Trennung infektiöser PatientInnen und schnell wechselnde Vorgaben wurden als große Herausforderungen identifiziert. In den Interviews wurden außerdem Bedenken über die Folgen der sozialen Distanzierung auf die therapeutische Beziehung geäußert. Teamarbeit in der Praxis und kollegialer Austausch in Gemeinschaftspraxen stellten besonders wichtige Faktoren dar, um die zahlreichen Herausforderungen zu überwinden. Die Teilnehmenden nahmen sich selbst als Vorbilder mit einer hohen Verantwortung für die Gesundheit ihrer PatientInnen wahr.. Sie betonten die Relevanz von klaren und konsistenten Regelungen durch den öffentlichen Gesundheitsdienst sowie von zuverlässigen Informationen. Um die hausärztliche Versorgung in zukünftigen Pandemien zu unterstützen, sollten bürokratische Hürden so weit wie möglich reduziert und verständliche Informationen bereitgestellt werden. Da HausärztInnen eine zentrale Rolle in der Beratung und Therapie von PatientInnen mit COVID-19 spielten, erscheint deren konsistente Einbeziehung in Entscheidungsprozesse durch Institutionen des öffentlichen Gesundheitsdienstes von besonderer Wichtigkeit.
In this thesis I explore the interplay of geometry and quantum information theory via the holographic principle, with a specific focus on geometric phases in quantum systems like two interacting qubits, and how they relate to entanglement measures and Hilbert space factorisation. I establish geometric phases as an indicator for Hilbert space factorsiation, both in an abstract sense using von Neumann operator algebras as well as applied to the eternal black hole within the AdS/CFT correspondence. For the latter case I show that geometric phases allow to diagnose non-factorisation from a boundary point of view. I also introduce geometric quantum discord as a second geometric measure for non-factorisation and reveals its potential implications for the study of black hole microstates.
Biochemical characterization of the TFIIH translocase XPB from \(Chaetomium\) \(thermophilum\)
(2024)
DNA repair and gene expression are two major cellular processes that are fundamental for the maintenance of biological life. Both processes require the enzymatic activity of the super family 2 helicase XBP, which is an integral subunit of the general transcription factor TFIIH. During transcription initiation, XPB catalyzes the initial melting of promoter DNA enabling RNA polymerase II to engage with the coding DNA strand and start gene transcription. In nucleotide excision repair, XPB acts in concert with the other TFIIH helicase XPD causing strand separation around a lesion site. Mutations within the genes encoding XPB or other TFIIH subunits are associated with different cancer types as well as with the autosomal recessive disorders Xeroderma Pigmentosum and trichothiodystrophy and rarely combined features of Xeroderma Pigmentosum and Cockayne syndrome.
In the last few years, great progress has been made towards unraveling the structure of TFIIH and its individual subunits including XPB. These structural insights tremendously improved our understandings with respect to the molecular interactions within this intriguing protein complex. However, the underlying regulation mechanisms that functionally control XPB during transcription and repair remained largely elusive. We thus executed the biochemical characterization of this protein to investigate the functional network that regulates XPB within the scaffold of TFIIH. Due to their enhanced stability compared to the human proteins, we utilized the proteins that originate from the thermophilic fungus Chaetomium thermophilum for this purpose as a model organism for eukaryotic TFIIH.
The present work provides novel insights into the enzymatic function and regulation of XPB. We could show that both, DNA and the TFIIH subunit p52 stimulate XPB’s ATPase activity and that the p52-mediated activity is further boosted by p8, another subunit within TFIIH. Surprisingly, DNA can activate XPB’s ATPase activity to a greater extent than its TFIIH interaction partners p52/p8, but when both, i.e. p52/p8 and DNA are present at the same time, p52 dominates the activation and the enzymatic speed is maintained at the level observed through the sole activation of p52/p8. We thus defined p52 as the master regulator of XPB that simultaneously activates and represses XPB’s enzymatic activity. Based on a correlative mutagenesis study of the main interface between p52 and XPB that was set into context with recent structural data, a model for the p52-mediated activation and speed limitation of XPB’s ATPase was proposed. The research on XPB’s ATPase was expanded with the investigation of the inhibition mechanism of XPB’s ATPase via the natural compound Triptolide. Furthermore, we investigated XPB’s DNA translocase function and could observe that XPB can only perform its translocase movement when it is fully incorporated into core TFIIH and this translocase movement is further enhanced by the nucleotide excision repair factor XPA. Fluorescence polarization measurements with nucleotide analogues revealed that XPB displays the highest affinity towards DNA in the ADP + Pi bound state and its binding is weakened when ADP is bound or the nucleotide is dissociated from the enzyme, suggesting a movement on the DNA during the distinct states of the ATPase cycle. Finally, the well-known and highly conserved RED motif was found to be the crucial element in XPB to enable this translocase movement. Combined, the data presented in this work provide novel insights into the intricate regulation network that controls XPB’s enzymatic activity within TFIIH and furthermore show that XPB’s enzymatic activity is tightly controlled by various factors.