Die Positionsklonierung hat sich als erfolgreiche Strategie zur Identifizierung und Isolierung von Genen erwiesen. Da ihre Anwendung im Allgemeinen keine Informationen über den zugrundeliegenden Pathomechanismus einer Erkrankung voraussetzt, eignen sich die Methoden der Positionsklonierung in besonderem Maße für die Erforschung hereditärer Netzhauterkrankungen. Im Rahmen der hier vorliegenden Arbeit wurden sie zur Untersuchung ausgewählter retinaler Degenerationen eingesetzt. Dabei konnten wichtige Beiträge für die Aufklärung der genetische Ursachen dieser Erkrankungen geleistet werden. Die autosomal dominante North Carolina Makuladystrophie (NCMD) oder die zentral areoläre Pigmentepitheldystrophie (CAPED) sind allelische Erkrankungen mit allenfalls gering progredientem Verlauf. Ihr Genlokus liegt in einem etwa 7,2 cM großen Bereich auf 6q14-q16.2 zwischen den DNA-Markern D6S424 und D6S1671. Mit Hilfe von 21 polymorphen DNA-Markern welche den NCMD-Lokus (MCDR1) flankieren, wurden Kopplungsanalysen in drei deutschen NCMD-Familien durchgeführt. Die Analyse der krankheitsassoziierten Haplotypen erbrachte Hinweise auf einen gemeinsamen Vorfahren aller drei Familien. Darüber hinaus konnte der MCDR1-Lokus auf 3,2 cM eingeengt werden und wird von den Markern D6S249 und D6S475 flankiert. Dies bedeutet einen wichtigen Schritt auf dem Weg zur Klonierung des zugrundeliegenden Krankheitsgens. Eine häufige Ursache für den frühzeitigen Verlust der zentralen Sehschärfe bei Jungen ist die X-gebundene juvenile Retinoschisis (RS). Ihr Genlokus wurde in einen etwa 900 kb großen Bereich auf dem kurzen Arm des X-Chromosoms (Xp22.2) kartiert, wo er von den DNA-Markern DXS418 und DXS999/DXS7161 flankiert wird. Die Analyse von EST-Sequenzen aus dieser Region ermöglichte die Isolierung eines neuen retinaspezifischen Transkriptes, welches als RS1 bezeichnet wurde. Das RS1-Gen besteht aus sechs Exonen und codiert ein Protein, welches eine in der Evolution hoch konservierte Discoidin-Domäne enthält. Diese Domäne ist in anderen Proteinen u.a. an der Ausbildung von Zell-Zell-Interaktionen beteiligt. Mutationsanalysen in betroffenen Personen aus neun nicht-verwandten RS-Familien ergaben neun verschiedene Sequenzveränderungen die mit dem Krankheitsbild der jeweiligen Familie segregierten. Einen ersten Einblick in die zeitliche und räumliche Expression ergab die Untersuchung des murinen Orthologs Rs1h mit Hilfe von Northern Blot, RT-PCR und RNA in situ-Hybridisierungen. Rs1h wird in der Maus hauptsächlich in den Photorezeptoren exprimiert. Die Expression beginnt erst postnatal und ist mit der Entwicklung der Photorezeptoren korreliert. Das Auftreten zahlreicher weißlich-gelber Flecken, sogenannter Drusen, in radiärer Anordung am hinteren Augenpol ist das charakteristische Merkmal einer Gruppe von Netzhauterkrankungen mit gemeinsamer Ätiologie, die unter dem Begriffen Doynsche Honigwaben Dystrophie (DHRD), Malattia Leventinese (MLVT) oder radiäre Drusen zusammengefasst werden. Der Genlokus dieser Erkrankung wurde auf den kurzen Arm von Chromosom 2 in den Bereich 2p16 kartiert. Die Durchsuchung von EST-Datenbanken führte zur Identifizierung des neuronal exprimerten Gens pNEU60. Dieses besteht aus zwei Exonen, wobei der vollständige codierende Bereich im zweiten Exon liegt. Die Analyse des pNEU60-Proteins ergab eine Struktur aus sieben Transmembrandomänen, dem gemeinsamen Merkmal G-Protein gekoppelter Rezeptoren, wie z.B. Rhodopsin. Patienten mit radiären Drusen zeigten keinerlei Sequenzveränderungen in pNEU60. Die Untersuchung von fast 200 Patienten mit der phänotypisch sehr ähnlichen altersbedingten Makuladegeneration (AMD), führte zur Identifizierung von drei potentiellen Mutationen, darunter eine nonsense-Mutation, sowie zwei polymorphen Veränderungen. Die Assoziation einer einzigen missense-Mutation (R345W) im ubiquitär exprimierten Gen EFEMP1 (EGF-containing fibulin-like extracellular matrix protein 1) mit der DHRD und MLVT wurde von einer amerikanischen Arbeitsgruppe nachgewiesen. Die R345W Mutation in diesem proximal zu pNEU60 liegenden Gen wurde in den zur Verfügung stehenden zwei MLVT-Familien sowie einer DHRD-Familie nachgewiesen. Bei der Analyse von 14 Patienten mit sporadischen radiären Drusen konnte weder die R345W Mutation, noch irgendeine andere krankheitsassoziierte Mutation nachgewiesen werden. Es wurden jedoch drei polymorphe Sequenzvarianten, sowie zwei polymorphe Di- bzw. Trinukleotidsequenzen identifiziert. Die Klonierung des orthologen EFEMP1-Gens des Rinds diente als Voraussetzung zur Untersuchung der Interaktionsfähigkeit von EFEMP1 mit anderen Proteinen. Mit der Anwendung des Hefe Zwei-Hybrid Systems konnte gezeigt werden, dass die EGF-Domänen von EFEMP1 eine Interaktion mit sich selbst ermöglichen. Die Einführung der R345W Mutation hatte dabei keinen Einfluss auf diese Wechselwirkungen. Die beschriebene Interaktion mit dem zur Familie der Ubiquiline gehörenden Protein DA41 konnte nicht reproduziert werden. Das Gen welches mit der inkompletten Form der X-gebundenen kongenitalen stationären Nachtblindheit (CSNB2) assoziiert ist, codiert die a1-Untereinheit des retinaspezifischen spannungsabhängigen L-Typ Kalziumkanals (CACNA1F). Mit Hilfe von RT-PCR Analysen und RNA in situ-Hybridisierungen wurde die räumliche Expression dieses Gens in der Netzhaut untersucht. Dabei wurde das CACNA1F-Transkript in der äußeren und inneren Körnerschicht, sowie in der Ganglienzellschicht nachgewiesen.

Sphingolipids, including ceramides, are a diverse group of structurally related lipids composed of a sphingoid base backbone coupled to a fatty acid side chain and modified terminal hydroxyl group. Recently, it has been shown that sphingolipids show antimicrobial activity against a broad range of pathogenic microorganisms. The antimicrobial mechanism, however, remains so far elusive. Here, we introduce 'click-AT-CLEM', a labeling technique for correlated light and electron microscopy (CLEM) based on the super-resolution array tomography (srAT) approach and bio-orthogonal click chemistry for imaging of azido-tagged sphingolipids to directly visualize their interaction with the model Gram-negative bacterium Neisseria meningitidis at subcellular level. We observed ultrastructural damage of bacteria and disruption of the bacterial outer membrane induced by two azido-modified sphingolipids by scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. Click-AT-CLEM imaging and mass spectrometry clearly revealed efficient incorporation of azido-tagged sphingolipids into the outer membrane of Gram-negative bacteria as underlying cause of their antimicrobial activity.

In the present work, the objective has been to analyse the compatibility of plant and human transcriptional machinery. The experiments revealed that nuclear import and export are conserved among plants and mammals. Further it has been shown that transactivation of a human promoter occurs by human transcription factor NF-\(\kappa\) B in plant cells, demonstrating that the transcriptional machinery is highly conserved in both kingdoms. Functionality was also seen for regulatory elements of NF-\(\kappa\) B such as its inhibitor I\(\kappa\)B isoform \(\alpha\) that negatively regulated the transactivation activity of the p50/RelA heterodimer by interaction with NF-\(\kappa\)B in plant cells. Nuclear export of RelA could be demonstrated by FRAP-measurements so that RelA shows nucleo-cytoplasmic shuttling as reported for RelA in mammalian cells. The data reveals the high level of compatibility of human transcriptional elements with the plant transcriptional machinery. Thus, Arabidopsis thaliana mesophyll protoplasts might provide a new heterologous expression system for the investigation of the human NF-\(\kappa\)B signaling pathways. The system successfully enabled the controlled manipulation of NF-\(\kappa\)B activity. We suggest the plant protoplast system as a tool for reconstitution and analyses of mammalian pathways and for direct observation of responses to e. g. pharmaceuticals. The major advantage of the system is the absence of interference with endogenous factors that affect and crosstalk with the pathway.

Correlating molecular labeling at the ultrastructural level with high confidence remains challenging. Array tomography (AT) allows for a combination of fluorescence and electron microscopy (EM) to visualize subcellular protein localization on serial EM sections. Here, we describe an application for AT that combines near-native tissue preservation via high-pressure freezing and freeze substitution with super-resolution light microscopy and high-resolution scanning electron microscopy (SEM) analysis on the same section. We established protocols that combine SEM with structured illumination microscopy (SIM) and direct stochastic optical reconstruction microscopy (dSTORM). We devised a method for easy, precise, and unbiased correlation of EM images and super-resolution imaging data using endogenous cellular landmarks and freely available image processing software. We demonstrate that these methods allow us to identify and label gap junctions in Caenorhabditis elegans with precision and confidence, and imaging of even smaller structures is feasible. With the emergence of connectomics, these methods will allow us to fill in the gap-acquiring the correlated ultrastructural and molecular identity of electrical synapses.

Fluorescence labeling of difficult to access protein sites, e.g., in confined compartments, requires small fluorescent labels that can be covalently tethered at well-defined positions with high efficiency. Here, we report site-specific labeling of the extracellular domain of γ-aminobutyric acid type A (GABA-A) receptor subunits by genetic code expansion (GCE) with unnatural amino acids (ncAA) combined with bioorthogonal click-chemistry labeling with tetrazine dyes in HEK-293-T cells and primary cultured neurons. After optimization of GABA-A receptor expression and labeling efficiency, most effective variants were selected for super-resolution microscopy and functionality testing by whole-cell patch clamp. Our results show that GCE with ncAA and bioorthogonal click labeling with small tetrazine dyes represents a versatile method for highly efficient site-specific fluorescence labeling of proteins in a crowded environment, e.g., extracellular protein domains in confined compartments such as the synaptic cleft.