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Hintergrundinformationen: Bakterien gehören zu den ältesten Lebensformen und sind ein elementarer Bestandteil aller ökologischen Lebensräume auf der Erde. Der Mensch als Holobiont ist ein eigenständiges Ökosystem mit einer Vielzahl von ökologischen Nischen und einer großen bakteriellen Vielfalt. Durch innere oder äußere Einflüsse kann es zu Veränderungen der Umweltbedingungen kommen, die eine veränderte Zusammensetzung des Mikrobioms zur Folge haben. Eine solche Dysbiose wirkt sich auf den Gesundheitszustand des Menschen aus und kann zu schweren Krankheiten führen. Das orale Mikrobiom gehört mit zu den komplexesten Mikrobiomen des Menschen. Es bildet eine natürliche Barriere gegen Krankheitserreger und beugt somit u.a. lokalen Krankheiten wie Karies oder Parodontitis vor. Die Metaproteomik ermöglicht es, die exprimierten Proteine des Mikrobioms und deren Interaktion mit dem Wirt zu untersuchen. Diese Technologie überwindet somit die Beschränkung auf Laborkulturen und ermöglicht die Untersuchung des Mikrobioms direkt in seinem natürlichen Lebensraum. Die Metaproteomik bietet eine Reihe von Instrumenten zur Vertiefung des Verständnisses des oralen Mikrobioms hinsichtlich des Gesundheitszustandes des Menschen. Ziele: Ein Ziel dieser Dissertation war es einen Arbeitsablauf für die Durchführung von Metaproteomstudien des oralen Mikrobioms zu erarbeiten, beginnend bei der Probensammlung über die Präparation der Proben für die Massenspektrometrie bis hin zur bioinformatischen Auswertung. Diesen Arbeitsablauf galt es für das Mikrobiom des Speichels sowie für die Biofilme auf der Zunge und des supragingivalen Plaques zu etablieren bzw. zu adaptieren. Darauf aufbauend wurden Metaproteomstudien durchgeführt, um die drei Mikrobiome bei gesunden Probanden hinsichtlich ihrer exprimierten Proteine, deren metabolischer Bedeutung und Interaktionen mit dem Wirt sowie deren taxonomische Zuordnung zu studieren. Studiendesign: Die Dissertation umfasst drei Studien mit drei unterschiedlichen Kohorten. Allen Studien ist gemein, dass die Kohorten sich aus oral gesunden Probanden im Alter von 20-30 Jahren zusammensetzten. In der ersten Studie verglichen wir die Salivette® sowie den Paraffinkaugummi anhand von fünf Probanden, um die effektivste Methode zur Sammlung von Speichel für Metaproteomstudien zu identifizieren. In der zweiten Studie wurden die Mikrobiome von Speichel und Zunge anhand von 24 Probanden miteinander verglichen und dafür eine Auswertestrategie entwickelt, um der Komplexität dieser Metaproteomstudie gerecht zu werden. Im Rahmen unserer dritten randomisierten Einzelblindstudie, die auf einem Cross-over-Design basierte, erhielten 16 Probanden vier unterschiedliche lokale Behandlungsschemata, um deren Auswirkung auf das Plaque-Mikrobiom zu untersuchen. Die Behandlungen bestanden aus zwei Lutschtabletten, die Bestandteile des Lactoperoxidase-Systems in unterschiedlichen Konzentrationen enthielten, einer Lutschtablette mit einem Placebo-Wirkstoff sowie Listerine® Total Care™ Mundspülung als Positivkontrolle. Alle Proben wurden, basierend auf einem Bottom-Up-Ansatz, unter Verwendung von nano LC-MS/MS Massenspektrometern in einer datenabhängigen Messstrategie (DDA, data- dependant acquisition mode) vermessen. Die bioinformatische Auswertung erfolgte für die erste Studie mit Hilfe der Proteome Discoverer Software. Für die Studien zwei und drei wurde die Trans-Proteomic Pipeline eingesetzt. Die taxonomische sowie funktionelle Zuordnung der identifizierten Proteine erfolgte für alle Studien anhand der Prophane Software. Ergebnisse: Für den Paraffinkaugummi konnten wir mit 1.005 bakteriellen Metaproteinen dreimal so viele Metaproteine identifizieren im Vergleich zur Salivette® mit 313 Metaproteinen. 76,5 % der Metaproteine der Salivette® wurden ebenfalls mit dem Paraffinkaugummi gefunden. Insgesamt wurden 38 Genera und 90 Spezies identifiziert, wovon 13 Genera und 44 Spezies nur mit dem Paraffinkaugummi identifiziert werden konnten. Die größte funktionelle Diversität wurde ebenfalls mit dem Paraffinkaugummi detektiert. Das Metaproteom des Speichel- und Zungen-Mikrobioms basiert auf 3.969 bakteriellen Metaproteinen sowie 1.857 humanen Proteinen. Die Anzahl der nur für das Zungen-Mikrobiom identifizierten Metaproteine, war doppelt so hoch, im Vergleich zum Speichel. Die Metaproteine konnten 107 Genera sowie 7 Phyla zugeordnet werden. Funktionell wurden für das Speichel-Mikrobiom signifikant höhere Metaproteinabundanzen für die Zellmotilität gefunden. Beim Zungen-Mikrobiom hingegen wiesen die Metaproteine der Biosynthese von sekundären Metaboliten, Signaltransduktion oder der Replikation höhere Abundanzen auf. Im Rahmen der Plaque-Studie identifizierten wir durchschnittlich 1.916 (± 465) bakterielle Metaproteine je Probe, die wir taxonomisch und funktionell 116 Genera sowie 1.316 Proteinfunktionen zuordnen konnten. Die Plaque inhibierende Wirkung von Listerine® zeigte sich durch eine Reduktion der Metaproteinidentifikation von durchschnittlich 23,5 % nach der Behandlung. Darüber hinaus zeigte die Mehrheit der bakteriellen Metaproteine reduzierte relative Abundanzen während für die Metaproteine humanen Ursprungs eine Erhöhung der Proteinabundanzen gegenüber der Kontrolle vor Behandlung zu verzeichnen war. Aus funktioneller Sicht waren insbesondere metabolische Prozesse, welche für das Zellwachstum und die Zellteilung wichtig sind, betroffen. Im Gegensatz dazu erhöhten sich durch die LPO Lutschtabletten sowohl die Identifikation der Metaproteine als auch die relative Abundanz für die Mehrheit der Proteine. Nach den durch die Metaproteomdaten erhaltenen funktionellen Informationen liegen Hinweise für einen wachsenden Biofilm vor. Die Metaproteine, die eine erhöhte Abundanz nach Behandlung mit den LPO-Dragees zeigten, wurden taxonomisch hauptsächlich Erst- (S. gordonii) und Zweitbesiedlern (F. nucleatum) sowie Bakterien zugeordnet, die einem gesunden Biofilm zuträglich sind. Fazit: Im Rahmen dieser Dissertation wurde ein vollständiger Metaproteom Arbeitsablauf von der Probensammlung, über die Probenpräparation bis hin zu Datenanalyse für das Speichel-, Zungen- und Plaque-Mikrobiom erarbeitet. In drei Studien konnten wir dessen Anwendbarkeit demonstrieren und erreichten vergleichbare Ergebnisse zu anderen Metaproteomstudien, beispielsweise bezüglich der Proteinidentifikation. Für die Sammlung von Speichelproben stellte sich der Paraffinkaugummi für Metaproteomstudien als die Methode der Wahl heraus. Für das Zungen-Mikrobiom veröffentlichten wir die ersten Metaproteomdaten. Darüber hinaus publizierten wir die erste Metaproteomstudie, welche die beiden Mikrobiome von Speichel und Zunge miteinander vergleicht. Hinsichtlich des Plaque-Mikrobioms handelte es sich ebenfalls um die erste Metaproteomstudie, die ein anerkanntes und etabliertes zahnklinisches Modell mit den Vorzügen der Metaproteomiks verbindet. Die Ergebnisse liefern erste Daten, um (auf längere Sicht gesehen) ein Produkt zur täglichen Mundhygiene entwickeln zu können, welches die bakterielle Zusammensetzung des Plaque-Biofilms positiv beeinflusst.

Das Gram-positive Bakterium Streptococcus pneumoniae (Pneumokokken) stellt vor allem bei der sehr jungen und älteren sowie immungeschwächten Bevölkerung einen immer mehr an Bedeutung gewinnenden Krankheitserreger dar. Krankheitsbilder wie die Pneumokokken-Meningitis, -Pneumonie und -Sepsis, um nur einige zu nennen, können z.T. schwere Verläufe nehmen. Neue Serotyp-unabhängige Impfstoffe sollen flächendeckenden Schutz vor Infektionen mit S. pneumoniae bieten. Das Hauptaugenmerk der Impfstoffforschung liegt unter anderem auf der Untersuchung von Pneumokokken Protein-basierten Impfstoffen als Bestandteil eines Konjugat- bzw. Multikomponenten Impfstoffes. In diesem Zusammenhang wurde in dieser Arbeit die Immunantwort humaner Immunzellen gegenüber den vier Pneumokokken Oberflächen-Lipoproteinen MetQ, DacB, PnrA und PsaA untersucht. Diese Lipoproteine wurden sowohl in lipidierter als auch in nicht-lipidierter Form als heterologe Proteine generiert, um den Einfluss der Lipidierung auf die Immunreaktion beurteilen zu können. Zur Untersuchung der Reaktion des menschlichen Immunsystems wurden humane Blut-Monozyten (hPBMCs) isoliert und zu pro-inflammatorischen Makrophagen (M1) einerseits und anti-inflammatorischen Makrophagen (M2a) andererseits differenziert. Die Zellen wurden mit den lipidierten bzw. nicht-lipidierten Proteinen stimuliert. In den Überständen wurden zur Beurteilung der abgelaufenen Immunreaktion die Konzentrationen von IL-1β, IL-2, IL-6, IL-8 und TNF bestimmt. Eine Produktion von IL-1β und IL-2 durch die Makrophagen konnte hierbei nicht nachgewiesen werden. M1 Makrophagen zeichneten sich durch eine kaum messbare Cytokin-Produktion auf beide Proteinstimuli aus. Anti-inflammatorische Makrophagen zeigten eine signifikant verstärkte IL-6, IL-8 und TNF Produktion (p< 0,05) nach Stimulation mit allen vier lipidierten Proteinen im Gegensatz zur Stimulation mit nicht-lipidierten Proteinen. Das stärkere Stimulationspotenzial der lipidierten Proteine konnte auf deren Agonismus am TLR2 zurückgeführt werden. Weiterhin konnte die starke Reaktion der M2a Makrophagen mit deren Plastizität sowie mit dem Potenzial von Lipoproteinen zur Umpolarisation von Makrophagen aufgrund des TLR2 Agonismus erklärt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die eingesetzten lipidierten Proteine einen suffizienten und signifikant potenteren Immunstimulus im menschlichen Organismus darstellen, als die gleichen Proteine in nicht-lipidierter Form. Somit könnten diese lipidierten Proteine geeignete Vakzinkandidaten gegen S. pneumoniae darstellen.

Zur Untersuchung molekularer Prozesse sind die Wechselwirkungen der beteiligten Faktoren von zentraler Bedeutung, was besonders für die präzise Steuerung der eukaryotischen Genregulation zutrifft, die im Mittelpunkt dieser Arbeit steht. Die Transkription wird durch den Zusammenbau des Präinitiationskomplexes (PIC) am Promotor der Zielgene initiiert. Neben der RNA-Polymerase II, dem Mediatorkomplex und mehreren generellen Transkriptionsfaktoren sind daran Aktivatorproteine beteiligt, welche an UAS-Elemente (upstream activation site) im Promotor binden. Daneben können aber auch Repressoren an URS-Elemente (upstream repression site) binden oder mit Promotor- gebundenen Aktivatoren interagieren und durch Rekrutierung sog. Corepressoren (z. B. Sin3, Cyc8 und Tup1) die Transkription hemmen. Diese Corepressoren können dann über assoziierte Histon- deacetylasen (z. B. Rpd3) die Chromatinstruktur im Promotorbereich spezifischer Gene verdichten und damit eine Bindung der Transkriptionsmaschinerie verhindern. In der Regel führt dies zu einer reduzierten Expression des jeweiligen Gens. Untersuchungen zu den Wechselwirkungen zwischen genspezifischen Repressoren und pleiotropen Corepressoren haben in der Vergangenheit bereits zur Identifizierung einzelner Sequenzmotive und individueller Strukturen geführt. Um dieses Netzwerk zu ergänzen, wurden in dieser Arbeit zahlreiche Repressor-Corepressor-Interaktionen in der Hefe Saccharomyces cerevisiae in vitro und in vivo charakterisiert und durch Verkürzung der interagierenden Proteine (Dal80, Mot3, Sko1, Ure2, Xbp1 und Yox1) hierfür relevante Aminosäuresequenzen ermittelt. Durch systematische Vergleiche solcher Repressorsequenzen konnten Varianten eines hydrophob-amphipathischen Konsensusmotivs identifiziert und z. T. durch gerichtete Mutagenese als funktionell wichtig nachgewiesen werden. Sekundärstrukturvorhersagen zeigten oft die Beteiligung α-helikaler, aber auch β-Faltblatt- oder ungeordneter Strukturen. Diese strukturelle Varianz lässt die Vermutung zu, dass es sich bei solchen Corepressor-Interaktionsdomänen (CID) um IDRs (intrinsically disorderd regions) handeln könnte, die erst durch Kontaktherstellung zum Corepressor eine definierte Konformation annehmen. Ein in dieser Arbeit intensiv untersuchter Repressor war Gal80, der bekanntermaßen das GAL-System der Hefe solange abschaltet, bis Galactose als induzierender Zucker verfügbar ist. Man unterscheidet hierbei drei Zustände: Die Glucoserepression beschreibt das Abschalten der GAL-Gene durch den Repressor Mig1 bei Glucoseverfügbarkeit. Bei Glucosemangel und Verfügbarkeit einer alternativen Kohlenstoffquelle (z. B. Lactat oder Ethanol) wird der Aktivator Gal4 synthetisiert und bindet an UASGAL- Motive in Promotoren der GAL-Gene. Unter diesen Derepressionsbedingungen wird die Transkriptionsaktivierungsdomäne von Gal4 noch durch den Gal80-Repressor maskiert. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass Gal80 zusätzlich in der Lage ist, den Corepressorkomplex Cyc8/Tup1 zu rekrutieren und die Transkription der Strukturgene dadurch zu reprimieren. Chromatinimmunopräzi- pitationsstudien belegten die Gal80-abhängige Präsenz der Corepressoren Cyc8 und Tup1 am GAL1 Promotor. Außerdem stellte sich bei der Charakterisierung von cyc8 und tup1 Mutantenstämmen heraus, dass Corepressoren durchaus auch aktivierende Wirkungen entfalten können. So fiel die Expression eines GAL1-lacZ Reportergens in einer cyc8 Nullmutante unter allen getesteten Bedin- gungen geringer aus als im Wildtyp. Die duale Wirkung solcher Transkriptionsfaktoren wurde in der Vergangenheit immer wieder beobachtet und steht auch im Einklang mit den Befunden dieser Arbeit.

Group A streptococcus (GAS) and Streptococcus pneumoniae are both Gram-positive bacteria that asymptomatically colonise various human body parts. Both microbes cause diseases ranging from mild to severe invasive infections. The later are associated with high mortality. GAS is the major microbial aetiology of type II necrotising skin and soft tissue infections (NSTIs). Type II NSTIs typically affect the lower and upper limbs of healthy young adults and often require debridement as a surgical intervention to prevent the spread of infection. S. pneumoniae is the major cause of respiratory tract infections including community-acquired pneumonia in young children and the elderly. Although most respiratory tract infections are successfully treated with antibiotics, emerging antibiotic resistance is a major cause of concern. Secreted virulence factors of Gram-positive bacteria play a major role in the successful invasion of host tissues causing different diseases. Additionally, they facilitate the spread of infection, contribute to tissue pathology, and potentially act as immune evasion mechanisms. This thesis summarises the consequences of streptococcal pyrogenic exotoxin B (SpeB), a potent cysteine protease secreted by GAS and pneumococci-derived hydrogen peroxide (H2O2) on host responses. GAS have developed genetic or phenotypic ways of adapting to the immune response to escape immune clearance. Analysis of GAS clones recovered from NSTI patient biopsies exhibit a mixed SpeB phenotype, with most clones being SpeB negative. SpeB negative clones have been associated with hyper-virulence. In Paper II, we showed that SpeB negative GAS clones recovered from tissue exhibit reversible impaired SpeB secretion due to environmental factors. In addition, mutations in covS and ropB, the major transcriptional regulators of SpeB expression, were responsible for the irreversible loss of SpeB expression. Immunohistochemistry analysis demonstrated that neutrophil degranulation, necrosis and excessive inflammation observed in NSTIs patient biopsies correlated with bacterial load and SpeB negativity of clones. Proteomic data analysis showed that SpeB negative GAS recovered from neutrophil infection harboured the protease intracellularly suggesting that the bacteria expressed but did not secrete SpeB. We have also shown that neutrophil-derived reactive oxygen species, H2O2 and hypochlorous acid, drive the SpeB negative phenotype. The SpeB negative clones survived neutrophil-mediated antimicrobial killing and induced excessive degranulation when compared with SpeB positive clones. These results provide new insights into GAS fitness induced by host factors in tissue and may be useful for the development of new treatment strategies in NSTIs. Pneumococci produce H2O2 as a by-product of carbohydrate metabolism in a reaction catalysed by pyruvate oxidase SpxB. However, very little is known about the effects of pneumococcal H2O2 as a virulence factor. Our study aimed to investigate the role of H2O2 in initiating epithelial cell death, focusing on apoptosis and pyroptosis. In Paper III, we showed that pneumococci-derived H2O2 caused epithelial cell cytotoxicity by priming and activating the NLRP3 inflammasome resulting in subsequent IL-1β production and release. Additionally, H2O2 caused apoptotic and pyroptotic cell death as evidenced by activation of caspase-3/7 and caspase-1, respectively. However, the release of IL-1β was dependent on apoptosis and not pyroptosis since inactive gasdermin D was detected post-infection. These observations were not detected in the absence of H2O2. Overall, we showed the damaging effects of pneumococci-derived H2O2 on human bronchial epithelial cells.

Streptococcus pneumoniae (the pneumococcus) is an opportunistic human pathogen that causes life-threatening diseases including pneumonia, sepsis, meningitis but also non-invasive local infections such as otitis media. Pneumococci have evolved versatile strategies to colonize the upper respiratory tract (URT) of humans. Binding to epithelial surfaces is thereby mediated through direct interactions with host cell receptors or indirectly via binding to components of the extracellular matrix (ECM). However, successful colonization and subsequent infection require S. pneumoniae to cross tissue barriers protected by the immune system of the host. Pneumococci have therefore evolved a wide range of mechanisms to circumvent the antibacterial activity of the immune system such as the acquisition or expression of serine protease activity. Serine protease enzymes have emerged during evolution as one of the most abundant and functionally diverse groups of proteins in eukaryotic and prokaryotic organisms. However, the epithelial barriers, integrins, and other cell surface receptors are often initially inaccessible for pneumococci colonizing the nasopharyngeal cavity. Therefore, pneumococci recruit host-derived extracellular serine proteases such as plasmin(ogen) for extracellular matrix and mucus degradation, which results in enhanced binding to epithelial and endothelial cells. S. pneumoniae expresses four surface-anchored or surface-associated serine proteases depending on the serotype: HtrA, SFP, PrtA, and CbpG. These enzymes belong to the category of trypsin-like or subtilisin-like family proteins, which are characterized by the presence of three-conserved amino acid residues, Ser-His-Asp. The catalytic triads are critical for the cleavage of peptide bonds. Studies focusing on the deletion of single pneumococcal serine proteases are difficult to interpret due to the compensatory effects of the other serine proteases. Initially, a comprehensive in silico analysis of the distribution and genes organization of pneumococcal serine proteases was carried out in this study. Interestingly, the genes encoding PrtA, HtrA, and CbpG were highly conserved among the 11 analyzed strains. Surprisingly, the gene encoding the subtilisin-like protein SFP was not present in some of the strains and seems to be strain-dependent. Therefore, pneumococci have at least three serine proteases as shown e.g., for serotype 19F_EF3030 strain. Computer-assisted analyses of the structure of pneumococcal serine proteases showed high similarities in the catalytic domains between HtrA and CbpG or between PrtA and SFP in 3D structural models. The focus of this study lies on the impact of single extracellular pneumococcal serine proteases on pneumococcal pathogenesis during adherence, colonization, virulence and biofilm formation. Therefore, double and triple deletion mutants were generated in the colonizing S. pneumoniae serotype 19F strain EF3030 and the more invasive serotype 4 strain TIGR4, respectively. In adherence studies with human Detroit-562 epithelial cells, we demonstrated that both TIGR4Δcps and 19F_EF3030 mutants without serine proteases or expressing only CbpG, HtrA, or PrtA have a reduced ability to adhere to Detroit-562 cells. In a mouse colonization model, the inactivation of serine proteases in strain 19F_EF3030 strongly reduced nasopharyngeal colonization in CD-1 mice. The bacterial load in the nasopharynx was thereby monitored for a period of 14 days. Mutant strains showed significantly lower bacterial numbers in the nasopharynx on days 2, 3, 7, and 14 post-inoculations. Following up on pneumococcal pathogenesis, an in vivo acute pneumonia mouse infection model and in vitro phagocytosis was used to analyze the impact of single serine proteases during infection and phagocytosis. Mice were intranasally infected with the bioluminescent TIGR4lux wild-type or isogenic triple mutants expressing only CbpG, HtrA, PrtA, or SFP. The acute lung infection was monitored in real-time by using an IVIS®-Spectrum in vivo imaging system. The TIGR4lux mutant expressing only PrtA showed a significant attenuation and was less virulent in the acute pneumonia model. Phagocytosis assays were conducted using murine J77A.1 macrophages. The number of triple serine protease mutants internalized by macrophages were significantly reduced in comparison to the isogenic wild-type. Finally, two different experimental biofilm models were used to study the influence of serine proteases on biofilm formation grown on an abiotic surface (glass) and a biological surface. Biofilm development on living epithelial cells was stronger after 48 and 72h than on the glass surface. On epithelial substratum, the serine protease mutant with only CbpG+ showed higher and denser biofilm development after 48h and 72h of incubation compared to the parental strains and other serine protease mutants. Moreover, the bacterial dispersal from biofilms was significantly more in the mutant strains lacking serine proteases than in the wild type. In conclusion, nasopharyngeal colonization is a prerequisite for invasive diseases and transmission. Pneumococcal serine proteases are indispensable for nasopharyngeal colonization and facilitate access to eukaryotic cell-surface receptors by the cleavage of ECM proteins. Thus, serine proteases could be promising candidates for developing antimicrobials to reduce pneumococcal colonization and transmission.