Refine
Year of publication
Keywords
- Proteomanalyse (28) (remove)
Institute
- Arbeitsgruppe "Funktionelle Genomforschung" (9)
- Abteilung fĂŒr Mikrobiologie und Molekularbiologie (8)
- Institut fĂŒr Med. Biochemie u. Molekularbiologie (3)
- Institut fĂŒr Mikrobiologie - Abteilung fĂŒr Genetik & Biochemie (2)
- Klinik und Poliklinik fĂŒr Hals-, Nasen-, Ohrenkrankheiten (2)
- Institut fĂŒr Immunologie u. Transfusionsmedizin - Abteilung Transfusionsmedizin (1)
- Institut fĂŒr Pharmazie (1)
- InterfakultĂ€res Institut fĂŒr Genetik und Funktionelle Genomforschung (1)
- Klinik und Poliklinik fĂŒr Urologie (1)
Microbial infections can be either caused by a single species or complex multi-species consortia. One of the most prominent opportunistic human pathogens leading to mono- or mixed-species infections is the Gram-negative bacterium Pseudomonas aeruginosa. Understanding the molecular basis of its adaptation to infection-related stresses is an essential prerequisite for the prevention and treatment of P. aeruginosa infections. We therefore employed state-of-the-art proteomics approaches to elucidate the molecular adaptation mechanisms of P. aeruginosa to infection-related conditions. Moreover, structure, function and interaction of complex microbial consortia containing P. aeruginosa and causing catheter-associated urinary tract infections were investigated by metaproteomics analyses. Our investigations revealed that the adaptation of P. aeruginosa during infection is either based on gene expression changes caused by environmental signal integration or by gene mutations leading to a selective advantage in a particular host environment. In study I, investigating the proteome response of P. aeruginosa biofilms to the clinical relevant antibiotic ciprofloxacin, global changes in the protein profile were observed. Ciprofloxacin induced the expression of proteins involved in the Lex-induced SOS-response, drug efflux pumps and gene products of the ciprofloxacin-responsive prophage cluster and repressed the expression of porins and DNA-binding proteins. In study II the transcriptome and proteome of two clonal P. aeruginosa lineages during long-term colonization of cystic fibrosis (CF) patientâs lungs were analyzed. Point mutations in global regulator genes, i.e. retS, gacS, and gacA, were identified by genomic sequencing. Inactivation of RetS, found two years after the initial colonization, induced the expression of genes involved in chronic infections and coding for the type 6-secretion system (T6SS). Additional mutations in the GacS/GacA two-component regulatory system (TCS) were found to repress the expression of T6SS proteins and to induce the expression of proteins belonging to the type 3-secretion system (T3SS). In study III we elucidated the niche-specific adaptation of P. aeruginosa isolates from different infection sites by investigating their protein expression patterns and glucose metabolic fluxes. We could show that isolates from the urinary tract express a higher amount of proteins involved in the acquisition of micronutrients (i.e. iron) and carbohydrates compared to isolates from the CF lung. In study IV 16S rDNA sequencing and metaproteomics were employed to demonstrate that the investigated CAUTI-related biofilms consisted of two to five different species with one or two species dominating the mixed community. Following this line of research, we investigated in study V structure and function of a biofilm of a long-term catheterized patient, which was predominantly composed of P. aeruginosa and Morganella morganii, but also contained a minor proportion of the obligate anaerobe Bacteroides sp.. The comparison of in vivo and in vitro protein expression profiles of P. aeruginosa and M. morganii indicated that iron and carbohydrates are the major growth-limiting factors in the bladder. These results indicate different nutritional strategies of the two pathogens in the bladder environment. A comparison of urinary protein profiles of healthy persons and catheterized patients suggested that the human innate immune system is induced by CAUTIs. Moreover, numerous proteins involved in nutritional immunity, e.g. iron-, calcium- and magnesium-binding proteins, were found to be more abundant in the urine of catheterized patients. A follow-up (meta)proteomics study (study VI) aiming at the elucidation of interspecies interactions during multi-species infections indicated that the urease-positive uropathogen Proteus mirabilis induces the precipitation of metal ions by urine alkalization and thereby limits the availability of these important micronutrients for other co-infecting bacteria. This limitation seems to be sensed by the P. aeruginosa PhoP-PhoQ two-component system (TCS) leading to an increased resistance to antimicrobial peptides and biofilm-forming capacity of the pathogen. Also during co-cultivation of P. aeruginosa with Staphylococcus aureus a slight increase in the expression of the PhoP-PhoQ TCS and the alkaline protease could be observed (study VII). In study VIII a combined metagenomics and metaproteomics approach was employed to investigate structure and function of the lichen Lobaria pulmonaria, a complex consortium consisting of a fungus, an algal partner, cyanobacteria, and a highly diverse bacterial microbiome. The results presented in this work contribute to a better understanding of the manifold and complex bacterial adaptation mechanisms to infection-related and environmental stress and thereby foster the development of novel treatment and prevention strategies.
Ziel der Dissertation war die Untersuchung der physiologischen Adaptation von Staphylococcus aureus an Vancomycin und Linezolid mit Hilfe der Proteom-Analytik und die Entwicklung neuer Methoden fĂŒr Proteom-Untersuchungen. FĂŒr die Untersuchung der Vancomycinstress-Antwort im ersten Teil der Doktorarbeit wurden alle vier Subproteome mit insgesamt sechs verschiedenen Methoden untersucht. Es konnte mehr als die HĂ€lfte des theoretischen Proteoms quantifiziert werden, die Arbeit ist damit eine der umfassendsten Proteom-Studien, die bisher in S. aureus durchgefĂŒhrt wurden. Es wurden verschiedene Enzyme der Biosynthese von AminosĂ€uren, die im Peptidoglykan-VorlĂ€ufer-Pentapeptid vorkommen, nach Vancomycin-Stress in signifikant erhöhter Menge nachgewiesen. Das ist ein Hinweis auf eine erhöhte Peptidoglykan-Synthese, wie sie auch in S. aureus StĂ€mmen mit verminderter Vancomycin-SensitivitĂ€t beobachtet werden kann. Die Abundanz SaeRS-kontrollierter Virulenzfaktoren war nach Vancomycin-Stress vermindert. In der Vancomycin-Studie wurden extrazellulĂ€re Proteine mit einer TrichloressigsĂ€ure (TCE)-FĂ€llung gefĂ€llt, diese Methode ist in der Proteom-Analytik weit verbreitet. Die TCE-FĂ€llung hat verschiedene Nachteile. Nach der FĂ€llung muss das entstandene Pellet mehrfach gewaschen werden, hierbei kommt es zu Verlusten und die Reproduzierbarkeit sinkt. Aufgrund dieser Nachteile wurde im zweiten Teil der Dissertation ein neues Protokoll zur Anreicherung verdĂŒnnter Proteine entwickelt. Grundlage war das kommerziell erhĂ€ltliche Festphasenextraktions-System StrataClean, das ursprĂŒnglich zur Entfernung von Proteinen aus PCR-AnsĂ€tzen entwickelt wurde. Im Rahmen der Doktorarbeit wurde die StrataClean-Extraktion fĂŒr die gel-freie Proteom-Analytik optimiert. Der wichtigste Schritt war eine PrĂ€inkubation der StrataClean-Partikel in SalzsĂ€ure, um Kontaminationen an den Partikeln quantitativ abzubauen. Mit dem optimierten Protokoll konnten Proteine auch aus sehr stark verdĂŒnnten Lösungen (20 ”g Protein in 200 ml FlĂŒssigkeit) mit hoher Effizienz reproduzierbar angereichert werden. Diese hoch-effiziente Anreicherung ist mit keinem anderen etablierten Protokoll möglich. Zudem konnte gezeigt werden, dass die StrataClean FĂ€llung Proteine unabhĂ€ngig von ihren biophysikalischen Eigenschaften anreichert. Daher ist die StrataClean-Aufreinigung auch fĂŒr absolute QuantifizierungsansĂ€tze interessant. Als weitere Anwendung können StrataClean-gebundene Proteine fĂŒr mehr als 10 Tage bei Raumtemperatur gelagert werden. Das ermöglicht den Versand von Proteinproben auf dem normalen Postweg ohne aufwendige KĂŒhlsysteme. Im dritten Teil der Doktorarbeit wurde die Linezolid-Adaptation von S. aureus USA300 analysiert. In Wachstumsversuchen konnte gezeigt werden, dass nach Linezolid-Zugabe zu exponentiell wachsenden Zellen bei OD 0.5 die Wachstumsrate sofort abnahm. Bei OD 1.6 â 2 trat ein temporĂ€rer Wachstumsarrest auf, dessen Dauer von der zugegebenen Linezolid-Konzentration abhing. Nach diesem Wachstumsarrest, der bis zu 15 Stunden anhielt, fingen die Zellen wieder an sich zu teilen. Es konnte gezeigt werden, dass die Linezolid-Konzentration im Medium wĂ€hrend des kompletten Versuches konstant blieb. Die Hauptanpassung an Linezolid war eine verstĂ€rkte Expression der Gene ribosomaler Proteine und eine daraus folgende erhöhte Akkumulation der ribosomalen Proteine. Zudem konnte eine generelle Abnahme der Menge integraler Membranproteine und sekretierter Proteine festgestellt werden, auch wenn die Expression der codierenden Gene zunahm. Mittels elektronenmikroskopischer Analysen konnte gezeigt werden, dass die Zellen nach Linezolid-Zugabe deutlich gröĂer wurden. Als weitere morphologische Auswirkung von Linezolid-Stress war die Dicke der Zellwand um den Faktor vier erhöht und es wurden Defekte in der Zellteilung beobachtet. Insbesondere nach Wiederaufnahme des Wachstums gab es zahlreiche zellulĂ€re Strukturen, die mehrere, zum Teil falsch positionierte, Septen hatten. Mit Fluoreszenz-Mikroskopie wurde bewiesen, dass sich das Chromosom, das im normalen Wachstum das Cytosol ausfĂŒllt, nach Linezolid-Zugabe komprimierte und den Kontakt zur Membran verlor. Eine Verbindung zwischen Chromosom und Membran wird durch Transertions-Komplexe gebildet. Transertion bezeichnet die simultane Transkription, Translation und Translokation integraler Membranproteine, dabei werden Komplexe aus Chromosom, mRNA, Ribosom, dem entstehendem Protein und den membranstĂ€ndigen SEC-Proteintransportern gebildet. Aus der Kombination der Ergebnisse wurde geschlossen, dass durch die Linezolid ausgelöste Translations-Hemmung die Transertionskomplexe aufgelöst werden und dadurch die Protein-Translokation vermindert wird. Auch die Defekte in der Zellteilung können so erklĂ€rt werden, da so das Chromosom eine Struktur-gebende Funktion fĂŒr die Zellteilung verliert. Bisher war nicht vollstĂ€ndig bekannt, wie die strukturelle Ordnung in der Zellteilung von Staphylokokken entsteht.
Zur AufklĂ€rung der molekularen Grundlagen einer Infektion mit dem Pseudorabiesvirus (PrV), dem Erreger der Aujeszkyâschen Krankheit beim Schwein, wurde eine qualitative und quantitative Proteomstudie von PrV-infizierten bovinen Nierenzellen (MDBK) durchgefĂŒhrt. Die Erstellung der Proteomkarten erfolgte durch hochauflösende zweidimensionale Gelelektrophorese, mit der neben zum gröĂten Teil unmodifizierten Proteinen auch eine Reihe von Proteinen mit posttranslationalen Modifikationen nachgewiesen werden konnten. Die Identifizierung der Proteine erfolgte mit dem Peptidmassenfingerabdruck durch Matrix Assisted Laser Desorption/Ionisation Time-of-Flight(MALDI-TOF)-Massenspektrometrie. Proteine wurden massenspektrometrisch durch die stable isotope labelling by amino acids in cell culture (SILAC)-Technik quantifiziert. Um die KomplexitĂ€t des Gesamtzellextraktes zu reduzieren, wurde eine AffinitĂ€tsfestphasenchromatographie aus verschiedenen Matrices, bestehend aus einer Cibacron Blau F3G-A Matrix, die Nukleotid-bindende Proteine bindet, einer Heparin Matrix, die DNA-bindende Proteine bindet und einer Phosphoprotein spezifischen Metallchelatmatrix etabliert. Dabei zeigte sich, dass sich der Gesamtzellextrakt in gut definierte Teilproteome fraktionieren lieĂ. Die Fraktionierung zeichnete sich durch eine hohe TrennschĂ€rfe, eine hohe Effizienz und eine spezifische Anreicherung entsprechend der AffinitĂ€ten der verwendeten Matrices aus. Zur weiteren Erhöhung der zu analysierenden Proteine wurden die Fraktionen auf mehreren Fokussierungsstreifen mit unterschiedlichen pH-Wert Bereichen (3-6, 4-7, 6-9 und 3-10) analysiert, wobei sich lediglich der pH-Bereich zwischen 3-6, als relativ proteinarm erwies. Die Streuung bezĂŒglich der relativen Quantifizierung wurde in einem Kontrollversuch bestimmt. Sie war sehr gering, was auch die Erfassung sehr kleiner Unterschiede in den Expressionsniveaus erlaubt. Das bovine Wirtszellproteom erwies sich vier Stunden nach Infektion mit dem PrV in qualitativer und quantitativer Hinsicht, trotz des beschriebenen shutoff, der zu einem Abbau der zellulĂ€ren mRNA fĂŒhrt, als ĂŒberraschend stabil. Quantitative Unterschiede wurden bei 109 Wirtszellproteinen gefunden. Vorwiegend handelte es sich dabei um Proteine der Kernlamina, Bestandteile des Translationsapparates, Proteine des Membran- und intrazellulĂ€ren-Transports, sowie Proteine der Stressantwort. Bei den Proteinen Lamin A/C und B2, 60S Saures Ribosomale Protein P0, Hitzeschock-27 Protein 1, Heterogenes NukleĂ€res Ribonukleoprotein K, Sorting Nexin-9 und dem Eukaryotischen Translations-Initiations Faktor 4B wurden Mengenverschiebungen zwischen den Isoformen hin zu den stĂ€rker negativ geladenen Varianten beobachtet, die möglicherweise auf Phosphorylierungen zurĂŒckzufĂŒhren sind. Um den Mechanismus der Regulation der Wirtszellproteinexpression genauer zu untersuchen, wurde aufbauend auf den Ergebnissen der Proteomstudie eine Transkriptanalyse durchgefĂŒhrt. Transkriptom- und Proteom-Analysen nach einer PrV-Wildtyp-Infektion zeigten eine nur geringe Korrelation, sodass die beobachteten VerĂ€nderungen der Proteinmengen die Folge von posttranslationalen VorgĂ€ngen sein dĂŒrften. Neben der Quantifizierung von Wirtszellproteinen wurde die SILAC-Methode zur Quantifizierung der Expression von viralen Proteinen in Deletionsmutanten getestet. Dazu wurde der Analysengang verĂ€ndert und MDBK-Zellen mit einer PrV-US3-Deletionsmutante (PrV-ÎUS3) und dem PrV-Wildtyp infiziert. Die Extrakte aus PrV-Wildtyp-infizierten Zellen wurden als globaler interner Standard verwendet. Die Verwendung der SILAC-Methode erlaubte hier die Anwendung der sonst sehr Artefakt-anfĂ€lligen Zellfraktionierung in Zytosol- und Kernextrakte zur Reduktion der ProbenkomplexitĂ€t. Ein Vergleich zur AffinitĂ€tsfestphasenextraktion zeigte, dass ein GroĂteil der identifizierten Proteine auch mit letzterer erfasst wird. Einige wichtige Kernproteine wie SpleiĂfaktoren konnten aber nur in der Kernfraktion identifiziert werden. Vergleiche von Zellextrakten nach Infektion mit PrV-Wildtyp oder einer US3-negativen Mutante zeigten VerĂ€nderungen in den Expressionsniveaus der viralen Proteine pUL29, pUL39 und pUL42. Dabei besaĂen pUL29 und pUL39 eine erhöhte und pUL42 eine verminderte relative Abundanz in Abwesenheit des pUS3. Die Proteine pUL29 und pUL42 traten in mehreren Ladungsvarianten auf, wobei das pUL42 zusĂ€tzlich eine GröĂenvariante aufwies. Im dritten Teil dieser Arbeit wurde ein SILAC-gestĂŒtztes Verfahren zur Quantifizierung der Expression von Fremdgenen in viralen Vektoren etabliert.
Staphylococcus aureus is a pathogenic bacterium infecting the human host. Itâs multifaced adaptation to various environmental conditions is mediated by a tight regulation of the virulence factors influencing the hostâs immune system. In this thesis two regulators of gene expression were analysed: (i) the global influence of the two-component system SaePQRS and (ii) the regulation of superantigen gene expression by the alternative sigma factor ÏB. At the outset of this thesis, single target genes induced by SaeRS were known (hla, hlb, cap5, fnbA, coa). In order to get a general idea of the Sae-regulon, the influence of SaePQRS on gene-expression was analysed in two strain backgrounds by proteomics and transcriptomics aproaches. Recapitulatory, expression of at least 18 secreted and two covalently cell-wall bound proteins was decreased following inactivation of the Sae-system. Sae-dependently expressed were, amongst others, well decribed virulence factors like the y-hemolysins HlgA, HlgB, HlgC, LukM and LukF, the innate immune system modulating proteins Efb, CHIPS and SCIN-B as well as the enterotoxin SEB. SaeR acts as an activator of its target genes. Some proteins were detected in increased amounts in the extracellular proteome of the Sae-deficient strain. However, these changes did not occur at the transcriptional level. The expression of virulence factors is determined by other global regulators. No influence of SaePQRS on the transcription of five substancial regulators, namely the Agr-system and its effector molecule RNAIII, the alternative sigma factor ÏB, the two-component system ArlRS and the DNA-binding protein SarA, could be shown. In the second part of this thesis the issue was broached to the regulation of gene-expression of a subgroup of virulence factors, the superantigens (SAgs) of S. aureus by SaePQRS and ÏB. In contrast to their well described molecule structure and function, the regulation of their gene expression was largely unknown. Six different S. aureus strains (two laboratory strains and four clinical isolates) encoding one to seven SAg-genes each, were used for analysis of a total of twelve SAgs regarding their transcription and mitogenic activity. The transcriptional units were characterized using Northern-Blotting. The expression of SAgs could be correlated to the respective growth phase. While egc-SAgs were expressed mainly at low optical densities, seb was induced during late growth phase. In contrast, the transcription of sea, seh, sek, tst and sep remained constant and growth-phase independent. The transcriptional dataset was verified using T-cell proliferation assays. The expression of seh, tst and the egc-operon was dependent on ÏB. A potential ÏB-dependent promotor could be identified preceeding seo, the first gene of the egc-operon. In contrast, the expression of seb was increased in sigB-deficient background. This might be due to indirect effects. Expression of seb required SaePQRS. Transcriptional datasets were verified by Immuno-Blotting and T-cell-proliferation assays. In conclusion, the same mutation in sigB but in different strain backgrounds could result in opposite phenotypes with respect to their mitogenic activity. Besides well characterized virulence factors, some secreted proteins with so far unknown function belong to the Sae-regulon. Given that the influence of SaePQRS was restricted to virulence factors and induced especially modulators of the innate immune system, it can be assumed, that these proteins potentially play a role in virulence of S. aureus. In the third part of this thesis, one of these potential new virulence factors, namely SACOL0908, was analysed in detail. In cooperation with the group of Prof. Stehle, TĂŒbingen, the crystal structure was solved. The protein folding of SACOL0908 is new with only minor similarities to described protein structures. Recombinantly expressed SACOL0908 binds to granulocytes. These cells belong to the innate immune system, incorporate bacteria by phagocytosis and kill them. The receptor for SACOL0908 on the surface of granulocytes could not be identified using immunoprecipitation, antibody-blocking assays and functional assays in cooperation with the group of Prof. Peschel, TĂŒbingen. The gene encoding SACOL0908 was deleted in two S. aureus strain backgrounds (COL and Newman). These mutants are currently in use to characterize their phenotype in mouse-infection studies.
Staphylococcus aureus ist ein ubiquitĂ€r verbreitetes Bakterium. HĂ€ufig als Kommensale des Menschen vorkommend, zĂ€hlt das Bakterium jedoch zu einem der wichtigsten Infektionserreger des 21. Jahrhunderts. Neben lokalen Infektionen (z. B. Furunkel) kann der Erreger nach einer Besiedlung auch systemische Erkrankungen in seinem Wirt (z. B. Sepsis, Endokarditis, Pneumonie) hervorrufen. Die pathogene Wirkung von S. aureus ist auf die Produktion und Sekretion von PathogenitĂ€ts- bzw. Virulenzfaktoren, unter anderem Superantigene, hĂ€molytische Toxine, Gewebe-zerstörende Enzyme und OberflĂ€chenproteine, welche ihrerseits mit dem Immunsystem des Wirtes interferieren, zurĂŒckzufĂŒhren. Ziel dieser Arbeit war unter anderem die Analyse des extrazellulĂ€ren Proteoms von S. aureus RN1HG in pMEM, ein an das bakterielle Wachstum adaptierte Zellkulturmedium. Bei den extrazellulĂ€ren Proteomanalysen von S. aureus RN1HG konnten 39 Proteine identifiziert werden, welche dem Bakterium eine Interaktion mit dem Wirt (Clumping-Faktoren) ermöglichen, die Phagozytose (Protein A) verhindern oder die Ausbreitung im Gewebe (alpha-HĂ€molysin, gamma-HĂ€molysin, Lipase) erleichtern. Da die Zusammensetzung des extrazellulĂ€ren Proteoms durch diverse Regulons (z. B. agr-System, sarA, sigB) bestimmt wird, stellte sich die Frage, inwiefern diese einen Einfluss auf die Virulenz des Stammes RN1HG-Stamm haben. Ein vielfach in der Literatur diskutierter Regulator ist SigB. Die vergleichende gelfreie LC-MS/MS-Analyse des extrazellulĂ€ren Proteoms von S. aureus RN1HG mit einer sigB Deletion (RN1HG delta sigB) zeigte, dass sich im Vergleich zum Wildtyp die Zusammensetzung des extrazellulĂ€ren Proteoms nicht grundsĂ€tzlich Ă€ndert. Jedoch konnte durch eine âlabelfreieâ Quantifizierung eine verstĂ€rkte Akkumulation zahlreicher Virulenzfaktoren (z. B. Aureolysin, 1-Phosphatidylinositol- Phosphodiesterase, alpha-HĂ€molysin, gamma-HĂ€molysin, Lipase, Thermonuklease) in der delta sigB Mutante nachgewiesen werden. Die Serin-Proteasen A, C und E konnten nur fĂŒr die delta sigB Mutante identifiziert werden. AdhĂ€sine, darunter Clumping-Faktoren oder Elastin-Bindeprotein, wurden lediglich wĂ€hrend der exponentiellen Wachstumsphase fĂŒr die delta sigB Mutante nachgewiesen. Dies konnte fĂŒr clf auch durch Transkriptomanalysen belegt werden. Die gelfreien Analysen wurden durch gelbasierte Verfahren (2D-Gelelektrophorese) ergĂ€nzt. Neben der Erstellung einer Referenzkarte des extrazellulĂ€ren Proteoms von S. aureus RN1HG (Wildtyp und delta sigB Mutante) wurden quantitative gelbasierte Daten erhoben, die einerseits die Ergebnisse der gelfreien Analysen bestĂ€tigten, andererseits aber auch zeigten, dass SigB nur wenig Einfluss auf die Prozessierung und posttranslationale Modifikation extrazellulĂ€rer Proteine in S. aureus RN1HG hat. Die Zusammensetzung des extrazellulĂ€ren Proteoms ist vor allem bei pathogenen Bakterien bedeutsam, da z. B. durch extrazellulĂ€re Enzyme die ErschlieĂung von NĂ€hrstoffquellen in extremen Habitaten begĂŒnstigt und durch Virulenzfaktoren sowohl die Kolonisierung als auch die ĂberlebensfĂ€higkeit im Wirtsorganismus gesichert wird. Um die Erreger-Wirt Interaktion nĂ€her zu charakterisieren, wurde die Reaktion von humanen bronchialen Epithelzellen (S9-Zellen) auf eine Infektion mit S. aureus RN1GH pMV158 untersucht. Die DurchfĂŒhrung der Infektionsstudien mit einem GFP-markierten RN1HG-Stamm ermöglichte die Sortierung der infizierten S9-Zellen durch die Durchflusszytometrie. Da im Epithelverband nicht jede Zelle mit S. aureus infiziert ist, lag der Vorteil der Sortierung darin, dass Proteomanalysen spezifisch fĂŒr die S9-Zellen mit internalisierten Staphylokokken durchgefĂŒhrt werden konnten. Infolge einer Internalisierung von S. aureus durch die S9-Epithelzellen kam es zunĂ€chst zu einer Integrin-vermittelten AdhĂ€sion. Eine zunehmende Inkubation mit S. aureus fĂŒhrte zu inflammatorischen Prozessen. Die Invasion pathogener Bakterien in Wirtzellen fĂŒhrt somit zum Remodelling biologischer Prozesse, die dem Wirt die Auseinandersetzung mit dem Pathogen ermöglichen.
Staphylococcus aureus ist einer der bedeutendsten Erreger von Infektionen der MilchdrĂŒse (Mastitis). In dieser Arbeit wurden 16 S. aureus-Isolate aus bovinen Mastitisinfektionen unterschiedlicher geografischer Herkunft umfassend charakterisiert, um tiefere Einblicke in die WirtsspezifitĂ€t von S. aureus zu erlangen. Das bovine Mastitisisolat S. aureus RF122, dessen Genomsequenz seit kurzem verfĂŒgbar ist, wurde zum Vergleich in die Studien einbezogen. Mittels Multilocus Sequence Typing wurde die klonale Verwandtschaft der StĂ€mme analysiert und ihre Zugehörigkeit zu bestimmten Sequenztypen bzw. klonalen Komplexen ermittelt, von denen einige unter bovinen S. aureus-Isolaten weltweit sehr verbreitet sind.Zum Nachweis von virulenz- und resistenzassoziierten Genen, sowie regulatorischen und speziesspezifischen Markergenen wurde ein diagnostischer DNA-Microarray eingesetzt. Es konnte gezeigt werden, dass das individuelle Profil der Isolate sehr stark variierte und sich selbst StĂ€mme mit dem gleichen Sequenztyp in ihrem variablen Genom teilweise erheblich unterschieden. Nur 43 Gene, die u.a. fĂŒr HĂ€molysine, Proteasen, Leukocidine kodieren, waren in allen StĂ€mmen konserviert. Es wurde auch die Existenz einiger als bovin-spezifisch angesehener Gene, bzw. die Abwesenheit humanspezifischer Gene nachgewiesen. ZusĂ€tzlich wurde die Expression von Virulenzfaktoren mittels 2D-Gelelektrophorese und massenspektrometrischer Identifizierung analysiert. Wie erwartet unterschieden sich die extrazellulĂ€ren Proteommuster der einzelnen StĂ€mme stark. Nur zwölf sekretierte Proteine wurden (in unterschiedlicher Menge) von mindestens 80 % der bovinen Isolate gebildet, und bilden das sogenannte âCore-Exoproteomâ. Auch Isolate mit nahezu identischer genetischer Zusammensetzung unterschieden sich z.T. erheblich in ihrem Exoproteom, was sehr gut mit der Transkription des Virulenzgenregulators RNAIII korrelierte. Weiterhin wurde die mitogene Wirkung der KulturĂŒberstĂ€nde auf humane und bovine PBMC (mononukleĂ€re Zellen aus peripherem Blut) untersucht. Dabei fiel auf, dass zwei Isolate, welche Gene der bovinen PathogenitĂ€tsinsel SaPIbov trugen, bovine T-Zellen stĂ€rker als humane stimulierten, was auf wirtsspezifische Unterschiede in der AktivitĂ€t dieser Superantigene hindeutet. SchlieĂlich konnten durch den Vergleich mit S. aureus-Isolaten aus humanen Infektionen bestimmte Proteine ermittelt werden, die hĂ€ufiger mit einem bestimmten Wirt assoziiert sind. Die VariabilitĂ€t in der ExpressionshĂ€ufigkeit dieser Proteine könnte mit der WirtsspezifitĂ€t von S. aureus im Zusammenhang stehen. Als pathogener Mikroorganismus ist S. aureus hohen Konzentrationen an reaktiven Sauerstoff- und Stickstoffspezies (ROS und RNS) ausgesetzt, die im Rahmen der unspezifischen Wirts-Immunantwort gebildet werden. Um das VerstĂ€ndnis ĂŒber seine Anpassungsstrategien zu erweitern, wurden vier Substanzen, die oxidativen bzw. nitrosativen Stress verursachen, eingesetzt: Wasserstoffperoxid (H2O2), eine Vorstufe des stark toxischen Hydroxylradikals; Diamid, ein spezifisches Thiol-Oxidationsmittel, die Superoxidanion-generierende Substanz Paraquat, sowie der NO-Donor MAHMA NONOate. FĂŒr jeden Stressor wurden Proteomsignaturen durch Auftrennung der cytoplasmatischen Proteine mittels 2D-Proteingelelektrophorese und anschlieĂender massenspektrometrischer Identifizierung erstellt. Die zu verschiedenen Zeitpunkten nach Stressauslösung neu synthetisierten Proteine wurden mittels L-[35S]-Methionin radioaktiv markiert und quantifiziert. Mindestens zweifach induzierte Proteine wurden als Markerproteine fĂŒr einen bestimmten Stressor definiert. Durch Zugabe von 10 mM H2O2 wurden verstĂ€rkt Proteine synthetisiert, die an Synthese, Reparatur oder Schutz von NukleinsĂ€uren oder DNA beteiligt sind, was bestĂ€tigt, dass die DNA ein Hauptziel H2O2-induzierter SchĂ€digung ist. Unter Einfluss von 10 nM Paraquat wurden Proteine mit sehr unterschiedlichen biologischen Funktionen, wie z.B. AminosĂ€uresyntheseenzyme und Cofaktoren, induziert. Der durch 1 mM Diamid induzierte Thiolstress fĂŒhrte wie erwartet zur verstĂ€rkten Neusynthese CtsR und HrcA-kontrollierter Chaperone und Proteasen, was auf die Akkumulation fehlgefalteter Proteine hindeutet, die höchstwahrscheinlich durch nichtnative DisulfidbrĂŒcken an den Thiolgruppen der Cysteinreste entstanden sind. Die Induktion von Peroxiredoxinen und einer Thioredoxinreduktase lassen auf ein gestörtes Redoxgleichgewicht in der Zelle schlieĂen. Die Effekte von NO Ă€hnelten denen, die auch unter Sauerstofflimitation beobachteten wurden. Viele Markerproteine sind in Glykolyse und Fermentation involviert und durch Nachweis der entsprechenden Fermentationsprodukte konnte eine höhere AktivitĂ€t fermentativer Stoffwechselwege bestĂ€tigt werden. Die FĂ€higkeit, unter Einfluss von NO auf anaeroben Metabolismus umzuschalten, könnte ein entscheidender Vorteil von S. aureus und essentiell fĂŒr seine höhere Resistenz gegenĂŒber NO sein.
This thesis will discuss the different fields of application of the two soft ionization techniques ESI and MALDI in microbial proteomics and their importance for a better understanding of bacteria physiology. The general development in the past 25 years coming from 2D-gel analysis and protein identification by peptide mass fingerprint analysis via MALDI-TOF to genome wide quantitative LC-ESI-MS experiments with fast and sensitive ESI instruments is exemplary shown for the Gram-positive bacterium Bacillus subtilis in article I. Even though 2D-PAGE in conjunction with MALDI-MS is still an important tool in proteomic research, the more recently established global quantitative LC-ESI-MS workflows gain more and more relevance as they overcome 2D-PAGE based protein restrictions and enable the acquisition of higher accurate protein quantities. In article II such a workflow was used to analyze the physiological adaptation of Staphylococcus aureus to vancomycin treatment on a global-scale. Also post-translational modifications of proteins, that are important for regulation of their activity and allow rapid adaption to changed environmental conditions, could be analyzed by LC-ESI-MS workflows using special enrichment strategies (article III and IV). Despite the mentioned discrimination and less accurate quantification of proteins, 2D-PAGE analyses are still advantageous when analyzing large-scale time series experiments. To gain highly time resolved data but also very accurate relative quantities on a global-scale, 2D-PAGE-MALDI-MS and LC-ESI-MS techniques have been combined to investigate dynamic proteome adaptations of B. subtilis during nutrition shift as part of a global systems biology approach (article V). Also absolute quantities of proteins are of high interest for systems biology, but are still challenging to obtain on large-scale as well as with sufficient accuracy. In article VI a method that again combined 2D-PAGE-MALDI-MS and LC-ESI-MS was introduced to gain absolute protein quantities on global-scale. Utilizing the complementarity of 2D-PAGE and LC-ESI-MS this new workflow enabled fast and cost efficient data acquisition on absolute scale. In article VII we described for the first time a global quantitative LC-MALDI-MS workflow. Cross validation with an LTQ Orbitrap proofed that LC-MALDI-MS is able to process complex samples and obtain highly reliable quantities. The comparative analysis of data gained with both instrument types revealed biases for certain biochemical properties of MALDI as well as ESI instruments, resulting in a general complementarity of both ionization techniques. Article I Becher, D., BĂŒttner, K., Moche, M., Hessling, B., Hecker, M., 2011. From the genome sequence to the protein inventory of Bacillus subtilis. Proteomics 11, 2971â2980. Article II Hessling,B., Bonn,F., Herbst,F.-A., Rappen,G.-M., Bernhardt,J., Hecker,M. and Becher,D. Global proteome analysis of vancomycin stress in Staphylococcus aureus. Submitted to Mol. Cell Proteomics. Article III Elsholz, A.K.W., Turgay, K., Michalik, S., Hessling, B., Gronau, K., Oertel, D., MĂ€der, U., Bernhardt, J., Becher, D., Hecker, M., Gerth, U., 2012. Global impact of protein arginine phosphorylation on the physiology of Bacillus subtilis. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109, 7451â7456. Article IV Chi, B.K., Gronau, K., MĂ€der, U., Hessling, B., Becher, D., Antelmann, H., 2011. S-bacillithiolation protects against hypochlorite stress in Bacillus subtilis as revealed by transcriptomics and redox proteomics. Mol. Cell Proteomics 10, M111.009506. Article V Buescher,J.M., Liebermeister,W., Jules,M., Uhr,M., Muntel,J., Botella,E., Hessling,B., Kleijn,R.J., Le Chat,L., Lecointe,F., et al. (2012) Global network reorganization during dynamic adaptations of Bacillus subtilis metabolism. Science, 335, 1099â1103. Article VI Maass, S., Sievers, S., ZĂŒhlke, D., Kuzinski, J., Sappa, P.K., Muntel, J., Hessling, B., Bernhardt, J., Sietmann, R., Völker, U., Hecker, M., Becher, D., 2011. Efficient, global-scale quantification of absolute protein amounts by integration of targeted mass spectrometry and two-dimensional gel-based proteomics. Anal. Chem. 83, 2677â2684. Article VII Hessling,B., BĂŒttner,K., Hecker,M. and Becher,D. Global relative quantification with LC-MALDI â cross-validation with LTQ-Orbitrap proves reliability and reveals complementary ionization preferences. Submitted to Mol. Cell Proteomics.
Massenspektrometrie hat sich zur Methode der Wahl fĂŒr die globale relative und absolute Proteinquantifizierung entwickelt. Da das vorhandene Methodenspektrum in der Anzahl der zu analysierenden Proben limitiert ist und bei der Vermeidung von Vorfraktionierungstechniken keine globale Analyse erlaubt, war es das Ziel dieser Dissertation das Methodenspektrum anhand von anschaulichen Beispielen zur physiologischen Proteomanalyse Gram positiver Bakterien zu erweitern. Dazu erstreckt sich diese Arbeit von der Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten der Isotopen markierten relativen Quantifizierungsmethode, ĂŒber die Entwicklung eines globalen markierungsfreien relativen Quantifizierungsansatzes bis zur globalen absoluten Quantifizierung und weiter im speziellen der Stöchiometrie-AufklĂ€rung eines Proteinkomplexes. Die Kombination aus 14N/15N metabolischer Markierung mit der GeLC-MS Technik erlaubt eine robuste relative Quantifizierung auf globaler Ebene. Durch die Verwendung eines internen 15N-markierten Referenzextraktes wurde eine bisher nicht erreichte zeitliche Auflösung von zehn Zeitpunkten bei der Untersuchung eines NĂ€hrstoffwechsels zwischen den bevorzugten Kohlenstoffquellen, Glukose und Malat, des Gram positiven Modellorganismus Bacillus subtilis erreicht. Dieses Experiment zeigte klar, dass die Anpassung an Malat als zweite Kohlenstoffquelle sehr schnell passiert. Im Gegensatz dazu findet die Anpassung an Glukose als zusĂ€tzliche Kohlenstoffquelle mit einer zeitlichen Verschiebung von ca. 45 Min. statt. Diese Ergebnisse legen den Schluss nahe, dass die Anpassung an Malat hauptsĂ€chlich auf post-transkriptioneller Ebene geschieht und die Anpassung an Glukose auf transkriptioneller Ebene stattfindet. Die geringe Reproduzierbarkeit von Vorfraktionierungstechniken beschrĂ€nkt ihre Anwendung wĂ€hrend einer markierungsfreien Quantifizierung. Die eingeschrĂ€nkte Kombinationsmöglichkeit mit Vorfraktionierungstechniken fĂŒhrt zu einer geringeren Anzahl an identifizierten und quantifizierten Proteinen, was durch den Einsatz von Ausschlusslisten mit optimierten Messparametern in wiederholten Messungen mit einer eindimensionalen Chromatographie ausgeglichen wurde. Im Vergleich zu einer einfachen Wiederholung der Messung konnte die Anzahl an identifizierten Peptiden um 32 % gesteigert werden. Der Ausschlusslistenansatz konnte anschlieĂend erfolgreich fĂŒr eine markierungsfreie globale Proteinquantifizierung der Stickstoffmonoxid (NO) Stressantwort des humanpathogenen Stapylococcus aureus eingesetzt werden. Die Ergebnisse wurden mittels paralleler Quantifizierung mit 14N/15N metabolischen Markierung verifiziert. Mit dem Ansatz wurden fast 50 % des gesamten Proteoms identifiziert und 70 % davon konnten mit einem zu dem Markierungsexperiment vergleichbaren Ergebnis quantifiziert werden. Die Proteomsignatur der NO-Stressantwort zeigte eine hohe Ăhnlichkeit zu der von Antibiotika, die wie NO zu DNA-StrangbrĂŒchen fĂŒhren. Auch bei der absoluten Proteinquantifizierung kann nicht ohne Weiteres eine Vorfraktionierung eingesetzt werden. Durch die Verwendung einer âmultiplexed LC-MSâ (LC-MSE) Methode wurde fast die HĂ€lfte aller zytosolischen Proteine von B. subtilis mit einer hohen durchschnittlichen Sequenzabdeckung von 40 % identifiziert. Die Hi3-Methode ermögliche zusĂ€tzlich die absolute Quantifizierung fast aller identifizierten Proteine, die ĂŒber fast vier GröĂenordnungen nachgewiesen werden konnten. Die ZuverlĂ€ssigkeit des Ansatzes wurde fĂŒr sechs Proteine mit der gut etablierten AQUA-Technik bestĂ€tigt. Mit der Hi3-Methode wurden zum einen absolute Proteomsignaturen fĂŒr unterschiedliche NĂ€hrstoffsituationen erstellt, was auch Einblicke in die Regulation der Expression von AminosĂ€ure-Biosynthese und âabbau-Enzyme ermöglichte. Zum anderen konnte gezeigt werden, dass die intrazellulĂ€re Konzentration von ribosomalen und weiteren Wachstumsraten-abhĂ€ngig benötigten Proteinen sich bei niedrigen Wachstumsraten nicht unterscheidet und erst ab einer Wachstumsrate von 0,8 Std.-1 linear ansteigt. Die vergleichsweise hohe Standardabweichung der Hi3-Methode (~30 %) erschwert ihre Anwendung bei der Bestimmung von nicht gradzahligen Protein-Komplex-Stöchiometrien. Deswegen wurde zur Analyse des RNA-Polymerase-Komplexes von B. subtilis der AQUA-Ansatz gewĂ€hlt, der sich durch eine sehr geringe Standardabweichung auszeichnet (< 10 %). Dazu wurde ein Protokoll entwickelt, welches auf einer mTRAQ-Markierung der Referenzpeptide und des verdauten Komplexes beruhte. Es war so möglich die bekannte Stöchiometrie des Kernkomplexes RpoA:RpoB:RpoC 2:1:1 zu bestĂ€tigen und zusĂ€tzlich die zwei Ï-Unterheiten und die Ï-Faktoren ÏA und ÏB absolut zu bestimmen. Die Menge an ÏB im Komplex nahm nach Glukose-Hunger und Ethanol-Stress auf bis zu 5 % zu und es konnte gezeigt werden, dass sich die Menge einer Ï-Unterheit (YloH) sich im gleichen MaĂe im Komplex Ă€ndert, wie die Menge an ÏA.
In the post genomic era, novel âOmicsâ technologies like genomics and proteomics can be used in powerful screening approaches to provide unbiased lists of candidate genes and proteins and thus facilitate a comprehensive analysis of complex diseases such as cancer, which would not have been possible applying traditional genetic and biochemical approaches alone. During my PhD tenure I applied functional genomics screening technologies including proteomics in combination with traditional biochemical and cell biology approaches in two disease oriented projects: 1. Characterization of the role of BCL11b in Human T cell lymphomas (and) 2. Elucidation of the mechanism of pathophysiology of Johanson Blizzard Syndrome using UBR1 knockout mice and JBS patientsâ lymphoblasts cell lines.
1.Characterization of the role of BCL11b in Human T cell lymphomas
: The Bcl11b protein belongs to the C2H2-family of Krueppel-like zinc finger proteins and thus is a member of the largest family of transcription factors in eukaryotes. It was shown to be important for a variety of functions such as T cell differentiation, normal development of central nervous system and DNA damage response. Malignant T cells undergo apoptotic cell death upon BCL11B down-regulation. However, the detailed mechanism of this cell death is not fully understood. Two dimensional difference in-gel electrophoresis (2D-DIGE), mass spectrometry and cell biological experiments were employed to investigate the functional impact of knock down of BCL11B in malignant T cell lines such as Jurkat and huT78. To further confirm the findings of these experiments, changes in protein patterns were also recorded after down-regulation of BCL11B expression in Jurkat cells over expressing BcL-xL and in Jurkat cells over expressing BCL11B. These experiments provide evidence for the involvement of the mitochondrial apoptotic pathway and increased levels of cleavage fragments of known caspase targets such as myosin, spectrin and vimentin were observed after BCL11B knockdown. The findings suggest an involvement of ERM proteins, which were up-regulated and phosphorylated upon BCL11B down-regulation. Besides ERM proteins, PDCD5, a key regulator of apoptosis, was also found at increased levels upon down regulation of BCL11B. Moreover, the levels of several proteins implicated in cell cycle entry, including DUT-N, UCK2, MAT1, CDK6, MCM4 and MCM6 were elevated, which might lead to uncontrolled cell cycle progression, uracil misincorporation and cell death. Interestingly, an inverse regulation pattern, i.e. decreased levels of ERM proteins, DUT-N, UCK2 and PDCD5 was seen upon over expression of BCL11B in Jurkat cells. In summary, proteome analyses revealed several previously unidentified mechanisms which could significantly contribute to the cell death following BCL11B knockdown.
2.Elucidation of the mechanism of pathophysiology of Johanson Blizzard Syndrome using UBR1 knockout mice and JBS patientsâ lymphoblasts cell lines
: Johanson-Blizzard syndrome (JBS; OMIM 243,800), which was first described in 1971, is a rare autosomal recessively inherited genetic disorder with a unique combination of congenital abnormalities. The most constant clinical feature of JBS is the loss of exocrine pancreatic function due to progressive destruction of pancreatic acini. Genome wide linkage analysis identified the disease associated locus in the 15q14-q21 chromosome region and high-throughput sequencing of this region revealed several truncated and some missense mutations in the UBR1 gene. UBR1 gene contains 47 exons and spans over 161 kilobases. The UBR1 protein belongs to the E3 ubiquitin ligase family and is an important component of the N-end rule pathway of ubiquitous protein degradation. It was hypothesized that stabilization of direct and unique substrates of UBR1 could be the main cause of the JBS pathophysiology. So far sequencing of the UBR1 gene is the only available diagnostic procedure. However, sequencing might not always allow precise prediction of residual UBR1 activity. Hence, this study was started to develop a protein based diagnostic assay for the detection of subclinical cases of JBS and to identify signalling pathways contributing to the pathophysiology of this complex disorder using a murine UBR1 knockout model. 2D-DIGE proteome analysis was carried out for a comparative evaluation of lymphoblast samples of 14 patients and 11 controls. Principal component Analysis (PCA) clearly discriminated JBS patients from controls. However, 4 JBS patients differed from the rest and resembled controls more closely. Western-blot analysis revealed residual UBR1 levels in these patients, which were linked to a milder phenotype. Hierarchical clustering of the three groups (controls, patients with residual UBR1 levels and patients without UBR1) showed group-specific characteristic differences in the abundance of differentially regulated proteins. Quantification of a panel of five selected protein spots encompassing Interferon-induced GTP binding protein, HLA class II histocompatibility antigen, Annexin A6, FK506-binding protein 4 and GRP78 permitted discrimination of controls and JBS patients with mild phenotypes. Of note, the molecular chaperones GRP78 (BiP) and FK506BP were consistently altered in level in JBS patients and probably constitute UBR1 dependent substrates. This suggested JBS as an ER-stress related disease also indicating a possible way of therapeutic intervention. Comparative proteome analysis of UBR1 knockout and wild type animals after caerulein treatment revealed a significant accumulation of pancreatic proteases such as chymotrypsin B, anionic trypsin and pancreatic elastase in animals lacking UBR1. Furthermore, an up-regulation of ER-stress proteins and inflammation related proteins was observed. Phenotypic characterisation revealed in UBR1 knockout animals significantly increased lipase levels, a significantly increased histological score and significantly increased elastase activity 8h after the onset of pancreatitis. In isolated pancreatic acini of UBR1 knockout animals we found a significant increase in intracellular elastase activation upon supramaximal CCK stimulation, which was associated with a significant rise in the rate of necrosis explaining the more severe phenotype in the UBR1 knock-out animals. A TUNEL assay showed that there was more apoptosis in wild type compared to UBR1 knockout mice. Another set of experiments was designed to identify physiologically important substrates of UBR1. Inhibition of such substrates might then in turn allow reversion or prevention of the severe form of pancreatitis in UBR1 knockout mice. However, using the trypsin specific and reversible inhibitor S-124 it was shown that impaired trypsin degradation and thereby prolonged activation of this protease did not critically influence the phenotype. Calcium analysis after physiological stimulation revealed an increase of pathological Ca2+ signalling events, i.e. significant decrease of spike number and significant increase of spike duration. Of the candidates potentially influencing Ca2+ signalling RGS4 turned out to be of particular importance. Pre-incubation of pancreatic acini of UBR1 knockout animals with a specific RGS4 inhibitor (CCG-4986, 10 ”M) normalized Ca2+ patterns, did not affect trypsin activity itself but prevented Ca2+-triggered premature trypsin activation and thus acinar disintegration. In summary, using lymphoblasts samples of JBS patients we were able to deduce a protein panel which could be developed as a possible diagnostic tool for confirmation of JBS syndrome. Furthermore, using UBR1 knockout mice in an experimental model we were able to elucidate the vital function of UBR1 and its direct substrate RGS4 in the defense against pathologic pancreatic damage thereby manifesting JBS as an inflammatory disorder due to an inadequate UBR1 mediated defense.
Zusammenfassung Das Ubiquitin-Proteasom-System (UPS) ist das wichtigste nicht-lysosomale proteolytische System fĂŒr den Abbau intrazellulĂ€rer Proteine. Die Inhibition des UPS kann dosisabhĂ€ngig den apoptotischen Zelltod oder die Induktion einer protektiven Stressantwort auslösen. In der therapeutischen Anwendung der Proteasominhibition sind neben der Wirksamkeit auch exakte Kenntnisse der Wirkungsweise essentiell, um die primĂ€ren Effekte durch die Proteasominhibition besser zu erfassen und die initialen Effekte der Vermittlung dieser zellulĂ€ren Reaktion besser zu verstehen. In dieser Arbeit wurden Methoden der Proteom- und Transkriptomebene kombiniert, um komplexe zellulĂ€re VerĂ€nderungen von Endothelzellen nach Proteasomhemmung zu charakterisieren. Weiterhin wurde mittels ImmunprĂ€zipitation Ubiquitin-bindender Proteine untersucht, welche Substrate des Proteasoms nach Proteasomhemmung in Endothelzellen stabilisiert werden. PrimĂ€re humane Endothelzellen (Huvec) wurden als Modell gewĂ€hlt und mit niedrigen bzw. hohen Dosierungen des Proteasominhibitors MG132 behandelt. Das Expressionsprofil wurde in einer Zeitkinetik innerhalb der ersten 6h mittels Affymetrix Chipanalysen bestimmt. Die differentielle Proteinexpression nach zwei Stunden Proteasomhemmung wurde im Gesamtzelllysat durch 2D Gelelektrophorese und anschlieĂende SilberfĂ€rbung visualisiert. Dabei konnten mehr als 20 regulierte Proteine identifiziert werden, welche zuvor nicht direkt im Zusammenhang mit der Vermittlung einer protektiven Stressantwort nach niedrig dosierter Proteasomhemmung bekannt waren. Durch Korrelation mit den parallel durchgefĂŒhrten Expressionsarrays konnte die Regulation dieser Proteine als unabhĂ€ngig von der Transkription erfasst werden. Die funktionelle Annotation der Daten zeigte dabei eine Anreicherung von Proteinen der zellulĂ€ren Stressantwort, der intrazellulĂ€ren Signaltransduktion und des oxidativen Stresses. Diese waren differentiell reguliert nach niedrig bzw. hoch dosierter Proteasominhibition. WĂ€hrend die niedrig dosierte Proteasominhibition ein protektives Genmuster zeigte, induzierten hohe Dosen den apoptotischen Zelltod. Auch konnte, in AbhĂ€ngigkeit vom Grad der Proteasominhibition, ein deutlicher Anstieg der freien Radikale innerhalb der Zellen nachgewiesen werden, was auf die Vermittlung der Apoptose durch freie Radikale hinweist. Mit DJ-1, Peroxiredoxin-1 und -6 wurden mehrere Sensorproteine fĂŒr oxidativen Stress identifiziert. Um, neben der Proteom- und Transkriptomanalyse, auch gezielt Substrate der Proteasominhibition zu identifizieren und als mögliche Mediatoren der protektiven Stressantwort zu identifizieren, wurden Gesamtzelllysate mittels Ubiquitin-ImmunprĂ€zipitation getrennt und Ubiquitin-bindende Proteine per Massenspektrometrie identifiziert. Dabei konnte ein Set von 22 Proteinen identifiziert werden, welche spezifisch nach 2h an der Ubiquitin-spezifischen Matrix gebunden wurden. In diesem Set finden sich vor allem RNA bindende Proteine, Bestandteile des UPS und ribosomale Proteine. Um gezielt transkriptionelle Mediatoren der protektiven Stressantwort nach partieller Proteasominhibition zu identifizieren, wurde eine Subproteom-Analyse mit nukleĂ€ren Extrakten von Huvec durchgefĂŒhrt. Nach Visualisierung mittels DIGE-Labeling und quantitativer Auswertung konnten 361 regulierte Spots nach 2 stĂŒndiger Proteasominhibition erfasst werden. Von diesen Spots konnten 319 per MALDI-MS identifiziert werden und 152 verschiedenen Proteinen zugeordnet werden. Die funktionelle Auswertung ergab eine deutliche ĂberreprĂ€sentation von RNA-bindenden und Splicing-relevanten Proteinen. Auch konnte fĂŒr HnRNP A1, einem RNA-bindenden Protein, eine funktionelle Methylierung sowie eine VerĂ€nderung der subzellulĂ€ren Lokalisierung nachgewiesen werden. Diese Ergebnisse deuten auf die Regulation des zellulĂ€ren Splicings hin. In parallel dazu angefertigten Exon-sensitiven Affymetrix Arrays wurden ĂŒber 600 Gene mit differentiell regulierten Exons identifiziert, welche vor allem Gene mit Rezeptor- und Transportproteinen kodieren. Auch eine erhöhte Anzahl von Genen mit Methyltransferase-/KinaseaktivitĂ€t wurde identifiziert. Insbesondere die Methyltransferasen, welche auch bei der posttranslationalen Modifikation von HnRNP A1 eine Rolle spielen, zeigten dabei eine signifikante Regulation unter niedrig dosierter Proteasominhibition. Zusammengefasst tragen die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse dazu bei, einen detaillierten Ăberblick ĂŒber die initialen Prozesse niedrig dosierter Proteasominhibition in Endothelzellen zu geben. Die Daten deuten dabei auf eine schnelle Adaptation der Zellen nach partieller Proteasomhemmung mittels Aktivierung einer anti-oxidativen Stressantwort sowie durch Regulation von SplicingvorgĂ€ngen hin, die letztendlich in einem verĂ€nderten Expressionsprofil der Endothelzellen mĂŒnden. Mit diesem systematischen Ansatz und der Kombination von Proteom- und Transkriptomanalyse konnten dabei einzelne Targets fĂŒr die Mediation einer protektiven zellulĂ€ren Stressantwort nach partieller Proteasomhemmung identifiziert werden.