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Steptococcus pneumoniae (pneumococcus) represents a common colonizer of the human upper respiratory tract (URT). However, under certain conditions, for example following viral infections, or in indiciduals with a weakened immune system, including young children, elderly and immunocompromised persons, it can cause a wide range of life-threatening diseases, such as pneumonia, meningitis or sepsis. Based on the polysaccharide capsule that surrounds the bacterium, pneumococci are classified into so far 98 different serotypes. Prevention of S. pneumoniae infections was achieved by the development of pneumococcal polysaccharide-based (PPSV) vaccines. However, these vaccines have important limitations, including high manufacturing costs and restricted serotype coverage facilitating replacement by non-vaccine serotypes. Aiming for the development of a serotype-independent vaccine, the potential of surface-exposed and highly conserved pneumococcal lipoproteins was evaluated for being targeted as a future protein-based vaccine. Therefore, selected lipoproteins were examined i) for their surface abundance and accessibility, ii) for their presence in clinically relevant S. pneumoniae strains, and iii) for their immunogenicity. Finally, based on these initial screenings, the most promising candidates were selected to analyze their protective efficacy in a moude model of colonization. DacB and PnrA were identified as highly abundant lipoproteins on the pneumococcal surface. They showed to be immunogenic both during natural infection using convalescent patient sera and when given to mice as a subunit vaccine formulation. Following intranasal immunization and challenge of mice with two heterologous S. pneumoniae strains, both proteins reduced the pneumococcal load in the nasopharynx. The protection correlated with increased production of IL-17A indicative for a Th17-mediated immunity, which is strongly suggested to play a critical role in preventing pneumococcal colonization and infection. Lipoproteins are triggering innate receptors on antigen-presenting cells, thereby linking innate with adaptive immune responses. Therefore, lipidated proteins were evaluated for their potential to be used as an adjuvant for vaccination. Lipidation clearly enhanced humoral immune responses to DacB and PnrA without the need of an additional adjuvant. However, an additional adjuvant was required to confer protection against pneumococcal colonization. In conclusion, Lipoproteins are interesting candidates for future protein-based vaccine strategies because they are highly conserved, abundant and immunogenic. PnrA and DacB were identified as potential candidates, since they induced protection against pneumococcal colonization, which in turn may lead to a decline in infections and transmission.

Streptococcus pneumoniae (Pneumokokken) sind Gram-positive und Katalase-negative humanspezifische Kommensalen der oberen und unteren Atemwege. Diese Bakterien sind andererseits auch als schwere Krankheitserreger bekannt und verursachen bei verschiedenen Bevölkerungsgruppen, wie beispielsweise Kindern, Älteren und immungeschwächten Personen sowohl Atemwegs- als auch lebensbedrohliche invasive Erkrankungen wie eine ambulant erworbene Pneumonie, Meningitis und Sepsis. Pneumokokken haben aufgrund ihrer Besiedelung des Respirationstraktes effiziente Mechanismen entwickelt, um in einer sauerstoffreichen Nische überleben zu können. Dabei richten sich die Mechanismen vor allem gegen reaktive Sauerstoffspezies (Reactive Oxygen Spezies, ROS), die einerseits als Abwehrfunktion des Wirts (oxidative burst) vom angeborenen Immunsystem und andererseits von den Pneumokokken selbst produziert werden, um als chemische Waffe zur Bekämpfung bakterieller Konkurrenten in ihrem Habitat eingesetzt zu werden. In der vorliegenden Arbeit wurde ein hochkonserviertes Zwei-Operon-System, das für die extrazelluläre oxidative Stress-Resistenz in S. pneumoniae verantwortlich ist, identifiziert und auf pathophysiologischer sowie struktureller Ebene charakterisiert. Dieses komplexe System besteht aus zwei integralen Cytochrom C-ähnlichen Membranproteinen (CcdA1 und CcdA2), zwei Thioredoxin-ähnlichen Lipoproteinen (Etrx1 und Etrx2) und einer Methioninsulfoxid-Reduktase AB2 (MsrAB2). Die Etrx-Proteine werden zwar in zwei räumlich voneinander getrennten Operonen kodiert, sind aber funktionell miteinander verbunden. Der Einfluss des Systems auf die Pathogenese der Pneumokokken wurde in Maus-Virulenz-Studien und Untersuchungen der Phagozytose unter Verwendung von isogenen Mutanten gezeigt. Sowohl in den in vivo als auch den in vitro Experimenten konnte gezeigt werden, dass der Verlust der Funktion beider Etrx-Proteine beziehungsweise der Methioninsulfoxid-Reduktase MsrAB2 die Virulenz der Pneumokokken stark reduziert. Hieraus resultierte eine erheblich verringerte Letalität des Wirts, eine beschleunigte bakterielle Aufnahme durch die Makrophagen sowie ein schnelleres Abtöten der Pneumokokken durch eine oxidative Schädigung von Oberflächen-lokalisierten Proteinen mittels Wasserstoffperoxid. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Etrx2 die Abwesenheit von Etrx1 und umgekehrt Etrx1 das Defizit von Etrx2 kompensieren kann. Durch Strukturaufklärung der beiden Thioredoxin-ähnlichen Proteine Etrx1 und Etrx2 sowie der Modellierung der beteiligten Komponenten CcdA und MsrAB2 konnte die Rolle jedes einzelnen Proteins dieses Systems (CcdA-Etrx-MsrAB2-System) bei der Reparatur beschädigter Oberflächen-lokalisierter Proteine in einem Modell dargestellt werden. Das postulierte Modell konnte über in vivo und in vitro Untersuchungen des Elektronentransfers innerhalb dieses Systems bestätigt werden. Mit der Bestimmung der Standardredoxpotentiale der rekombinanten Proteine Etrx1, Etrx2 und der Einzeldomänen MsrA2 und MsrB2 konnte in vitro gezeigt werden, dass der Elektronenfluss in Richtung von Etrx1 und Etrx2 zu MsrAB2 erfolgen muss. Die direkte Elektronenübertragung zwischen diesen Proteinen konnte in kinetischen Experimenten gezeigt werden. Die Messungen ergaben, dass Etrx1 bevorzugt mit der MsrA2-Untereinheit interagiert beziehungsweise Etrx2 sowohl mit der MsrA2-Untereinheit als auch mit der MsrB2-Untereinheit in Wechselwirkung treten kann. Der in vivo Redoxzustand von MsrAB2 wurde unter Verwendung der nicht-reduzierenden/reduzierenden „2D-Diagonal“-SDS-PAGE in den isogenen ccdA- und etrx-Mutanten bestimmt. Hierbei konnte ein Unterschied im Redoxzustand von MsrAB2 in den isogenen Einzelmutanten und Doppelmutanten von ccdA und etrx beobachtet werden. Während in den Einzelmutanten der Elektronenfluss innerhalb des CcdA-Etrx-MsrAB2-Systems unverändert war, zeigte sich in den Doppelmutanten ccdA1/ccdA2 und etrx1/etrx2 eine deutliche Beeinträchtigung der Elektronenübertragung auf MsrAB2, welche sich in der Zunahme der oxidierten Form von MsrAB2 deutlich machte. Somit konnte der Elektronenfluss von sowohl von CcdA1 über Etrx1 zu MsrAB2 als auch von CcdA2 über Etrx2 zu MsrAB2 in vivo betätigt werden. In Anbetracht der Ergebnisse dieser Arbeit könnte das hochkonservierte CcdA-Etrx-MsrAB2-System der extrazellulären oxidativen Stress-Resistenz von S. pneumoniae zur Entwicklung proteinbasierter Pneumokokken-Impfstoffe und zum Angriffspunkt für Behandlungen gegen diese wichtigen humanpathogenen Erreger beitragen.

Das Gram-positive Bakterium Streptococcus pneumoniae ist ein humanspezifisches Pathogen des oberen Respirationstraktes. Der opportunistische Krankheitserreger kann jedoch mehrere Organe befallen und tiefer in den Körper vordringen, was zu lokalen Entzündungen wie Sinusitis und Otitis media oder zu lebensbedrohlichen Infektionen wie Pneumonie, Meningitis oder Sepsis führen kann. Für das Bakterium S. pneumoniae wurden bisher kaum Metabolom-Daten erhoben. Daher war das Ziel dieser Dissertation eine umfassende Charakterisierung des Metaboloms von S. pneumoniae. In dieser Dissertation wurden als analytische Methoden die Gaschromatografie (GC) und Flüssigkeitschromatografie (LC) jeweils gekoppelt mit Massenspektrometrie (MS) sowie die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) verwendet, um die Metaboliten zu analysieren. Es sind mehrere Analysetechniken erforderlich, um den Großteil des Metaboloms mit seinen chemisch verschiedenen Metaboliten zu erfassen. Artikel I fasst die Literatur zu Untersuchungen des Metabolismus von S. pneumoniae in den letzten Jahren zusammen. Um eine Momentaufnahme des biologischen Systems zum jeweiligen Zeitpunkt zu erhalten, ist neben dem reproduzierbaren Wachstum während der Kultivierung auch die exakte Probenahme zu beachten. Aus diesem Grund wurde in dieser Dissertation ein Probenahmeprotokoll für das Endometabolom von S. pneumoniae etabliert (Artikel II). Mithilfe des optimierten Protokolls wurde eine umfassende Metabolomanalyse in einem chemisch definierten Medium durchgeführt (Artikel II). Um S. pneumoniae in einer Umgebung ähnlich der im Wirt zu untersuchen, wurde in einem modifizierten Zellkulturmedium kultiviert. Intermediate zentraler Stoffwechselwege von S. pneumoniae wurden analysiert. Das intrazelluläre Stoffwechselprofil wies auf einen hohen glykolytischen Flux hin und bot Einblicke in den Peptidoglykan-Stoffwechsel. Darüber hinaus widerspiegelten die Ergebnisse die biochemische Abhängigkeit von S. pneumoniae von aus dem Wirt stammenden Nährstoffen. Ein umfassendes Verständnis der Stoffwechselwege von Pathogenen ist wichtig, um Erkenntnisse über die Anpassungsstrategien während einer Infektion zu gewinnen und so neue Angriffspunkte für Wirkstoffe zu identifizieren. Die zunehmende Verbreitung von resistenten S. pneumoniae-Stämmen zwingt zur Suche nach neuen antibiotisch wirksamen Substanzen. Im Zuge dessen wurde in Artikel III die metabolische Reaktion von S. pneumoniae während des Wachstums unter dem Einfluss antibakterieller Substanzen mit dem Ziel der Identifizierung metabolischer Anpassungsprozesse untersucht. Dabei wurden Antibiotika mit unterschiedlichen Wirkmechanismen verwendet, wie die Beeinflussung der Zellwandbiosynthese (Cefotaxim, Teixobactin-Arg10), der Proteinbiosynthese (Azithromycin) sowie Nukleotidsynthese (Moxifloxacin). Es konnten keine Wirkmechanismus-spezifischen Marker-Metaboliten identifiziert werden. Jedes Antibiotikum verursachte weitreichende Veränderungen im gesamten Metabolom von S. pneumoniae. Die Nukleotid- und Zellwandsynthese waren am stärksten betroffen. Besonders vielversprechend sind Antibiotika mit zwei Wirkorten wie Teixobactin-Arg10 und Kombinationen aus zwei Antibiotika. In dieser Dissertation wurde das erste Mal das synthetisch hergestellte Teixobactin-Arg10 mittels einer der modernen OMICS-Techniken untersucht. Die vorliegende umfassende Metabolom-Studie bietet wertvolle Erkenntnisse für Forscher, die an der Identifizierung neuer antibakterieller Substanzen arbeiten. Insgesamt tragen die Ergebnisse der Dissertation zu einem besseren Verständnis der bakteriellen Physiologie bei.

Streptococcus pneumoniae (S. pneumoniae; the pneumococcus) is a Gram-positive, aerotolerant, and opportunistic bacteria, which colonizes the upper respiratory tract of human. S. pneumoniae can further migrate to other sterile parts of the body, and causes local as well as fatal infections like, pneumonia, septicaemia and meningitis. Due to incomplete amino acid pathways, pneumococci are auxotrophic for eight different amino acids including glutamine and arginine. The pneumococcus has adapted to the various host environmental conditions and a number of systems are dedicated for the transport and utilization of nutrients such as monosaccharides, amino acids and oligopeptides. In this study the amino acid metabolism was characterised by 15N-isotopologue profiling in two different pneumococcal strains, D39 and TIGR4. Efficient uptake of a labelled amino acids mixture of 15N-labelled amino acids showed that S. pneumoniae has a preference for the amino acids transport instead of a de novo biosynthesis. It is known that glutamine (Gln) serves as main nitrogen source for S. pneumoniae. The 15N-labelled Gln used in this study demonstrated an efficient 15N-enrichment of Glu, Ala, Pro and Thr. Minor enrichment was seen for the amino acids Asp, Ile, Leu, Phe, Tyr, and Val. Remarkably, labelled Gly and Ser could be determined in strain TIGR4, whereas for strain D39 these two labelled amino acids were not detected. This confirms earlier studies with 13C-labelled glucose, which showed the biosynthesis of Ser out of Gly. Strain TIGR4 was able to grow in chemically-defined medium depleted of Gly confirming that Gly can be synthesized out of serine by the action of the enzyme serine hydroxymethyltransferase (SHMT). The transcriptional regulator GlnR controls the Gln and Glu metabolism in S. pneumoniae. Hence, the impact of the repressor GlnR on amino acids metabolism was also studied. An increased 15N-enrichment was determined for Ala and Glu in both used pneumococcal strains, while an increased level of Pro was only measured in the isogenic glnR-mutant of non-encapsulated D39. Arginine can also serve as nitrogen source in strain TIGR4. The arginine deiminase system metabolizes Arg into ornithine, carbamoyl phosphate and CO2 by the generation of 1 ATP and 2 mol NH3. Because of the truncation of the arcA gene strain D39 lacks arginine deiminase activity and has thus no functional ADS system. When 15N-Arg was added for growth, only in strain TIGR4, thirteen (13) labelled amino acids were detected with the highest enrichment for Ala, Glu and Thr. Genes coding for the enzymes of the arginine metabolism and for arginine uptake are regulated by the activator ArgR2 in strain TIGR4. Inactivation of ArgR2 was not accompanied by an enrichment of labelled amino acids, when the argR2-mutant was grown with 15N-labelled Arg indicative of the important role of ArgR2. The bicistronic operon arcDT encoding the arginine/ornithine transporter ArcD and a putative peptidase ArcT belong to the peptidase family M20. The in silico comparison of structures revealed a significant homology of ArcT to PepV of L. delbrueckii and to Sapep of S. aureus known as carboxypeptidase. ArcT was heterologously expressed in E. coli and purified under reducing conditions. An enzymatic reaction was established and several dipeptides like Ala-Arg, Arg-Ala, and Ala-Asp were used as substrates. In addition, the dependency on divalent cations was analysed. Cleavage of the dipeptide Ala-Arg was detected in the presence of Mn2+ as cofactor under reducing conditions. Reduced peptidase activity was observed when Zn2+ was added. No cleavage of the tripeptide Ala-Ala-Arg could be shown indicating that ArcT acts as dipeptidase with the preference to the Arg residue at the C-terminal end. Bacterial meningitis caused by S. pneumoniae was studied in an in vivo proteomic analysis. In a mouse meningitis model S. pneumoniae was isolated from the cerebrospinal fluid (CSF) by a filter extraction step. The MS analysis identified AliB and ComDE only from CSF isolated pneumococci indicating that these proteins are expressed under infection conditions. Mice infected with D39 wild-type and isogenic aliB, comDE and aliB-comDE double knockout mutants showed significantly less number of pleocytosis in the CSF and lower bacterial load in the blood compared to the wild-type. The results indicate that AliB and ComDE play an important role during meningitis. Phenotypic characterization was carried out to identify differences between the wild-type and the aliB-, comDE- and aliB-comDE double mutants. Oxidative stress conditions were induced by the application of hydrogen peroxide or paraquat during growth in a chemically-defined medium similar to the CSF. No alteration in growth and survival of these mutants compared to the wild-type was observed suggesting that oxygen radicals play not an important role during the progression of meningitis. In addition, no differences of AliB expression was detected in the ComDE deficient D39. No impact of aliB and comDE-mutation on the expression of different virulence factors like pneumolysin or proteins involved in capsular biosynthesis was detected. In vitro proteome analysis was performed to compare the wild-type to the AliB, and ComDE deficient D39 in the early and mid logarithmic growth phase. More than 70 % of theoretically expressed proteins were identified. In the aliB-mutant 33 proteins were differentally expressed in the early growth phase and 50 proteins differed during mid log growth. For the comDE mutant 24 and 11 proteins differed in expression in these two growth phases. Interestingly, high level of AliA expression was identified in all samples. The aliB-mutant had a decreased abundance of the proteins resembling an oligopeptide ABC transporter (AmiA, AmiC, AmiD, AmiE). In addition, another ABC transporter for iron transport encoded by spd_1607 to spd_ 1610 was higher expressed in the aliB-mutant. In the ComDE deficient mutant lower abundance of the Ami transporter sytem was identified. An increased abundance of proteins involved in the pyrimidine metabolism (PyrF, PyrE, PyrDb, PyrB and PyrR) was recognized only in the early growth phase of the comDE-mutant. These analyses demonstrate the marginal changes in protein synthesis during growth of S. pneumoniae. These studies demonstrated the adaptation of the proteome of S. pneumoniae to different growth conditions and the impact of regulatory proteins on the availability of carbon and nitrogen sources.

Als Mitglieder der Ordnung Lactobacillales ist das Hauptkatabolit der Pneumokokken sowohl unter aerober wie auch microaerophiler Atmosphäre Lactat. Des Weiteren synthetisiert S. pneumoniae eine große Bandbreite an ABC-Transportersystemen, die an der Assimilation und an dem Stoffwechsel von Kohlenhydraten, löslichen Verbindungen und Aminosäuren beteiligt sind. In dieser Arbeit wurde der Kohlenstoffmetabolismus mittels 13C-Isotopologen Verteilung nach Wachstum der Pneumokokkenkultur in chemisch definiertem Medium (CDM) mit [U-13C6]Glucose, [1,2-13C2]Glucose oder [U-13C2]Glycin analysiert. GC/MS-Analysen zeigten ein Muster an schwer-markierten und unmarkierten Kohlenstoffatomen in den Aminosäuren. Die Ergebnisse ließen den Schluss zu, dass Pneumokokken sowohl einzelne Aminosäuren aufnehmen, wie auch über klassische oder nicht-klassische Biosynthesewege de novo synthetisieren können. His, Glu, Ile, Leu, Val, Pro und Gly blieben im Isotopolog Profiling unmarkiert, was ein Hinweis auf das Fehlen von Biosynthesewegen oder ihrer Regulation unter bestimmten Umweltbedingungen sein könnte. Obwohl die genetische Information für die Biosynthese der essentiellen verzweigtkettigen Aminosäuren (BAA; Ile, Leu und Val) in S. pneumoniae vorhanden ist, ergaben die 13C-Markierungsversuche keine de novo Synthese. Jedoch konnte durch Langzeit-1H-NMR (LT-NMR) Analysen eine aktive Aufnahme dieser Aminosäuren nachgewiesen werden. Darüber hinaus wird Aspartat nicht über den allgemeinen Stoffwechselweg mit Pyruvat und Acetyl-CoA synthetisiert. Die Aspartat-Synthese erfolgt im ersten Schritt durch die Umwandlung von Phosphoenolpyruvat (PEP) und CO2 zu Oxalacetat. Im zweiten Schritt wird Oxalacetat dann in Aspartat mit der Nebenreaktion Glutamat zu alpha-Ketoglutarat durch die Aspartat-Transaminase metabolisiert. GC/MS Analysen ergaben weiterhin, dass komplett markierte aromatische Aminosäuren aus Erythrose-4-Phosphat und zwei Molekülen PEP über das Intermediat Chorismat synthetisiert wurden. Es zeigte sich außerdem, dass [M+1] markiertes Serin durch die Hydroxymethylierung von unmarkiertem Glycin über 5,10-Methylentetrahydrofolat als Teil des C1-Pools hergestellt wurde. Weiterhin wurden In LT-NMR-Untersuchungen Konzentrationsänderungen der extrazellulären Metabolite quantifizert. Die homofermentative Milchsäuregärung konnte in Pneumokokken durch einen extrazellulären Anstieg der Lactatkonzentration nachgewiesen werden. Als essentielle Kandidaten wurden Glutamin und Uracil identifiziert, die das Pneumokokkenwachstum bei Mangel einschränken. Diese Ergebnisse zeigen die Vielzahl von Aminosäuren-Synthesewegen in Pneumkokken und die notwendige Rolle der Transportersysteme in Pneumokokken für die bakterielle Fitness und für die Adaption an verschiedene Wirtsnischen. Sechs mögliche Glutamin-Aufnahmesysteme konnten durch Genomanalysen von Streptococcus pneumoniae Stämmen identifiziert werden. Die Reverse Transkriptions-PCR haben gezeigt, dass die sechs gln-Operons unter in vitro Bedingungen exprimiert werden. Vier der gln-Gencluster bestehen aus den Genen glnQPH, während in zwei Regionen das Gen glnH, welches für eine lösliche Glutamin-Bindungsdomäne kodiert, fehlt. In dieser Arbeit wurde der Einfluss zwei dieser Glutamin-ABC-Transporter, mit den Operons glnQPH0411/0412 und glnQPH1098/1099, in S. pneumoniae D39 auf Virulenz und Phagozytose untersucht. Die zwei charakterisierten Transportersysteme bestehen jeweils aus der ATPase GlnQ und einem translatorischem Fusionsprotein aus der Permease GlnP und dem Bindungsprotein GlnH. Für die Untersuchungen wurden diese beiden Transporter mittels Insertations-Deletions-Mutagenese inaktiviert. CD-1 Mäuse, die intranasal mit biolumineszierenden D39delgln0411/0412 infiziert wurden, zeigten in Echtzeit eine signifikant erhöhte Überlebenszeit und eine Attenuierung bei der Ausprägung einer Pneumonie im Vergleich zu biolumineszierenden Wildtyp D39 Pneumokokken. Im murinen Sepsismodell mit der D39delgln0411/0412-Mutante zeigte sich eine gemäßigte, aber signifikante Abschwächung der Pathogenese. Im Gegensatz dazu war die D39delgln1098/1099 Mutante sowohl im murinen Pneumonie- wie auch Sepsismodell massiv attenuiert. Es war eine 100- bis 10000- fach höhere Infektionsdosis erforderlich, um mit der D39delgln1098/1099-Mutante eine vergleichbare Pathogenese der Pneumonie oder Sepsis wie beim Wildtypstamm D39 hervorzurufen. Im experimentellen Meningitismodell zeigten sich bei der D39delgln1098/1099-Mutante eine erniedrigte Anzahl an Leukozyten im Liquor und ein reduzierter Bakterientiter im Blut im Vergleich zu D39 und D39delgln0411/0412. Auch die Phagozytose-Experimente bestätigten eine signifikante verminderte Überlebensrate der beiden gln-Mutanten im Vergleich zum Wildtyp S. pneumoniae D39, was auf den Einfluss der bakteriellen Fitness auf den Schutz gegen oxidativen Stress hinweist. Diese Ergebnisse demonstrierten, dass beide Glutamin-Aufnahmesysteme für die vollständige Virulenz der Pneumokokken essentiell sind, aber verschiedene Auswirkungen auf die Pathogenese der Bakterien unter in vivo Bedingungen haben. Das Zelloberflächenprotein PavA der Pneumokokken ist ein Virulenzfaktor, der für invasive Erkrankungen wichtig ist. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass PavA essentiell für die in vivo Besiedlung von Streptococcus pneumoniae D39 in den oberen Atemwegen von Mäusen ist. In dem murinen Pneumoniemodell wurden pavA-Mutanten nicht aus den infizierten Mauslungen eliminiert, sondern persistierten und lösten somit eine chronische Infektion aus, während Wildtyp-Pneumokokken systemische Erkrankungen verursachten. PavA-defiziente Pneumokokken konnten unter experimentellen Bedingungen nicht aus der Lunge in die Blutbahn streuen. Diese Ergebnisse ließen den Schluss zu, dass PavA an der erfolgreichen Kolonisation der Schleimhautoberflächen und an der Translokation der Pneumokokken durch Wirtsbarrieren beteiligt ist.