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Dendritische Zellen (DCs) und die von ihnen geprimten T-Zellen besitzen eine zentrale Funktion in der anti-chlamydialen Immunantwort. In Vorarbeiten unserer Arbeitsgruppe gelang unter Verwendung von immortalisierten murinen DCs (JAWSII-Zellen) und dem Chlamydienstamm C. psittaci (DC15) die erstmalige Identifizierung eines zellautonomen Abwehrweges in infizierten DCs. Diese zelluläre Selbstverteidigung ist dadurch charakterisiert, dass Chlamydien aus strukturell desintegrierten Inklusionen dem Autophagieweg zugeführt werden und es zur Generierung von Antigenen kommt, die mithilfe von MHCI-Molekülen auf der Zelloberfläche von DCs entsprechenden CD8+ T-Zellen präsentiert werden.
Die exakten zellulären Prozesse und biochemischen Abläufe der Desintegration und Autophagie chlamydialer Inklusionen in DCs wurden bisher noch nicht eingehend untersucht. Ziel dieser Arbeit war es daher, unter Einsatz des zuvor etablierten murinen Infektionssystems sowie C. psittaci (DC15), den xenophagosomalen Mechanismus der Chlamydienbekämpfung infizierter DCs aufzuklären und weitere, hieran gekoppelte Folgeprozesse und funktionale Interaktionen mit anderen Immunzellen zu charakterisieren.
Die hier in Kombination mit zellbiologischen und biochemischen Assays durchgeführten siRNA-Studien belegen eine funktionale Schlüsselrolle der Phospholipase cPLA2 in der anti-chlamydialen Abwehr infizierter DCs. Des Weiteren sprechen die Resultate dafür, dass es durch die Wirkung der von ihr synthetisierten Arachidonsäure zu einer defekten OXPHOS und verminderten ATP-Produktion der Mitochondrien kommt und dies destruktive Auswirkungen auf die energieparasitären Chlamydien hat. Der Verlust der mitochondrialen Funktion sowie der damit verbundene Vitalitätsverlust der Chlamydien scheinen unmittelbar durch den TNF-α/cPLA2-Signalweg kontrolliert zu werden. Des Weiteren lassen die Ergebnisse der Arbeit folgern, dass die Chlamydieninfektion mit einer metabolischen Umprogrammierung von der OXPHOS zur aeroben Glykolyse in DCs einhergeht. Durch die erhöhte Glykolyserate scheinen die infizierten DCs, den durch die geschädigten Mitochondrien entstehenden Energieverlust, kompensieren zu können.
Die Assoziation der Inklusionen mit stabilen, acetylierten Mikrotubuli spielt eine entscheidende Rolle sowohl für die erfolgreiche Etablierung der Chlamydien als auch deren vesikuläre Versorgung. Die hier durchgeführten Untersuchungen zeigen in infizierten DCs eine HDAC6-vermittelte Deacetylierung von Mikrotubuli. Dies führt zu einem Verlust des peri-nukleären Transports bakterieller Vakuolen zum Golgi-Apparat und einer weiteren strukturellen Desintegration der chlamydialen Kompartimente. Der Vorgang ermöglicht es infizierten DCs, die durch cPLA2/Arachidonsäure beeinträchtigen Inklusionen von der vesikulären Versorgung abzukoppeln und durch weitere intrazelluläre Mechanismen zu eliminieren. Die durchgeführten Untersuchungen zum intrazellulären Abbaumechanismus weisen auf eine Aggresomen-vermittelte Xenophagie der bakteriellen Strukturen hin. Massenspektrometrische Analysen der Aggresomen aus DCs sowie die gefundene Beteiligung der mitophagosomalen Schlüsselkomponenten HDAC6, Parkin, Pink-1 sowie p62 und Ubiquitin belegen einen simultanen auto-/xenophagosomalen Abbau defekter Mitochondrien und desintegrierter Chlamydien. Eine vergleichbare intrazelluläre anti-chlamydiale Abwehr konnte ebenfalls in primären Maus- aber auch humanen DCs bestätigt werden.
Während des Infektionsverlaufs in DCs kommt es parallel zur Auto-/Xenophagie zu einer vermehrten Bildung von Multivesikularkörperchen (MVBs) und einer daran gekoppelten Formation exosomaler Membranvesikel (iDexosomen), die massiv zur Induktion der IFN-γ-Sekretion benachbarter NK-Zellen und so zur Aktivierung einer NK-Zellantwort während der Chlamydieninfektion beitragen. Weitere Untersuchungen zeigen, dass das TNF-α infizierter DCs in Kombination mit dem durch iDexosomen induzierten IFN-γ von NK-Zellen zu einer erhöhten Apoptoseinduktion nicht-infizierter aber auch Chlamydien-infizierter Epithelzellen führt. Dies deutet darauf hin, dass die chlamydiale Subversion der Apoptose infizierter Zellen zu einem gewissen Teil durch eine kombinatorische Wirkung von Exosomen, IFN-γ und TNF-α „ausgehebelt“ werden kann.
Abschließend wurde in dieser Arbeit untersucht, ob und in welchem Maße die mit DCs kooperierenden NK-Zellen zelluläre Mechanismen besitzen, die eine zelluläre Chlamydieninfektion direkt bekämpfen. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass es bei infizierten NK-Zellen zu keinem Zeitpunkt zu einer erfolgreichen chlamydialen Etablierung und zu keiner zyklusvermittelten EB-RB-Differenzierung kommt. Interessanterweise zeigen die infizierten NK-Zellen eine funktionale Reifung, die durch eine erhöhte IFN-γ-Sekretion, CD146-Induktion, PKC-θ-Aktivierung und Granula-Ausschüttung charakterisiert ist und mit einer Freisetzung von nicht-infektiösen EBs einhergeht. Diese Ausschleusung von Chlamydien konnte hier sowohl für immortalisierte als auch primäre NK-Zellen der Maus gezeigt werden und lässt sich durch die pharmakologische Blockierung zellulärer Exozytoseprozesse inhibieren. Chlamydiale Strukturen innerhalb der NK-Zellen weisen in der Immunfluoreszenz und Elektronenmikroskopie eine ausgeprägte Co-Lokalisierung mit sekretorischen Granula auf. Es scheint, dass das Granula-lokalisierte und ausgeschüttete Granzym B verantwortlich für den beobachteten Infektionsverlust, der durch NK-Zellen freigesetzten EBs, ist. Die chlamydiale Infektion und Ausschleusung von EBs hat keinen detektierbaren negativen Einfluss auf die Funktion der NK-Zellen. Sie können nach einer Erstinfektion den chlamydialen Infektions- und Ausschüttungsvorgang in einer weiteren Reaktion reproduzieren und besitzen eine zytotoxische Aktivität, die denen nicht-infizierter NK-Zellen entspricht oder sogar leicht erhöht ist. Die von NK-Zellen freigesetzten nicht-infektiösen Chlamydien zeigen eine nachweisbare Immunogenität, die laut IgG-Subklassen-Charakterisierung immunisierter Mäuse zu einer IgG2c-/IgG2b-dominierten Th1-Antwort führt. Die während der Immunisierung generierten anti-chlamydialen Antikörper besitzen zudem die Fähigkeit zur Infektionsneutralisierung bei der Verwendung epithelialer Wirtszellen als Modelsystem.
Im Résumé geben die Ergebnisse dieser Forschungsarbeit neue und vertiefende Einblicke in die zellulären und molekularen Abwehrmechanismen Chlamydien-infizierter DCs und NK-Zellen sowie in deren funktionale wechselseitige Kooperation während der anti-chlamydialen Immunreaktion durch iDexosomen, TNF-α und IFN-γ.
Hochpathogene aviäre Influenza-Viren (HPAIV) entstehen aus niedrig pathogenen aviären Influenza-Viren (LPAIV) durch die Erlangung einer polybasischen Spaltstelle im Hämagglutinin (HA). Diese gilt als Hauptvirulenzdeterminante. Durch die polybasische Spaltstelle kann das HA-Vorläuferprotein ubiquitär durch Subtilisin- ähnliche Proteasen gespalten werden, was zu einer systemischen Infektion führt. Bis jetzt sind in der Natur nur HPAIV der Serotypen H5 und H7 bekannt. Es ist noch unklar, ob die Umgebung der HA-Spaltstelle in der Evolution zum HPAIV angepasst werden muss, oder ob HA vom Serotyp H5 die polybasische HA-Spaltstelle besonders schnell erwerben können und ob die artifizielle Einführung einer polybasischen HA-Spaltstelle in verschiedene LPAIV HA-Serotypen zu einem hochpathogenen Phänotyp führt. Diese drei Fragestellungen wurden in separaten Projekten in der vorliegenden Arbeit untersucht. Vergleiche der HA-Spaltstellenumgebungen zeigten, dass die meisten HPAIV H5- Isolate entweder Serin oder Threonin an Position 323 (H3-Nummerierung) des HA tragen. LPAIV H5-Isolate besitzen dagegen an der korrespondierenden Stelle Valin. Darüber hinaus weisen die meisten LPAIV H5 an Position P2 der HA-Spaltstelle ein Threonin auf. Daher wurde der Einfluss dieser beiden Positionen auf die Virulenz untersucht. Hierzu wurden monobasische und polybasische HA-Spaltstellenmutanten des HPAIV A/Swan/Germany/R65/02 H5N1 (H5/R65) mit Hilfe der reversen Genetik hergestellt. In den in vitro Untersuchungen zeigten alle monobasischen HA-Spaltstellenmutanten den erwarteten Phänotyp eines LPAIV. Beim Wachstumsverhalten führte allerdings Serin zu einer effizienteren frühen Replikation. Außerdem scheint das HA-Spaltmotiv E-R!G, welches bisher in keinem LPAIV H5 gefunden wurde, einen Nachteil gegenüber dem HA-Spaltstellenmotiv E-T-R!G zu haben, welches bei LPAIV H5- Isolaten fast ausschließlich zu finden ist. Dieser Nachteil kann allerdings durch den Austausch von Valin 323 zu Serin aufgehoben werden. Im Gegensatz dazu führte der Austausch von Serin 323 zu Valin im HPAIV H5/R65 zu keinen Unterschieden in vitro. In vivo zeigten mit H5/R65-V infizierte Hühner aber ein verlängertes Überleben. Daher ist anzunehmen, dass Serin an Position 323 zur Virulenz im Huhn beiträgt. Die Evolution vom LPAIV Vorläufer zum HPAIV scheint nicht nur den Erwerb der polybasischen HA-Spaltstelle zu benötigen sondern auch die Veränderung von Regionen außerhalb der Spaltstelle. Um zu untersuchen, ob auch andere LPAIV außer H5 und H7 in der Lage sind, polybasische HA-Spaltstellen zu erwerben, wurden Selektionsversuche durchgeführt. Die HA verschiedener Serotypen (H3, H4, H5, H6, H7, H8, H9) wurden, um möglichst naturnahe Bedingungen zu schaffen, degeneriert mutagenisiert und dann ohne Zugabe einer externen Protease auf Trypsin-unabhängiges Wachstum hin selektiert. Es wurden nur von der monobasischen HA-Spaltstellenmutante des H5/R65 mit degeneriert mutagenisiertem HA, polybasische HA-Mutanten selektiert. Diese Viren zeigten eine ungewöhnliche AS-Komposition an der Spaltstelle, die weder der Wildtyp-Spaltstelle von H5/R65 noch einer natürlich bei HPAIV H5 vorkommenden Spaltstelle ähnelt. Zwei der isolierten Selektanten zeigten in weiteren in vitro Charakterisierungen den Phänotyp eines HPAIV. Da die Selektanten die restlichen sieben Gene und, außer der Spaltstelle, auch das HA mit H5/R65 gemeinsam haben, ist davon auszugehen, dass sie auch in vivo den Phänotyp eines HPAIV zeigen würden. Außerdem scheint es bei H5-Stämmen eine Prädisposition zum leichteren Erwerb einer polybasischen HA-Spaltstelle zu geben, wohingegen andere LPAIV-HA unter naturnahen Bedingungen polybasische HA-Spaltstellen deutlich schwerer erwerben können. Bei A/Chicken/Emirates/R66/02 H9N2 (H9/R66) führte die artifizielle Einführung der polybasischen HA-Spaltstellen eines HPAIV H5 oder H7 allein zwar zu Trypsin- unabhängigem Wachstum in vitro, bei Infektion von Hühnern blieb der Phänotyp aber unverändert niedrigpathogen. Die HA-Reassortante H9/R66+HAH5/R65 führte zur vorübergehenden nicht-letalen Erkrankung mit influenzatypischen Symptomen. Dagegen wies die Reassortante H5/R65+HAH9/R66mutR65 mit einem intravenösen Pathogenitäs-Index von 1,23 den Phänotyp eines HPAIV auf. Dies zeigt, dass ein HPAIV vom Serotyp H9 möglich ist, wenn das HA eine polybasische Spaltstelle erwirbt und einige oder alle anderen Gene von einem HPAIV H5 abstammen.
Vergleichende Untersuchungen zu rekombinanten Toxoplasma-gondii-Isolaten natürlichen Ursprungs
(2020)
Toxoplasma gondii ist ein weltweit vorkommender einzelliger Parasit mit hohem zoonotischen Potential. In Nordamerika und Europa haben sich drei klonale Toxoplasma-Linien durchgesetzt, Typ I, Typ II und Typ III. Sie unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Virulenz in Labormäusen: Toxoplasma gondii vom Typ I gilt im Allgemeinen als hochvirulent, wohingegen Typ II und III wenig virulent in Labormäusen sind. In Deutschland dominieren T. gondii vom Typ II. Trotz selten vorkommender natürlicher sexueller Rekombinationen von T. gondii in Deutschland konnten in einer vorausgegangenen Studie rekombinante T. gondii-Typ II-III-Oozysten aus dem Kot einer natürlich infizierten Katze in Deutschland isoliert werden. Mittels klonaler Vereinzelung wurden in einer weiteren vorausgegangenen Studie aus diesen Oozysten die fünf Tachyzoiten-Klone B6-H6, 2-C10, 2-H8, C12 und A7 generiert, die sich in der Verteilung ihrer Typ II- und III-Allele voneinander unterschieden. Ziel dieser Arbeit war es, die fünf Klone vergleichend zu untersuchen hinsichtlich ihrer Geno- und Phänotypen. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf die bekannten polymorphen Virulenzfaktoren ROP18, ROP5, ROP16 und GRA15 gelegt, die maßgeblich für Unterschiede in der Labormausvirulenz zwischen den klonalen Linien sorgen können. ROP18 und ROP5 sind an der Inhibition der IRG-vermittelten Zerstörung der parasitophoren Vakuole, dem Hauptabwehrmechanismus in Mäusen, beteiligt. Während alle fünf Klone das virulente Allel von ROP5 besaßen, hatten nur zwei der fünf Klone, B6-H6 und 2-C10, das virulente Allel von ROP18, dessen virulenter Genotyp in einer hohen Expression resultiert. Diese beiden Klone lösten auch eine 100 %-ige Mortalität in den infizierten BALB/c-Mäusen aus. Hier stimmte der virulente ROP18-Genotyp mit der hohen Mausvirulenz überein. Die anderen drei Klone, 2-H8, C12 und A7, besaßen das nicht virulente Allel von ROP18. Von letzteren drei Klonen lösten jedoch lediglich nur C12 und A7 eine geringere, 30 %-ige Mortalität in infizierten BALB/c-Mäusen aus. Hier würde der nicht-virulente ROP18-Genotyp die niedrigere Virulenz erklären. Der Klon 2-H8, der ebenso ein nicht-virulentes ROP18-Allel besaß, löste dagegen eine 100 %-ige Mortalität aus. Demnach ließe sich die Virulenz der infizierten BALB/c-Mäuse in dieser Studie nur in vier von fünf Klonen mit dem ROP18-Genotypen erklären. Neben ROP5 und ROP18 wurden auch die Virulenzfaktoren ROP16 und GRA15 untersucht. Diese regulieren das Zytokinprofil in infizierten Makrophagen und können dadurch Einfluss auf den klinischen Verlauf der Infektion nehmen. Von ROP16 und GRA15 besaßen jeweils alle fünf Klone das virulente Allel. Daher kann auch der Genotyp dieser Virulenzfaktoren hier nicht alleine die Unterschiede in der BALB/c-Mausvirulenz erklären. Auch das Expressionsprofil der Virulenzfaktoren in in-vitro inokulierten J-774A.1-Makrophagen mit geringen, wahrscheinlich nicht biologisch relevanten Abweichungen, ließ keine eindeutigen Rückschlüsse für die Ursache der unterschiedlichen Mausvirulenzen zu. Die in-vitro-Inokulation von J-774A.1-Makrophagen mit den Klonen ergab weiterhin, dass der mittelvirulente Klon C12 in der Lage war, die Makrophagen deutlich früher zu infizieren und eine höhere IL-12-Expression hervorzurufen. In überlebenden BALB/c-Mäusen verursachte er einen geringeren Gewichtsverlust gegenüber den anderen Klonen. Es kann für diese Studie festgehalten werden, dass sich die Virulenz der Klone in Labormäusen nicht allein durch das Vorhandensein virulenz-vermittelnder ROP18- oder anderer Virulenzgene erklären ließ. Durch die sexuelle Rekombination zwischen T. gondii des Typs II und III waren offenbar Allelkombinationen entstanden, welche auf ein komplexes multifaktorielles Netzwerk schließen lässt, das ursächlich für die Unterschiede in der Mausvirulenz und der Makrophagenfunktionalität zu sein schien.
Die bakterielle Schleimkrankheit hervorgerufen durch Ralstonia solanacaerum, sowie die bakterielle Pelargonienwelke, verursacht durch Xanthomonas hortorum pv. pelargonii, sind zwei bedeutende Bakteriosen an Pelargonien. Für beide Krankheiten gibt es keine zugelassenen Bekämpfungsmethoden, so dass diese nur durch Einhalten phytosanitärer Maßnahmen kontrolliert werden können. Vor allem in Jungpflanzenbetrieben verursacht das Auftreten dieser beiden Schaderreger erhebliche finanzielle Einbußen. Ziel dieser Arbeit war es, ein breites Pelargonium-Sortiment hinsichtlich der Resistenz gegen X. hortorum pv. pelargonii und R. solanacearum zu testen. Folgende Ergebnisse wurden erzielt: Es konnten effektive Inokulationsmethoden entwickelt werden, die es ermöglichten reproduzierbare und zuverlässige Ergebnisse zu erzielen. Von insgesamt 114 getesteten Pelargonien–Genotypen konnten drei Genotypen mit einer Resistenz gegen beide Schaderreger selektiert werden. Das heißt, dass die Pflanzen nach der Inokulation mit dem jeweiligen Erreger keine Symptome zeigten und auch eine Bakterienvermehrung und –ausbreitung in der Pflanze nicht nachgewiesen werden konnte. Erstmals wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Resistenz in Pelargonien gegenüber Ralstonia solanacearum nachgewiesen. Die gefundenen Resistenzen sollten anschließend in die anfällige Kultursorte Pelargonium x hortorum eingekreuzt werden. Eine Kreuzung zwischen den resistenten Genotypen und P. x hortorum konnte – jedoch nach mehreren Versuchen- aufgrund des phylogenetischen Abstands zwischen den einzelnen Genotypen nicht erfolgreich durchgeführt werden. Als Alternative zur natürlichen Kreuzung wurde die Protoplastenfusion verwendet. Hierfür wurden zunächst In-vitro-Kulturen von den resistenten und den anfälligen Ausgangspflanzen angelegt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden sowohl chemische Fusionen mit Hilfe von PEG als auch Elektrofusionen mit Pelargonium-Protoplasten durchgeführt. Durch eine Weiterentwicklung des Regenerationssystems für Pelargonium konnten erfolgreich Pflanzen aus der Protoplastenfusion regeneriert werden. Insgesamt wurden 320 Regeneratpflanzen aus der In-vitro-Kultur ins Gewächshaus überführt. Davon zeigten 43 Pflanzen phänotypische Auffälligkeiten, 277 Pflanzen konnten vom Phänotyp der Wildform (609) zugeordnet werden. Im Rahmen des Regenerationsprozesses wurden diverse Zusatzstoffe hinsichtlich ihrer fördernden Eigenschaften getestet. Unter anderem wurde die Wirkung von Chitosan unterschiedlicher Herkunft sowie zwei Konzentrationen von Nitroprussid auf die Regeneration geprüft. Die Regeneratpflanzen wurden ins Gewächshaus überführt und phänotypisch, molekular mit Mikrosatelliten, flowzytometrisch mit GISH sowie anhand des Inhaltsstoffmusters charakterisiert. 13 Pflanzen zeigten phänotypische Auffälligkeiten in der Blattform und –struktur, die auf eine Polyploidisierung des Materials hinweisen. Sechs der auffälligen Regenratpflanzen wurden verklont und in einem Resistenztest hinsichtlich ihrer Eigenschaften gegenüber Ralstonia solanacearum und Xanthomonas hortorum pv. pelargonii getestet. Ein Teil der Pflanzen waren resistent gegen beide Erreger die restlichen Pflanzen wurden als tolerant gegen beide Erreger eingestuft. Im Rahmen der molekularen Untersuchungen wurden bisher Homofusionate des resistenten Genotyps ermittelt. Die untersuchten Pelargonium-Regenerate mit höherer Ploidie wiesen des Weiteren Veränderungen im Inhaltsstoffmuster in Bezug zu den Ausgangspflanzen auf.
Herpesviren weisen einen komplexen Replikationszyklus auf, innerhalb dessen die einzelnen Schritte der Morphogenese der Nachkommenviren in unterschiedlichen zellulären Kompartimenten ablaufen. Während die Kapsidmorphogenese und Genomverpackung im Zellkern der infizierten Zelle stattfinden, erfolgt die weitere Reifung zu infektiösen Virionen im Cytoplasma. Voraussetzung hierfür ist ein als nuclear egress bezeichneter Prozess, durch den die Kapside mittels eines envelopment-deenvelopment-Mechanismus an der Kernhülle Zugang zum Cytoplasma erhalten. Zielstellung der vorliegenden Arbeit war, mittels konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie eine geeignete live-cell imaging-Methodik zu entwickeln, mit der der Transport der Kapside durch die Kernhülle dargestellt werden konnte, um die Dynamik dieses Prozesses aufzuklären.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden BVDV-Mutanten mit Deletionen, Insertionen oder Substitutionen in der E(rns)-kodierenden Genomregion ausgehend von den infektiösen cDNA-Klonen pA/BVDV und pA/BVDV/Ins- (Meyers et al., 1996) generiert. Die meisten Veränderungen verhinderten die Entstehung infektiöser Virionen, so dass nichtessentielle Regionen im E(rns)-Protein nicht identifiziert werden konnten. Eine Ausnahme stellen die Aminosäuren 105-108 dar, deren Substitution im Zusammenhang mit adaptiven Mutationen toleriert wurde. Mit Hilfe von Zelllinien, die die BVDV-Strukturproteine konstitutiv exprimieren, konnte eine Mutante mit einer kompletten E(rns)-Deletion und einer internen EMCV-IRES im Genom effizient trans-komplementiert und sogenannte DISC-Viren erhalten werden. Außerdem wurden Plasmide für die Expression der BVDV-Strukturproteine (C, E(rns), E1, E2) hergestellt, mit deren Hilfe erstmals ein nicht-prozessiertes E(rns)-E1-Protein mit 60-65 kDa identifiziert werden konnte, das für mindestens 3 h relativ stabil in transfizierten Zellen vorlag. Durch Mutation der P3-Position eines SPP-Motivs gelang es, sowohl in pCITE-2a(+)-Expressionsplasmiden als auch in BVDV-Vollängen-Mutanten die Spaltung dieses E(rns)-E1-Proteins zu verhindern. Dadurch konnte gezeigt werden, dass die E(rns)-E1-Spaltung essentiell für die Bildung infektiöser Viren ist. Bicistronische Mutanten wurden genutzt, um zu zeigen, dass das E(rns)-E1-Protein selbst jedoch nicht notwendig, aber förderlich für Entstehung infektiöser Virionen ist. Weiterhin konnte mittels eines im Rahmen dieser Arbeit generierten polyklonalen Bungowannah Virus-E(rns)-spezifischen Kaninchenserums, das E(rns)-Protein des atypischen Pestivirus Bungowannah Virus in Western Blot-Analysen mit etwa 38 kDa detektiert werden. Da jedoch kein Bungowannah Virus-E(rns)-E1-Protein nachgewiesen werden konnte, spielt E(rns)-E1 möglicherweise keine oder eine untergeordnete Rolle im Bungowannah Virus-Replikationszyklus. BVDV-E(rns)-Deletionen im CP7-Hintergrund konnten erfolgreich mit Bungowannah Virus-E(rns) komplementiert werden, wenn Bungowannah Virus-E(rns) und BVDV-E1 unabhängig von einer E(rns)-E1-Spaltung exprimiert wurden. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit war es schließlich, eine effiziente Methode zur Konzentrierung und Reinigung infektiöser BVDV aus infizierten Zellen zu etablieren. Zum ersten Mal wurden BVDV-Mutanten mit FLAG-markierten E(rns)- und E2-Proteinen generiert, so dass erstmalig BVDV mittels Affinitätschromatografie gereinigt und elektronenmikroskopisch untersucht werden konnten. Mittels Negativkontrast-Elektronenmikroskopie wurden sphärische Partikel mit Durchmessern von 43-58 nm dargestellt. Sowohl durch affinitätschromatografische Virusreinigung als auch durch immunelektronenmikroskopische Untersuchungen konnte eine Assoziation von E(rns)- und E2-Proteinen mit der BVD-Virushülle demonstriert werden. Die in dieser Arbeit vorgestellte Methode kann als Basis für weiterführende Untersuchungen zur Morphogenese von Pestiviren genutzt werden.
Der effiziente intrazelluläre Transport viraler Nukleokapside ist eine grundlegende Voraussetzung für eine erfolgreiche Virusinfektion. Aufgrund seiner engen Verwandtschaft zum humanpathogenen Herpes Simplex Virus 1 (HSV-1) und seiner Eigenschaft zur einfachen gentechnischen Veränderung stellt das Pseudorabies Virus (PrV) ein geeignetes Modell zur Untersuchung molekularer Mechanismen der Replikation und des Neurotropismus von Herpesviren dar. Der intrazelluläre Transport herpesviraler Kapside erfolgt aktiv entlang von Mikrotubuli durch zelluläre Motorproteinkomplexe. Die hieran beteiligten viralen Proteine konnten bisher jedoch nicht eindeutig identifiziert werden. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung der Funktionen viraler Proteine im intrazellulären Transport von PrV. In erster Linie wurde die Rolle von PrV pUL35 und pUL37 untersucht, die auf intrazytoplasmatischen Kapsiden an der Oberfläche liegen und der Interaktion mit zellulären Proteinen zugänglich sind. Neben der Charakterisierung der Virusreplikation nach Deletion der einzelnen Gene in vitro und in vivo wurde auch der intrazelluläre Transport von GFP-markierten Mutanten zum Zellkern untersucht. In einem weiteren Teil der Arbeit wurden Kapsid- und eng mit dem Kapsid assoziierte Proteine in yeast two-hybrid Studien analysiert, um virale und zelluläre Interaktionspartner zu identifizieren. Die Ergebnisse dieser Arbeit lassen sich wie folgt zusammenfassen: (1) PrV pUL35 und pUL37 sind für die Virusreplikation in vitro nicht essentiell. Die Replikation von UL35- bzw. UL37-Mutanten war jedoch vermindert. In Abwesenheit von funktionellem pUL35 und pUL37 gleichzeitig trugen die beiden Mutationen unabhängig voneinander zu einem verstärkten Phänotyp bei. Beide Proteine scheinen demnach in unterschiedliche Prozesse der Virusreplikation involviert zu sein. (2) Die N-terminale EGFP-Fusion von pUL35 zum Zweck der Fluoreszenzmarkierung viraler Kapside resultierte im Funktionsverlust des Proteins. Die Inkorporation in Kapside wurde aber nicht beeinträchtigt. Für die Interaktion von PrV pUL35 mit dem Kapsid könnte der konservierte C-Terminus des Proteins relevant sein. (3) Auch in Abwesenheit eines funktionellen pUL35 werden PrV Kapside effizient transportiert. PrV pUL35 kommt somit keine entscheidende Rolle beim intrazellulären Transport viraler Nukleokapside zu. Die verzögerte Neuroinvasion von UL35-Mutanten in vivo lässt jedoch eine möglicherweise akzessorische Funktion von pUL35 vermuten. (4) PrV pUL37 ist für den intrazellulären Transport viraler Nukleokapside nicht essentiell, erhöht jedoch deutlich dessen Effizienz. Der positive Einfluss auf den retro- und anterograden Transport viraler Kapside lässt darauf schließen, dass pUL37 in Transportprozesse während des Viruseintritts und der Freisetung involviert ist. (5) Der N-Terminus von PrV pUL36 interagierte im yeast two-hybrid System mit den Untereinheiten Rp3, LC8 und Tctex1 des Dynein-Motorproteinkomplexes. PrV pUL36 könnte daher für den MT-abhängigen Transport viraler Nukleokapside relevant sein.
Clostridium (C.) difficile ist beim Menschen ein bedeutender Erreger von Krankenhaus-assoziierten Durchfallerkrankungen. Die vorliegende Dissertation umfasst die Erhebung und Analyse der ersten epidemiologischen Daten zu C. difficile in deutschen Heim- und Nutztierbeständen und die Entwicklung eines neuartigen DNA-Microarrays, der eine einfache Ribotypisierung von C. difficile ermöglicht. In drei Studien wurden Kotproben von Hunden, Katzen, Ferkeln und Kälbern kulturell auf C. difficile untersucht. Das Bakterium wurde aus 5 von 135 Katzenkot- (3,7%), 9 von 165 Hundekot- (5,4%), 176 von 999 Kälberkot- (17,6%) und 147 von 201 Schweinekotproben (73,1%) isoliert. Neugeborene Ferkel und Kälber waren in den ersten 2 bzw. 3 Lebenswochen signifikant häufiger kulturpositiv für C. difficile als ältere Tiere. Die in den Studien isolierten Stämme wurden 25 Ribotypen zugeordnet; darunter befanden sich 6 bisher nicht beschriebene Varianten. Bei den Ferkelproben dominierten die einander sehr ähnlichen Ribotypen 078 (55% der Isolate) und 126 (20%). Die Ribotypen 033 (57% der Isolate) und 078 (17%) wurden bei Kälbern am häufigsten vorgefunden. Basierend auf ihren Typisierungsprofilen wurden die Ribotypen in einer UPGMA-Analyse (Unweighted Pair Group Method with Arithmetic mean) untereinander verglichen. Von den 25 bei den untersuchten Tieren gefundenen Ribotypen formten 11 einen Cluster, zu dem auch die Ribotypen 033, 078 und 126 gehörten und in dem sich 90% aller in den beiden Nutztierstudien isolierten Stämme wiederfanden. Alle Isolate dieses Clusters waren zudem PCR-positiv für ein binäres Toxin und, im Gegensatz zu allen nicht zu dem Cluster gehörenden Ribotypen, PCR-negativ für den MLVA-Lokus A6Cd. Hierdurch, aber auch durch frühere Studien, in denen gezeigt werden konnte, dass die dem Cluster zugeordneten Ribotypen 033, 045, 078 und 126 den gleichen MLST-Typ (ST-11, Multilocus Sequence Typing) und eine charakteristische Deletion (delta 39 bp) im Toxinregulatorgen tcdC aufweisen, wird die These einer genetische Verwandtschaft unterstützt. In allen untersuchten Tierpopulationen wurden Ribotypen gefunden, die mit C.-difficile-Infektionen des Menschen assoziiert werden. Da Stämme des Ribotyps 078 in deutschen und europäischen Krankenhäusern zunehmend häufiger als Ursache von Durchfallerkrankungen auftreten, wurden alle ermittelten MLVA-Daten von Ribotyp-078-Stämmen humanen und tierischen Ursprungs mit entsprechenden Daten anderer Studien aus 5 europäischen Ländern verglichen. In einer hierbei durchgeführten Minimum-Spanning-Tree-Analyse mit 294 Datensätzen wurde die genetische Abgrenzung von MLVA-Typen unterschiedlicher geographischer Herkunft verdeutlicht und belegt, dass einige aus Tieren und Menschen isolierte C.-difficile-Stämme sehr ähnlichen oder sogar identischen MLVA-Typen entsprechen. Die in den Haus- und Nutztierstudien isolierten C. difficile wurden anschließend mit dem neu entwickelten DNA-Microarray ribotypisiert. Das Sondendesign des Microarrays basiert auf der bei C. difficile modular aufgebauten Intergenic Spacer Region (ISR), welche auch Zielstruktur der herkömmlichen Ribotypisierungsmethoden ist. Die Sonden wurden von in der GenBank-Datenbank publizierten ISR-Modulsequenzen und theoretisch möglichen Modulsequenzkombinationen abgeleitet. Nachdem die Eignung des Arrays in theoretisch und praktisch durchgeführten Experimenten belegt werden konnte, wurde mit 142 repräsentativ ausgewählten C.-difficile-Stämmen eine 48 Ribotypen umfassende Datenbank aus Referenzhybridisierungsmustern erstellt. Diese Referenzmuster wurden anschließend in einer Ähnlichkeitsmatrix-Analyse untereinander verglichen, wobei 27 Referenzmuster eindeutig differenziert werden konnten. Zu den gut unterscheidbaren Ribotypen gehörten u.a. die häufig mit humanen C.-difficile-Infektionen assoziierten Ribotypen 001, 014/020, 027 und 078/126. Nicht unterscheidbar hingegen waren die 11 Ribotypen des oben beschriebenen Clusters, wodurch sich die These ihrer molekularen Verwandtschaft weiter erhärtet. Die Praxistauglichkeit des DNA-Microarrays wurde abschließend in einer Anwendungsstudie überprüft. Hierbei wurden 50 C.-difficile-Stämme, die im Rahmen eines anderen Projektes aus Kotproben von Haustieren und deren Besitzern isoliert wurden, mit herkömmlicher und DNA-Microarray-basierter Ribotypisierung vergleichend untersucht. Berücksichtig man, dass durch den Microarray einige sehr ähnliche Ribotypen derzeit noch nicht unterschieden werden können, wurden alle Isolate dem richtigen Ribotypen bzw. der richtigen Ribotypengruppe zugeordnet. Darüber hinaus wurden 6 für das Microarray unbekannte Ribotypen korrekt als „neu“ und klar voneinander unterscheidbar erkannt. Zusammenfassend trägt das Dissertationsprojekt zum Verständnis über das Vorkommen von C.-difficile-Genotypen in Heim- und Nutztierbeständen bei und präsentiert einen neuartigen DNA-Microarray zur einfachen Ribotypisierung von C. difficile.
Untersuchung von Virulenzdeterminanten des Newcastle Disease Virus mit Hilfe von Virusrekombinanten
(2020)
Die Newcastle Krankheit (Newcastle Disease, ND) wird durch das aviäre Paramyxovirus-1 (APMV-1) verursacht und zählt zu den bedeutendsten Viruserkrankungen des Geflügels, wobei die Ausprägung der Krankheitssymptome sehr stark variiert. Das APMV-1 der Taube (pigeontype paramyxovirus, PPMV-1) infiziert größtenteils Brief-, Rasse-, Stadt- und Wildtauben, jedoch ist auch Wirtschaftsgeflügel für diesen Erreger empfänglich. Die Krankheit ist weltweit verbreitet und besonders die schweren Verlaufsformen, ausgelöst durch den mesogenen und den velogenen Pathogenitätstyp, führen bis heute zu hohen wirtschaftlichen Verlusten. Durch die Entwicklung des reversen genetischen Systems für das NDV ist es möglich, verschiedene Bereiche des viralen Genoms unterschiedlich pathogener NDV-Isolate auszutauschen und rekombinante Viren zu generieren, um mögliche Virulenzdeterminanten zu identifizieren. Lange Zeit galt die Aminosäuresequenz an der proteolytischen Spaltstelle des Fusionsproteins als die Virulenzdeterminante des NDV. Studien der letzten Jahre belegen aber zunehmend, dass es weitere Sequenzabschnitte im Genom gibt, die Einfluss auf die Pathogenität haben. Besonders bei den Taubenisolaten zeigte sich, dass diese trotz einer polybasischen Aminosäuresequenz an der proteolytischen Spaltstelle des F-Proteins, die typisch für meso- und velogene APMV-1 ist, mit einem ermittelten intrazerebralen Pathogenitätsindex (ICPI) < 0,7 als lentogen (niedrig virulent) einzuordnen sind.
Die Bestimmung der Gesamtsequenz des vorliegenden PPMV-1 Isolates R75/98 und die Herstellung des entsprechenden rekombinanten Virus rR75/98 waren Ziel dieser Arbeit. Nach der in vitro-Charakterisierung, die keine signifikanten Unterschiede zwischen dem Wildtyp und der Rekombinante zeigte, verdeutlichte die ICPI-Bestimmung, dass sich R75/98 und rR75/98 in ihrer Pathogenität unterschieden. Während R75/98 mit einem ICPI von 1,1 als mesogen eingestuft wurde, entsprach das rekombinante Virus rR75/98 mit einem ICPI von 0,28 dem lentogenen Pathotyp. Durch einmalige Passage der Rekombinante im Tier entstand das Reisolat RrR75/98, welches sich in seinen in vitro-Eigenschaften nicht von den beiden anderen Isolaten unterschied, aber in seiner Pathogenität (ICPI 0,93) wieder dem mesogenen Ausgansvirus R75/98 entsprach. Unter Nutzung des Next Generation Sequencing war es möglich, die Grundlagen für diese Pathogenitätsunterschiede aufzuzeigen. Während es zwischen R75/98 und rR75/98 insgesamt acht Aminosäuresubstitutionen gab (drei im F-Protein, zwei im HN-Protein und drei im L-Protein), die zu einer Verminderung der Pathogenität führten, wurden nur zwei Aminosäuremodifikationen (jeweils eine im F- und L-Protein) nachgewiesen, um die Pathogenitätssteigerung vom lentogenen rR75/98 hin zum mesogenen RrR75/98 hervorzurufen. Beide Aminosäureaustausche haben einen Effekt auf die vorhergesagte Proteinstruktur und beeinflussen vermutlich die Proteinfaltung, was wiederum eine nicht unwesentliche Auswirkung auf die biologische Aktivität des Virus haben kann. Besonders die Modifikation im F-Protein an Aminosäureposition 472 verdeutlicht, dass neben der Aminosäuresequenz an der proteolytischen Spaltstelle andere Bereiche dieses Proteins Einfluss auf die NDV-Virulenz haben.
Zur Untersuchung des Einflusses einzelner Abschnitte des F-Proteins auf die Pathogenität wurden im ursprünglich lentogenen NDV Clone 30 einzelne Sequenzbereiche durch die des mesogenen PPMV-1 R75/98 substituiert, die entsprechenden rekombinanten Viren generiert und charakterisiert. Es zeigte sich, dass sowohl die Expression als auch die Inkorporation der chimären Fusionsproteine mittels Western-Blot nachgewiesen werden konnte. Die Rekombinanten unterschieden sich weder in Größe noch in Form (Elektronenmikroskopie) und die chimären Fusionsproteine konnten an der Plasmamembran der Wirtszellen detektiert werden. Alle Rekombinanten waren in der Lage, Synzytien auszubilden und in verschiedenen Zelllinien (Wachtelmuskelzelle, Hühnerembryofibroblasten) bzw. in embryonierten Hühnereiern zu replizieren. Bei der Bestimmung des ICPIs zeigten sich jedoch Unterschiede. Zwei der sechs Rekombinanten wurden als lentogen eingestuft, die anderen vier wurden dem mesogenen Pathogenitätstyp zugeordnet. Es konnte gezeigt werden, dass neben der Interaktion der homologen F1- und F2-Untereinheit, die zytoplasmatische Domäne des Fusionsproteins einen bedeutenden Einfluss auf die Pathogenität von NDV hat. Auch für andere Vertreter der Paramyxoviren ist bekannt, dass die zytoplasmatische Domäne der beiden Oberflächenproteine F und HN mit dem M-Protein interagiert und diese Interaktion wichtig für den Zusammenbau der Viruspartikel, den Knospungsvorgang und die Freisetzung der Viren ist.
Neben dem Fusionsprotein existieren zusätzlich Virulenzdeterminanten in den weiteren NDV-Proteinen. Während es bereits Untersuchungen zum Einfluss auf die Pathogenität für die Proteine NP, P, V, M, F, HN und L gibt, war es noch nicht möglich, eine Aussage zum W-Protein zu treffen, da der Nachweis dieses Proteins bis dato nicht erfolgte. Zunächst wurde für unterschiedlich pathogene NDV der Bereich der P-Gen-Editierungsstelle amplifiziert, gefolgt von einer Tiefensequenzierung, um zusätzlich zur P- und V-mRNA auch die W-mRNA nachzuweisen und deren mengenmäßigen Anteil zu bestimmen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden außerdem Plasmide hergestellt, die für weiterführende Arbeiten genutzt werden konnten, in denen erstmals der Nachweis des W-Proteins für NDV gelang.
Der Kernaustritt der Nukleokapside stellt einen essentiellen Schritt im Replikationszyklus der Herpesviren dar. Aufgrund seiner Größe kann das Kapsid den Kern nicht durch die Kernporen verlassen, sondern wird durch die Kernmembranen transportiert. Die viralen Proteine pUL34 und pUL31 bilden den NEC (nuclear egress complex), der virale und zelluläre Kinasen an die Kernmembran rekrutiert. Diese phosphorylieren die Lamine, wodurch sich die Lamina partiell auflöst und das Nukleokapsid Zugang zur Kernmembran erhält. Die Deletion einer oder beider Komponenten des NEC bewirkt zwar eine deutliche Reduktion der viralen Titer, jedoch wird eine geringe Menge infektiöser Nachkommenviren freigesetzt, die für eine Reversionsanalyse genutzt wurde. Dafür wurde zuerst das UL34-negative Virus und später auch das UL31-negative Virus, auf Kaninchennierenzellen (RK13) seriell passagiert, bis im Überstand Wildtyp-ähnliche Titer erreicht wurden. Aus diesen Überständen wurden Virusmutanten isoliert, die ohne den NEC effizient replizierten und als PrV-ΔUL34Pass bzw. PrV-ΔUL31Pass bezeichnet wurden. Elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigten, dass die passagierten Viren nicht mehr wie der PrV-Wildtyp durch die Kernmembran transportiert, sondern durch eine partiell aufgelöste Kernmembran ins Zytoplasma freigesetzt wurden. Das Ziel dieser Arbeit war zu untersuchen, wie die Freisetzung der Kapside aus dem Kern ohne den essentiellen NEC abläuft. Um zu ermitteln, welche viralen Proteine für die Auflösung der Kernmembran von Bedeutung sein könnten, wurde zunächst das komplette Genom von PrV-ΔUL34Pass sequenziert und mit dem des Wildtyps (PrV-Ka) und der nicht passagierten UL34-Deletionsmutante (PrV-ΔUL34) verglichen. Die mutierten Gene wurden anschließend in PrV-ΔUL31Pass sequenziert. Zu den sieben Genen, die in beiden passagierten Viren verändert sind, gehören u.a. UL21, UL26, UL46 und UL49. Jedoch konnte durch Deletion der einzelnen mutierten Gene nicht geklärt werden, welches Genprodukt für die Kernmembran-Fragmentierung in PrV-ΔUL34Pass- oder PrV-ΔUL31Pass infizierten Zellen bzw. für die Stabilisierung der Kernmembran während der Wildtyp-Infektion verantwortlich ist. Mit Hilfe von Inhibitorstudien wurde untersucht, welche zellulären Prozesse von den passagierten Viren manipuliert werden könnten, um die Kernmembran-Fragmentierung zu induzieren. Der Cdk (Cyclin dependent kinase) 1, Cdk2 und Cdk5-Inhibitor Roscovitin, der in höheren Dosen auch ERK1/2 (extracellular regulated kinase 1/2) hemmt, reduzierte die Titer der passagierten Viren deutlich, während der PrV-Wildtyp kaum beeinflusst wurde. Einen ähnlichen Effekt konnte auch mit einem Inhibitor für die ERK1/2 vorgeschaltete Kinase MEK1/2 (mitogen activated protein kinase/ERK kinase 1/2) erzielt werden. Spezifische Inhibitoren von ERK1/2, Cdk1, Cdk2 oder Cdk5 zeigten jedoch keinen spezifischen Einfluss auf die passagierten Virusmutanten oder den Wildtyp. Zur selben Zeit konnte eine andere Arbeitsgruppe zeigen, dass das Varizella Zoster Virus pUL46 Homolog ORF12 die Aktivierung von ERK1/2 induziert (Liu et al., J. Virol. 86, 2012). Basierend auf dieser Studie wurde untersucht, ob PrV pUL46 ebenfalls ERK1/2 aktivieren kann und ob diese Aktivierung für die Auflösung der Kernmembran von Bedeutung ist. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl PrV-Wildtyp als auch PrV-ΔUL34Pass pUL46 ERK1/2 und die entsprechenden Zielgene aktivierte. Die Deletion von UL46 aus dem Genom der passagierten Viren resultierte außerdem in einem deutlich höheren Anteil von Zellen mit einer fragmentierten Kernmembran, wobei dies nicht ausschließlich auf die Aktivierung von ERK1/2 durch pUL46 zurückgeführt werden kann, da sich die beiden passagierten Viren in ihrem ERK-Aktivierungspotential unterscheiden. Während PrV-ΔUL31Pass ERK1/2 vergleichbar zum Wildtyp induzierte, war die Aktivierung durch PrV-ΔUL34Pass deutlich geringer. Diese Abweichung lässt sich nicht auf die unterschiedlichen pUL46-Proteine der beiden passagierten Virusmutanten zurückführen, da der Austausch der jeweiligen UL46 Sequenzen gegen Wildtyp UL46 das ERK1/2-Aktivierungsmuster nicht veränderte. Somit scheint pUL46 einen Einfluss auf die Stabilität der Kernmembran und die Aktivierung von ERK zu haben. Beide passierte Viren bilden verstärkt Synzytien im Vergleich zum PrV-Wildtyp oder den nicht-passagierten Vorläufern aus. Um zu untersuchen, ob diese Deregulierung der Membranfusion auch die Kernmembranen betrifft und möglicherweise eine Ursache für die Fragmentierung sein könnte, wurden die Glykoproteine gB und gH aus den Genomen der passagierten Virusmutanten deletiert. Elektronenmikroskopische Aufnahmen sowie Untersuchungen von Replikationsverhalten und Plaquebildung ergaben, dass die Fragmentierung der Kernmembran auch in Abwesenheit von gB oder gH stattfindet. Dagegen sind beide Glykoproteine, wie auch im PrV-Wildtyp, für die Virusreplikation essentiell.
Kurzfassung: Im Rahmen dieser Arbeit sollten 10 verschiedene organische Schadstoffe und Lösungsmittel, darunter BTEX-Verbindungen (Benzol, Toluol, Ethylbenzol, Xylol), (chlorierte) Phenole und aliphatische Alkanole hinsichtlich ihrer Wirkung auf das Wachstum von Modellorganismen, die unter unterschiedlichen anoxischen Bedingungen wuchsen, geprüft werden. Dabei wurden mit Thauera aromatica, Geobacter sulfurreducens und Desulfococcus multivorans – Arten untersucht, die unterschiedlichen anaeroben Stoffwechselgruppierungen angehören. Trotz geringerer Wachstumsraten der untersuchten anaeroben Mikroorganismen, wurde die Toxizität der Chemikalien mittels eines Wachstumshemmtest abgeschätzt, der bereits für aerobe Bakterien etabliert wurde. Die Toxizitäten der Verbindung wurden dabei als 50% Effektive Konzentrationen (EC50) ausgedrückt, also der Chemikalienkonzentration, die benötigt wird um die Wachstumsrate der Mikroorganismen um 50% zu vermindern. Eine direkte Beziehung zwischen der Toxizität und der Hydrophobizität (log P-Wert) der organischen Verbindungen wurde für alle drei anaeroben Bakterien erfasst. Dabei zeigte sich, dass die drei anaeroben Stämme generell etwas empfindlicher auf die Substanzen reagierten als bisher getestete aerobe Mikroorganismen. Zudem wurden Reaktionen untersucht, die den Bakterien das Überleben in Anwesenheit organischer Lösungsmittel gestattet. Da Membranen die Berührungspunkte zwischen den Mikroorganismen und dem umgebenden Medium darstellen, sind die meisten Anpassungsreaktionen mit der Aufrechterhaltung der Membranfluidität und –stabilität verbunden. Die Änderung der Membranzusammensetzung insbesondere die der Phospholipidfettsäuren (PLFA) spielt dabei eine immense Rolle. T. aromatica und G. sulfurreducens, deren Fettsäuremuster von der Palmitinsäure (C16:0) und der Palmitoleinsäure (C16:1cis) dominiert wurden, reagierten während des Wachstums in Anwesenheit von organischen Lösungsmitteln, mit einem Anstieg des Sättigungsgrades der zellulären Fettsäuren. Das Fettsäurespektrum von D. multivorans wurde durch Palmitinsäure (C16:0) und anteiso-verzweigte Fettsäuren charakterisiert. Insbesondere auf die Anwesenheit von BTEX-Verbindungen reagierten die Zellen des Sulfatreduzierers mit einem Anstieg des Verhältnisses zwischen unverzweigten gesättigten Fettsäuren (C14:0, C16:0, C18:0) und den anteiso-verzweigten Fettsäuren (C15:0anteiso, C17:0anteiso, C17:1anteiso). Die beobachteten Modifikationen auf Ebene der zellulären Fettsäurezusammensetzung sind jedoch nur mittels de novo Synthese der Fettsäuren möglich – einem Prozess, der eng mit Zellwachstum verbunden ist. Die Wachstumsraten der untersuchten, anaeroben Bakterien sind jedoch deutlich geringer als die bisher getesteter aerober Bakterien, somit wird für die Ausprägung der Anpassungsreaktionen mehr Zeit benötigt, was die höhere Empfindlichkeit anaerober Bakterien gegenüber Lösungsmitteln erklären könnte.
Untersuchung der zytotoxischen Aktivität unterschiedlich virulenter NDV-Stämme auf Krebszelllinien
(2009)
In dieser Arbeit wurde der Zusammenhang zwischen NDV-Stamm und onkolytischer Wirkung auf Tumorzellen untersucht. Die Analyse der onkolytischen Eigenschaft ausgewählter NDV zeigte, dass die Wirkung auf die Tumorzellen von der Art des NDV abhängt. Desweiteren erfolgte die Herstellung und Charakterisierung von rekombinanten Viren mit substituierten Oberflächenproteinen.
Compared to other human pathogens, S. aureus outstands with a remarkably broad spectrum of deseases: from minor skin infections over endocarditis, pneumoniae, and osteomyelitis, to septic shock. The prerequisite is an arsenal of adaptation strategies, encoded in the core and variable genome. It includes the coordinated expression of adhesins and toxins, evasion of the immune system, response to stress and starvation, adaptation of the metabolism, formation of biofilms and capsules, antibiotic resistance, and persistence on the skin, in nasal epithelial cells, and even in the inner of macrophages after phagocytosis. All these adaptation strategies enable S. aureus to colonize a diversity of niches within the human host. The inevitable requirement is the ability to activate the appropriate adaptation strategy at the right time and at the right place. S. aureus overcomes this challenge with a sophisticated regulatory network. This PhD thesis covers a broad spectrum of transcriptional regulators, involved in S. aureus pathogenesis: (1) the quorum sensing system Agr (regulation of early- and late stage virulence factors), (2) the Sar family (regulation of early- and late stage virulence factors), (3) SaeRS (regulation of accessory exotoxins and adhesins), (4) CodY (response to amino acid starvation, including extracellular proteases), (5) Sigma B (general stress response, including virulence factors), (6) Rex (anaerobic energy metabolism), (7) CtsR and HrcA (protein quality control), (8) PerR and Fur (oxidative stress response), and (9) antibiotic resistance. Traditionally, Proteomics constitute the long-lasting reputation of the Institute. In fact, the majority of investigations presented in this PhD thesis was initialized by proteomic analyses as the ultimate starting point. From the first day, a major goal of this PhD thesis was to add regulator-promoter interaction studies to the methodical spectrum. In particular, to complement transcriptomic and proteomic results by answering the logical follow-up question: Which regulator is responsible for the observed changes in gene expression and protein synthesis after application of a specific stimulus?
The first chapter provides specific analyses for three major regulators: Rex, CodY, and SarA. Publications were achieved for Rex (Hecker et al., 2009; Pagels et al., 2010). Results were mainly achieved by establishing regulator-promoter interaction methods (in particular EMSA and “footprinting”). Additionally, this chapter describes method development of a novel easy-to-apply method, named REPA (restriction endonuclease protection assay).
The second chapter presents method development for the genome-wide identification of regulator-promoter interactions, named “global footprinting”. This approach combines two already well-established methods: (A) Purification of a recombinant Strep-tagged regulator via Strep-tag affinity chromatography. The modification in “global footprinting” is to incubate the regulator with fragmented genomic S. aureus DNA, resulting in co-purification and enrichment of DNA streches with specific regulator binding sites. (B) Identification and quantification of these DNA streches via “next generation sequencing” (NGS). Using this combined approach, this PhD thesis was able to localize the most affine promoter binding site for the regulator Rex precisely down to one single base pair across the whole S. aureus genome.
The third chapter describes the assembly of a data library, collecting the majority of DNA microarray data and regulator-promoter interaction studies from the worldwide literature. This data library summarizes more than 50,000 regulatory events and more than 2,000 regulator binding sites. As published in the perspectives in Fuchs et al. (2018), this data library can be incorporated into the free-accessible online data base “Aureowiki” (provided and maintained by the Department of Functional Genomics, University of Greifswald). The major effort is the consolidation of these “big data” via in silico cluster analysis, comparing 282 different experimental conditions at once. The major finding of this analysis is the identification of seven functional and regulatory gene clusters in S. aureus pathogenesis that are conserved across S. aureus strain diversity. These findings allowed the creation of a prediction tool, to provide novel experimental starting points for the worldwide S. aureus research community. This prediction tool was successfully applied on several topics, and partially published: functional and regulatory prediction for a set of 20 selected lipoproteins as potential virulence factors (Graf et al., 2018), and prediciton of protein complexes (Liang et al., 2016).
Alltogether, this PhD thesis provides new insights into the molecular mechanisms of three pathogenesis-relevant regulators: Rex, CodY, and SarA. It describes the development of three novel experimental methods for wet and dry lab applications that can be used on research topics beyond S. aureus: REPA, “global footprinting”, and cluster analysis. Finally, cluster analysis identifies seven conserved fuctional and regulatory gene clusters, involved in S. aureus pathogenesis. This cluster anaysis is used as a prediction tool to provide novel experimental starting points, and to predict the physiological mode of action of newly discovered anti-staphylococcal agents.
Foot-and-mouth disease virus (FMDV) is a positive-sense RNA virus of the family Picornaviridae that comprises of seven serotypes and is distinguished by a high contagiosity with the ability of rapid spread. Strategies for abatement and control are based on an early detection, quick initiation of retaliatory actions and mass vaccinations. Therefore, aim of the study was the development of a fast and easy method for genome sequencing as well as an investigation into the causes, why some cell lines that are mainly used for vaccine production, are resistant towards FMDV infection. Finally, adaptive sequence changes in different cell culture systems and associated effects on particle stability and immunogenicity were examined.
In case of an outbreak it is of major importance to detect and rapidly characterize the circulating virus isolate to choose an appropriate vaccine to minimize the viral spread. In addition, comprehensive genome analysis of the outbreak strain provides information about the origin of the virus and allows molecular epidemiology. A universal primer set, covering most parts of the open reading frame of the viral genome, was developed to perform quick sequence analyses, independently of the viral serotype (Paper I). Especially in endemic regions, vaccination of susceptible animal species is the main action to combat foot-and-mouth disease (FMD) in an acute outbreak situation as well as a preventive measure. Reasons, why some baby hamster kidney (BHK) cell lines are resistant towards an infection with FMDV, were examined in a second study that narrowed down the cause for this phenomenon to an impaired attachment of the virus to the cell surface. Furthermore, an alternative approach could be developed to successfully adapt the virus to the resistant vaccine-production cell line by using a FMDV-sensitive “wet-nurse” cell line (Paper II). Adaptive changes in the capsid-coding region of the viral genome caused through cultivation and passaging of the virus in different BHK cell systems were the topics of the third study. It was shown that capsid alterations are rather serotype-specific and dependent on the cell line used than influenced by the cell media. Viral titers and neutralization profiles of the adapted isolates were not affected compared to the original viruses (Paper III).
Overall, this work expanded our knowledge on the control and eradication of FMD and will support the global effort to combat the disease.
Methane (CH4) is a potent greenhouse gas with rising atmospheric concentrations.
Microorganisms are essential players in the global methane cycle. In fact, the largest part of methane emissions derives from microbial production by methanogenic Archaea (methanogens). Microorganisms do not only produce methane: methanotrophs can also oxidize the methane produced by methanogens. In addition, soil methanotrophs are the only biological methane sink, oxidizing up to 30-40 Tg of this potent greenhouse gas per year worldwide.
However, intensified management of grasslands and forests may reduce the methane sink capacity of soils.
In general, the interaction of methanogens and methanotrophs determines whether a soil is a source or a sink for methane. It is, therefore, crucial to understand the microbial part of the methane cycle and which factors influence the abundance and activity of methane-cycling microbes. However, capturing the soil microbiome's abundances, activity, and identity is
challenging. There are numerous target molecules and myriad methods, each with certain
limitations. Linking microbial markers to methane fluxes is therefore challenging. This thesis aimed to understand how methane-cycling microbes in the soil are related to soil methane fluxes and how soil characteristics and human activity influence them.
The first publication investigated the biotic and abiotic drivers of the atmospheric methane sink of soils. It assessed the influence of grassland land-use intensity (150 sites) and forest management type (149 sites) on potential atmospheric methane oxidation rates (PMORs) and the abundance and diversity of CH4-oxidizing bacteria (MOB) with qPCR in topsoils of three temperate regions in Germany. PMORs measured in microcosms under defined conditions were approximately twice as high in forest than in grassland soils. High land-use intensity of grasslands negatively affected PMORs (−40%) in almost all regions. Among the different aspects of land-use intensity, fertilization had the most adverse effect reducing PMORs by 20%.
In contrast, forest management did not affect PMORs in forest soils. Upland soil cluster (USC)α was the dominant group of MOBs in the forests. In contrast, USCγ was absent in more than half of the forest soils but present in almost all grassland soils. USCα abundance had a direct positive effect on PMOR in forests, while in grasslands, USCα and USCγ abundance affected PMOR positively with a more pronounced contribution of USCγ than USCα.
In the second publication, we used quantitative metatranscriptomics to link methane-cycling microbiomes to net surface methane fluxes throughout a year in two grassland soils. Methane fluxes were highly dynamic: both soils were net methane sources in autumn and winter and net methane sinks in spring and summer. Correspondingly, methanogen mRNA abundances per
gram soil correlated well with methane fluxes. Methanotroph to methanogen mRNA ratios were higher in spring and summer when the soils acted as net methane sinks. Furthermore, methane uptake was associated with an increased proportion of USCα and γ pmoA and pmoA2 transcripts. High methanotroph to methanogen ratios would indicate methane sink properties.
Our study links the seasonal transcriptional dynamics of methane-cycling soil microbiomes for the first time to gas fluxes in situ. It suggests mRNA transcript abundances as promising indicators of dynamic ecosystem-level processes.
We conclude that reduction in grassland land-use intensity and afforestation can potentially increase the methane sink function of soils and that different parameters determine the microbial methane sink in forest and grassland soils. Furthermore, this thesis suggests mRNA transcript abundances as promising indicators of dynamic ecosystem-level processes. Methanogen transcript abundance may be used as a proxy for changes in net surface methane emissions from grassland soils.
The proteasome is a major part of the ubiquitin-proteasome-system playing an important role in cell homeostasis due to its protein quality control function. Moreover, the proteasome is involved in cell cycle regulation and in the regulation of transcription factors. Upon induction of interferons, or treatment with lipopolysaccharides, an isoform of the standard-proteasome is composed, named immunoproteasome (i-proteasome). The i-proteasome is constitutively expressed in immune cells and deficiency of proteolytic subunits of this multiprotein complex has been associated with a poor outcome during infectious diseases. I-proteasome-deficiency has been shown to result in reduced MHC class I presentation. Using mice which are deficient for all three proteolytic active subunits LMP2, MECL-1 and LMP7, we could demonstrate that i-proteasome-deficiency lead to an altered recruitment of immune cells to the CNS when challenged with the intracellular parasite Toxoplasma gondii, resulting in increased frequencies of neutrophils and other cells of myeloid origin. The shift to reduced frequencies of CD45highCD11blow lymphocytes can be further explained by a decreased migratory capacity of i-proteasome-deficient CD8+ T cells. In contrast to previous studies using other pathogens, effector function of CD8+ as well as CD4+ T cells, measured by frequencies of IFNγ, TNF, IL-2 and granzyme B producing cells, were not impaired in these mice, whereas induction of CD4+ Tregs was strongly reduced. In addition, we found that parasite control was comparable to control mice and that i-proteasome deletion caused an overall pro-inflammatory cytokine milieu within the brain. Our results indicate that i-proteasome-deficiency lead to prolonged tissue inflammation during T. gondii infection which could be an explanation for the more severe course of disease observed in these mice.
The Src homology domain containing phosphatase 2 (SHP2) is a tyrosine phosphatase modulating several signaling pathways and therefore has an influence in cell cycle, differentiation, proliferation and cell activation. However, SHP2 is assumed to play a negative role during T-cell activation as the phosphatase has been shown to inhibit T-cell receptor-induced signaling cascades. Although, various gain-of-function mutations in the SH2 or PTP domain of this phosphatase, such as D61Y, have been associated with myeloproliferative diseases such as juvenile myelomonocytic leukemia (JMML), effects of such mutations on T cells have not been addressed in scientific literature so far. Therefore, in the second part of this thesis we could demonstrate that D61Y mutation in the SH2 domain of SHP2 did not cause JMML pathology when only introduced into T cells. Especially in aged mice, T cells of SHP2 mutant mice showed an increased expression of cell adhesion molecule CD44. In accordance with these findings, we observed increased influenza A virus-specific T cells in the bone marrow of SHP2 D61Y mutant mice, indicating a role of the phosphatase in memory formation or maintenance of CD8+ Tem. Although SHP2D61Y mice revealed a comparable viral clearance, IFNγ production of virus experienced CD4+ and CD8+ T cells was diminished compared to control mice, underlining a negative involvement of the phosphatase in the JAK/STAT1 signaling axis as suggested before by studies using mice with SHP2-/- T cells.
The Flavivirus genus (Flaviviridae family) comprises the most important arboviruses in the world such as dengue virus, West Nile virus (WNV), Zika virus (ZIKV), Japanese encephalitis virus and yellow fever virus (YFV). Every year, several outbreaks caused by flaviviruses are reported worldwide (i.e.: ZIKV and YFV outbreaks in South America) with a huge impact on economy and public health. In the last few decades, many aspects of the flavivirus biology and the interaction of flaviviruses with host cells have been elucidated. However, many underlying mechanisms concerning receptor usage, entry process and viral interaction with host cell factors are still not completely understood. Integrins, the major class of cell adhesion molecules have been implicated in the infectious cycle of different viruses including flaviviruses. A previous report proposed that a particular integrin, the αVβ3 integrin, might act as a cellular receptor for WNV. However, this hypothesis was not confirmed by other groups. In the present study, murine cell lines lacking the expression of one or more integrin subunits were used to evaluate the involvement of different integrins in the flavivirus infection cycle. Mouse fibroblasts lacking the expression of β1 integrin (MKF-β1-/-) or β3 integrin (MEF-β3-/-) subunits or αVβ3 integrin (MEF-αVβ3-/-) as well as their corresponding wild-type cells were utilized. A second model using Chinese hamster ovary cells (CHO-K1), a cell line that has been described to be refractory to some flaviviruses, were modified to express either αV (CHO-αV+/+) or β3 (CHO-β3+/+) integrin subunits. All cell lines were first characterized by confocal laser microscopy, flow cytometry and functional assays prior to infection to assess their integrin expression. The cell lines were then inoculated with different flaviviruses of public health relevance: WNV, YFV-17D, Usutu virus (USUV), Langat virus (LGTV) and ZIKV. Infection assays were designed in order to evaluate whether integrins influence i) cell susceptibility; ii) binding; iii) internalization and iv) replication of the investigated flaviviruses. Our findings clearly demonstrate that β1, β3 and αVβ3 integrins do not act as flavivirus cellular receptor or attachment factor since their ablation does not completely abrogate flavivirus infection in the investigated cell lines. Flavivirus binding to the cell surface of MEFs, MKFs and CHO cells was not disturbed by the genomic deletion of the above-mentioned integrins. The deletion of β1 and β3 integrin subunit did not affect internalization of any of the flaviviruses tested. In contrast to that, loss of αVβ3 integrin in the MEF-αVβ3-/- cells showed a statistically significant decrease in WNV and USUV internalization while ZIKV, YFV-17D and LGTV internalization remained unaffected suggesting that αVβ3 integrin might be involved in the internalization process of at least some flaviviruses. On the other hand, flavivirus replication was substantially impaired in the integrin-deficient cell lines in comparison to their corresponding wild-type cells. Both, MEF-β3-/- and MKF-β1-/- cells showed a statistically significant reduction on viral load for all flaviviruses tested in comparison to their respective wild-type cells. The MEF-αVβ3-/- cells in particular, showed a strong inhibition of flavivirus replication with a reduction of up to 99% on viral loads for all flaviviruses tested. Levels of flavivirus negative-strand RNA were substantially decreased in MEF-αVβ3-/- cells indicating that integrins might influence flavivirus RNA replication. The ectopic expression of either αV or β3 integrin subunits in CHO cells slightly increased the replication of all flaviviruses tested. Taken together, this is the first report highlighting the involvement of integrins in ZIKV, USUV, LGTV and YFV infection. The results strongly indicate that the investigated integrins play an important role in flavivirus infection and might represent a novel host cell factor that enhances flavivirus replication. Although the exact mechanism of interaction between integrins and flaviviruses is currently unknown, the results provided in this study deepen our insight into flavivirus - host cell interactions and open doors for further investigations.
The role of cell-penetrating peptides in the induction of T cell responses by virus-like particles
(2023)
Many viral structural proteins can self-assemble into virus-like particles (VLPs). VLPs can serve as an effective vaccine or be used as a vaccine platform. One of these structural proteins is the hepatitis B virus core antigen (HBcAg), which appears to be suitable as an antigen carrier due to its high immunogenicity. HBcAg has a major immunodominant region (MIR) that is presented on the surface of the VLPs after self-assembly. Foreign antigens can be inserted into this region. Since HBcAg VLPs, unlike the Hepatitis B virus (HBV), do not have an envelope, they are not able to penetrate cell membranes efficiently. As an extracellular antigen, HBcAg VLPs primarily induce a strong humoral immune response.
In the present study, we investigated the extent to which HBcAg can be modified to also elicit an enhanced cellular, particularly a cytotoxic, immune response. A cytotoxic CD8+ T cell response is predominantly induced by intracellular antigens. Therefore, our goal was to increase the cell penetration capacity of VLPs. We aimed to achieve this by fusing cell-penetrating peptides (CPPs) to HBcAg. CPPs can spontaneously penetrate cell membranes to enter the cytoplasm of cells. To guarantee that the CCPs were localized to the surface of the VLPs, we fused CPPs to the N-terminus of HBcAg. The CCPs were followed by a tag to allow the purification of VLPs. The T cell epitopes, against which the induced CTL should be directed, were derived from the Large T antigen and inserted into the MIR of HBcAg. Finally, we fused fluorescent proteins to the C-terminus of HBcAg to track the entry of VLPs into cells.
Modifications of HBcAg may lead to reduced stability or altered structure of VLPs. To analyze the stability of VLPs, we used nanoscale differential scanning fluorimetry (nanoDSF) analysis. This revealed that the N-terminal fusion of CPPs or the tag to HBcAg does not reduce VLP stability. However, some peptides incorporated into the MIR had a significant effect on the structure and stability of the VLPs. While the incorporation of a Flag-tag or a peptide from ovalbumin had no negative effect on VLP stability, the incorporation of peptides representing T cell epitopes of Large T antigen interfered with VLP formation. Denaturation and reassembly of the aggregates significantly improved the homogeneity of the VLPs, and the C-terminal addition of arginine-rich domains enhanced stability.
Using live cell imaging and flow cytometry, we demonstrated that HBcAg VLPs functionalized with CPP exhibited up to 40% more efficient penetration into professional antigen-presenting cells (JAWS II) than HBcAg VLPs without CPP. This resulted in the increased presentation of integrated T cell epitopes by dendritic cells. In vivo, we detected significantly increased induction of SV40 Large T antigen-specific CTL in mice immunized with CPP-conjugated VLPs compared to unconjugated VLPs.
In this study, we demonstrated that a stronger cellular immune response can be induced by CPP-functionalized HBcAg VLPs than with the unmodified HBcAg VLPs in vitro as well as in vivo. This discovery may have positive implications for future vaccine development where an enhanced cellular component of the immune response is desirable.
Reactive species play an essential role in orchestrating wound healing responses. They act as secondary messengers and drive redox-signaling pathways that are involved in the hemostatic, inflammatory, proliferative and remodeling phases of wound healing. Cold plasma produces a profusion of short- and long-lived redox species that promotes wound healing, however, until today, the knowledge of CAP mediated wound healing remained scarce. In this thesis, CAP mediated wound healing mechanism and their effect on extracellular matrix and adhesion molecules have been investigated. To this end, a keratinocyte cell line (HaCaT), skin fibroblast cell line (GM Fbs) and an in vitro coculture model including both HaCaT and GM Fbs at a 2:1 ratio, were employed to investigate the cross talk between these two skin cell types.
We examined the impact of CAP on extracellular matrix proteins and cell adhesion molecules in GM Fbs and observed a significant impact of cold plasma treatment on the expression level of collagen moieties, cell adhesion molecule like integrin, cadherin, versican, MMPs as well as extracellular matrix proteins.
Moreover, scratch assays with monocultures of HaCaT, GM Fbs and coculture of these two cell types were performed. We detected that, CAP accelerated the migratory capability of HaCaT cells cocultured with fibroblasts. In fact, compared to HaCaT monoculture, a significant acceleration on cell migration was observed in coculture upon CAP treatment. NAC, a potent antioxidant could abrogate this CAP-stimulated cell migration in coculture, further pointing towards the importance of well-orchestrated reactive species in wound healing. To better understand this CAP-mediated effect on cell migration, we examined the signaling pathways involved in tissue homeostasis and regeneration. We checked the HIPPO signaling pathway and observed an upregulation of several signaling molecules at transcriptional level in GM Fbs upon CAP treatment.
YAP is the central nuclear executer of HIPPO signaling pathway. YAP was upregulated in both HaCaT cells and GM Fbs. The major downstream effectors of the HIPPO signaling pathway (CTGF and Cyr61) were also upregulated in dermal fibroblasts at both transcriptional and protein level. However, administration of antioxidant NAC inhibited CAP-mediated wound healing and abrogated the gene expression of the HIPPO downstream effectors. These results confirm that the upregulation of YAP-CTGF-CYR61 axis is due to CAP-generated redox species. In HaCaT cells, both CTGF and Cyr61 was minimally transcribed. Even though CTGF was rarely detected in HaCaT cells on the protein level,Cyr61 remained undetected. This again shows the importance of the cross talk between fibroblasts and keratinocytes.
The coculture with the inclusion of fibroblasts showed an accelerated migration rate, compared to HaCaT monoculture which specifies a cross talk between these two cell types. Thus, monoculture of HaCaT cells were incubated with CAP-treated and untreated fibroblast conditioned medium. Interestingly, we observed that HaCaT cells exhibited an improved cell migration rate when incubated with CAP-treated fibroblast-conditioned media compared to that observed after incubation with untreated media. Upon investigation, an induction of CTGF and Cyr61 secretion was observed upon CAP treatment in the fibroblast-conditioned media. Furthermore, exposure to recombinant CTGF and Cyr61 could also significantly improve HaCaT cell migration which confirms that CAP mediated accelerated cell migration is due to activation of YAP-CTGF-Cyr61 axis.
In conclusion, this study revealed a completely new mechanical insight of CAP mediated wound healing. Along with several other ECM molecules, CAP activates a regenerative signaling pathway i.e., HIPPO signaling pathway in dermal fibroblasts at the onset of wound healing. Dermal fibroblasts drive a paracrine interaction by secreting CTGF and Cyr61 in close vicinity of wound, resulting in accelerated keratinocyte migration and wound healing in coculture.
Until today, more than 100 years after its first description in Italy, the highly pathogenic avian influenza virus (HPAIV) has not lost its fearsome character for wild birds, poultry and humans. On the contrary, the number of outbreaks with high casualty rates in wild birds and poultry has multiplied in recent years and cases of zoonotic infections are also increasingly reported from HPAI endemic areas. The epidemiology of these infections is complex and also involves surface water and possibly sediments of shallow standing waters, which could play a role as a vector medium and/or virus reservoir. The goal of this project was to expand current knowledge of the influence of water on the spread of AIV. As part of this project, we were able to ...
1. ...improve AIV detection methods using real time RT-PCR in terms of sensitivity and breadth of viruses detected. In addition, we succeeded in economizing the procedure so that fewer resources are required and results are obtained faster (publication I: [173]).
2. ...develop an ultrafiltration-based enrichment method for AIV from surface water and evaluate it with field samples from HPAI outbreak areas in wild bird habitats (Wadden Sea coast of Schleswig-Holstein) and previously unaffected regions (Antarctic Weddell Sea) (publication II: [174]). Furthermore, protocols for testing different environmental sample matrices for AIV screening were tested and compared to results of passive monitoring by dabbing diseased or dead wild birds. AIV was detected in more than half (61%) of 44 water samples. We received additional sediment samples from 36 of the 44 water samples. In 18 of 36 of the sediments tested, as well as in 4.16% of 1705 fecal samples tested AIV was detected. However, the studies of the environmental samples mostly yielded only generic AIV detections, with viral loads in the range of the detection limit. This massively hampered further investigations for sub- and pathotyping. In contrast, 79.41% of 68 samples from passive monitoring showed high to very high HPAIV viral loads which also allowed sub- and pathotyping.
3. ...demonstrate in animal experiments that even very low titers (0.1 TCID50 ml-1) of HPAI viral infectivity in water can induce productive infection in susceptible but clinically largely resistant mallard ducks (publication III: [175]). Furthermore, we were able to develop evidence that there is a difference in virus spread that depends on the type of (contaminated) water source. This means that infections on poultry farms with inverted or nipple drinkers may follow a different course than infections in the wild, which are mediated via larger surface waters.
Overall, the results of this project highlight the important role of surface and drinking water, as well as aquatic sediments, in the spread of AIV. The methods developed here for AIV detection extend the possibilities for surveillance of AIV infections; however, passive remains superior to active surveillance of HPAIV infections in several aspects. Examination of various environmental samples did not yield a significant advantage in terms of an early warning system that would indicate the presence or spread of HPAIV in wild bird habitats prior to the occurrence of lethal infections in wild birds.
Understanding of the regulatory mechanisms controlling stress gene expression of S.aureus in response to environmental stress is very essential in studying its fitness and virulence. In this work, the changes in protein expression profiles as well as the gene transcription of S.aureus after heat exposure, osmotic stress and in response to the antibiotic puromycin were studied in order to provide detailed insights into the response of S.aureus to various kinds of environmental stress under in vitro conditions, namely: (1) to investigate the global response of S.aureus to heat stress conditions using transcriptomic and proteomic analyses. (2) to study the transcriptome and proteome of S.aureus in response to antibiotic substance puromycin. (3) to define the proteome signatures of S.aureus under NaCl stress condition. (4) to complete the proteome map of cytoplasmic proteins of S.aureus by identifying proteins exclusively synthesized during the exposure to stress. Firstly, the high resolution 2-D protein gel electrophoresis technique combined with MALDI-TOF-MS and a DNA array approach were used to investigate the cellular response of S.aureus to heat stress. A switch from normal growth temperature to high temperature condition revealed complex changes in the protein expression pattern as well as the genes expression profile. The effect of puromycin stress on S.aureus cells was analyzed, using a gel-based proteomic approach and transcriptomic analyses with DNA microarrays. We compared the protein synthesis pattern as well as the transcription data of S.aureus in response to puromycin stress with that in response to heat shock. The results demonstrated that both stress conditions induced specific, overlapping and general responses. Finally, the protein expression profile of S.aureus in response to NaCl stress was analyzed with 2D gel based proteomic approach. Our proteome analyses revealed the repression of the synthesis of many enzymes belong to different metabolism pathways . In summary, the signatures for stress or starvation stimuli can be used as diagnostic tools for the prediction of the mode of action of new antibiotics or for studying the physiological state of cells grown. Expression of the respective genes under in vivo conditions could provide some ideas on the environmental signals that specifically influence the survival of S.aureus within and outside the host.
The present work consists of four parts, containing experimental data obtained from analysis of 'Bacillus subtilis' specific and general defense strategies against reactive oxygen species. In the first part, the peroxide and superoxide stress stimulons ob 'B. subtilis' were analyzed by means of transcriptomics and proteomics. Oxidative stress responsive genes were classified into two groups: the gene expression pattern was either similar after both stresses or the genes primarily responded to one stimulus. The high induction observed for members of the PerR-regulon after both stimuli supported the assumption that activation of the peroxide specific PerR-regulon represented the primary stress response after superoxide and peroxide stress. The second part focuses on protein carbonylation in 'B. subtilis' wild-type and 'sigB' mutant cells. The introduction of carbonyl groups into amino acid side chains of proteins represents one possible form of protein modification after attack by reactive oxygen species. Carbonyl groups are readily detectable and the observed amounts can thus serve as an indicator for the severity of protein damage. The resultsdemonstrate clearly that 'B. subtilis' proteins are susceptible to hydrogen peroxide (H2O2) mediated carbonylation damage. The application of low concentrations of H2O2 prior to the exposure to otherwise lethal levels of peroxide reduced markedly the degree of protein carbonylation, which also held true for glucose starved cells. Artificial preloading with general stress proteins resulted in a lower level of protein carbonylation when cells were subjected to oxidative stress, but no differences were detected between wild-type and 'sigB' mutant cells. In the third part, strains with mutations in genes encoding general stress proteins were screenedfor decreased resistance after H2O2 challenge. It was demonstrated that resistance to H2O2 challenge. It was demonstrated that resistance to H2O2 after transient heat treatment, likewise to conditions of glucose starvation, was at least partly mediated by the sB-dependent general stress response. The screening of mutants in sB-controlled genes revealed an important role for the deoxyribonucleic acid (DNA)-binding protein Dps in the context of sB-mediated resistance to oxidative stress underlining previous reports. Therefore, the experimental strategy opens a global view on the importance of DNA integrity in 'B. subtilis' under conditions of oxidative stress. The fourth part includes analysis of a 'B. subtilis' thioredoxin conditional mutant. The thiol-disulfide oxidoreductase TrxA is an essential protein in 'B. subtilis' that is suggested to be involved in maintaining the cytoplasmic thiol-disulfide state even under conditions of oxidative stress. To investigate the physiological role of TrxA, growth experiments and two-dimensional gel electrophoresis were carried out with exponentially growing cells that were depleted of TrxA. The observations indicate that TrxA essentially involved in the re-reduction of phosphoadenosyl phosphosulfate reductase CysH within the sulfate assimilation pathway of 'B. subtilis'.
Der Kernexport neusynthetisierter Kapside stellt einen Schlüsselprozess in der Herpesvirus-Replikation dar. Die zugrundeliegenden Mechanismen dieser Vesikel-vermittelten Translokation sind jedoch noch nicht vollständig verstanden. Der nuclear egress wird dabei maßgeblich von zwei viralen Proteinen dirigiert, die in PrV und HSV-1/-2 als pUL31 und pUL34 bezeichnet werden und in allen Herpesviren konserviert sind. Beide Proteine interagieren an der inneren Kernmembran, wo sie den sogenannten nuclear egress complex (NEC) bilden. Während pUL34 ein membranständiges Protein in der Kernmembran ist, gelangt das lösliche pUL31 über einen aktiven Transport in den Kern. Obwohl der erste Schritt der Freisetzung aus dem Kern, die Vesikelbildung und Abschnürung an der inneren Kernmembran, schon gut untersucht ist und auch die Kristallstrukturen des NEC für verschiedene Herpesviren ermittelt werden konnte, sind noch viele Fragen offen. So war zu Beginn dieser Arbeit noch unklar wie die Kapside in diese Hüllen rekrutiert werden und welche Rolle die nicht konservierte und offensichtlich flexible N-terminale Domäne von pUL31, die nicht in den Kristallstrukturen dargestellt werden konnte, für die Regulierung dieses Prozesses spielt. So konzentrierte sich diese Arbeit auf die Fragen, wie die Kapside mit dem NEC interagieren (Paper I und II) und wie der pUL31-N-Terminus diesen ungewöhnlichen Transportweg beeinflusst (Paper III).
Paper I und II: Untersuchungen zur Nukleokapsid/NEC Interaktion
Unklar ist, wie der NEC mit seiner Fracht, den Nukleokapsiden, interagiert. Auf Grundlage der vorhandenen Kristallstrukturen des Komplexes unterschiedlicher Herpesviren wurde eine Interaktionsdomäne in pUL31 postuliert und angenommen, dass dies mittels elektrostatischer Wechselwirkungen erfolgt. Um dies näher zu untersuchen, wurden in dieser Arbeit geladene Aminosäuren, die als mögliche Interaktionspartner in Frage kommen, zu Alanin mutiert. Die so generierten pUL31 Mutanten wurden, nach Transfektion entsprechender Expressionsplasmide in Kaninchennierenzellen (RK13), auf ihre Lokalisation und nach Koexpression mit pUL34 auf Interaktion getestet. Die Funktionalität der mutierten Proteine während der Virusreplikation wurde mit Hilfe stabiler Zelllinien nach Infektion mit PrV-∆UL31 untersucht. Über elektronenmikroskopische Analysen wurde der Einfluss auf den Kernexport im Detail betrachtet. Hierbei konnte einem konservierten Lysin an Position 242 in PrV pUL31 im Prozess der Kapsidumhüllung eine Schlüsselrolle zugeordnet werden. Dieses Lysin befindet sich im membrandistalen Bereich des NECs, in der Alphahelix H10 von PrV pUL31. Die Substitution des K242 zu Alanin führte zu einem Abschnüren und einer Akkumulation leerer, Virushüllen-ähnlicher Vesikel im PNS, obwohl reife Kapside im Kern und in unmittelbarer Nähe zu den Akkumulationen vorhanden waren. Dies führte zu der Hypothese, dass die Ladung des Lysins direkt an der Interaktion mit dem Kapsid beteiligt ist (Paper I).
Obwohl das Lysin 242 in der Struktur des Dimers oberflächenexponiert erschien, zeigten Modellierungen im NEC Oligomer, dass diese Aminosäure vermutlich zu tief in der Struktur verborgen ist um als direkter Interaktionspartner in Frage zu kommen. Um die im vorherigen Paper aufgestellte Hypothese zu verifizieren oder auch zu widerlegen, wurde das Lysin nicht nur durch Alanin, sondern auch durch andere nicht geladene, sowohl positiv als auch negativ geladene oder in ihrer Größe variierende Aminosäuren substituiert (Paper II).
Die neu generierten Substitutionsmutanten wurden nach Transfektion der Expressionsplasmide auf ihre Lokalisation und nach Kotransfektion mit pUL34, auf ihre Interaktion untersucht. Die Funktionalität der mutierten Proteine wurde ebenfalls mit Hilfe stabil exprimierender Zelllinien analysiert. Die vorliegenden Phänotypen wurden weiter mittels elektronenmikroskopischer Analysen bestimmt. Es stellte sich heraus, dass unabhängig von der vorhandenen Ladung der Aminosäure an Position 242 der Kernexport signifikant beeinträchtigt wurde. In Strukturanalysen der einzelnen Mutanten zeigte sich, dass vielmehr die Ausrichtung und Größe der Seitenkette der ersetzten Aminosäure entscheidend war. So störte beispielsweise die Substitution zu Serin und Tyrosin, die die Lage der Seitenketten des ursprünglich vorliegenden Lysins imitierten, die Funktion des pUL31 am wenigsten und die Titer erreichten fast Wildtypwerte. Dagegen führten Substitutionen zu deutlich längeren Aminosäuren, wie Glutaminsäure oder Arginin, zu massiven Beeinträchtigungen des nuclear egress. Allerdings führte keine der Substitutionen zu einem unkontrollierten Abschnüren von Vesikeln ohne Aufnahme eines Kapsids an der inneren Kernmembran.
Die hier gezeigten Ergebnisse entkräfteten die Annahme einer elektrostatischen Interaktion über pUL31 K242 mit den Nukleokapsiden in PrV. Vielmehr deuteten sie auf eine strukturell basierte Störung der Kapsidaufnahme in die Vesikel hin (Paper II).
Mittels serieller Passagen von Virusmutanten die das UL31 mit der K242A Substitution exprimierten, wurde nach möglichen kompensatorischen (second-site) Mutationen gesucht, die den Defekt ausgleichen und darüber hinaus Aufschluss auf die molekularen Ursachen ziehen lassen.
Die generierten Virusrekombinanten erreichten bereits nach ca. 10 Passagen Wildtpy-ähnliche Titer. Aus den Passagen wurden verschiedene Isolate charakterisiert. Es zeigte sich zwar keine Reversion zum Lysin 242, vielmehr waren jedoch entweder weitere Mutationen in pUL31 oder in pUL34 zu finden. Während die detektierten pUL34 Mutationen zu einem späteren Zeitpunkt charakterisiert werden müssen, wurden die second-site mutierten pUL31 Proteine auf Lokalisation, Kolokalisation und Kompensation des K242A Defektes getestet. Die Ergebnisse bestärkten die Annahme eines Strukturdefektes durch K242A. Darüber hinaus konnten durch Rückmutation des K242A Defektes in den second-site mutierten pUL31 zwei Helices bestätigt werden (H5 und H11), die ähnlich der H10 einen starken Einfluss auf den Kernexport besitzen.
Die erhaltenen Ergebnisse zeigten, dass die Aminosäure an Position 242 nicht direkt mit den Nukleokapsiden interagiert, dass eingeführte Mutationen jedoch die Umorganisation des NEC-Oligomers, welche offensichtlich notwendig für die effiziente Kapsidumhüllung an der inneren Kernmembran ist, stört und so den nuclear egress inhibiert (Paper II).
Es zeigte sich, dass sich die Struktur-Funktions-Beziehungen in den NECs komplexer darstellen als vermutet. Die Ergebnisse dieser Arbeit können zwar nicht den Mechanismus des Kapsidexports bzw. der Kapsidbindung und -inkorporation aufklären doch zeigen sie, dass die Interaktionen der NECs miteinander sehr viel komplexer aber auch wesentlich flexibler sind als zunächst angenommen.
Paper III: Untersuchung der N-terminalen Domäne von PrV pUL31
Neben einem Kernlokalisationssignal (NLS) beherbergt der N-terminus verschiedener pUL31 Homologer auch zahlreiche vorhergesagte Phosphorylierungsstellen, die an der Regulation des Kernexportes beteiligt sind bzw. sein könnten. Dieser flexible N-terminale Bereich hat in PrV pUL31 eine Länge von 25 Aminosäuren, wobei auffallend viele basische Aminosäuren in Clustern und verschiedene mögliche Phosphorylierungsstellen enthalten sind. Computer-unterstütze Analysen (NLStradamus) erkennen in der Aminosäuresequenz ein bipartites NLS (AS 5-20). Um die Rolle des N-terminalen Bereiches in PrV pUL31 näher zu untersuchen, wurde dieser schrittweise verkürzt und die basischen Aminosäuren, sowie die möglichen Phosphorylierungsstellen, durch gerichtete Mutagenese durch Alanin ersetzt. Getestet wurden diese Mutanten nach Transfektion der entsprechenden Expressionsplasmide in RK13 Zellen auf ihre Lokalisation und, nach Koexpression von pUL34, auf Interaktion und der Umorganisation der Kernmembran. Über stabil-exprimierende Zelllinien und nach Infektion mit der UL31 negativen Virusmutante (PrV-∆UL31) wurde die Funktionalität in eplikationsassays und auch ultrastrukturell charakterisiert. Erstaunlicherweise zeigte sich, dass weder das bipartite NLS noch die vorhergesagten Phosphorylierungsstellen eine entscheidende Rolle spielen. Vielmehr konnte der größte Teil des N-Terminus ohne sichtbaren Funktionsverlust deletiert werden, sofern mindestens ein Cluster basischer Aminosäuren in dieser Region erhalten blieb. Die Ergebnisse zeigten, dass der basische Charakter dieser Region entscheidend für die korrekte Lokalisation, sowie für die Bildung und Funktionalität des NEC ist. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Phosphorylierung im N-Terminus von PrV pUL31, wie auch die roteinkinase pUS3, zwar nicht essenziell für die Freisetzung der Nukleokapside aus dem perinukleären Spalt sind, jedoch diesen Prozess unterstützen (Paper III).
This work focuses the glycoprotein H of PrV which was analysed by structure-based functional analyses by targeted site-directed mutagenesis. Disulfid bridges were introduced at specific sites and the effects on the fusion mechanism investigated. A revertant was obtained and characterised during the studies, as well as chimeric glycoprotein H proteins were constructed, combining the different domains of the glycoproteins Hs of PrV and HSV1.
Staphylococcus (S.) aureus ist vor allem bekannt als einer der Haupterreger nosokomialer Infektionen weltweit. Die Mechanismen, mit denen S. aureus und das Immunsystem des Wirtes miteinander interagieren sind komplex und bis heute nicht vollständig verstanden. Ziel der vorliegenden Dissertation war es daher, bekannte Virulenzfaktoren von S. aureus und Proteine, deren Funktion für das Bakterium bisher unbekannt ist, hinsichtlich ihrer Immunogenität und ihrer Fähigkeit, Interaktionen mit Zellen und Plasmafaktoren des humanen Blutes einzugehen, zu charakterisieren. Die Entwicklung und Anwendung eines für den Organismus S. aureus spezifischen Proteinmikroarray war eines der Hauptziele dieser Arbeit, welches unter der Bezeichnung Staph-Toxin-Ag verwirklicht wurde. Der Array trug bis zu 62 S. aureus-Antigene und zeigte sich als geeignet zur Charakterisierung und Quantifizierung von Antikörperantworten in verschiedenen humanen und murinen Wirtsproben, wie Blutplasma und -serum sowie anderen extrazellulären Flüssigkeiten wie Nasensekret und Bauchwasser von gesunden und infizierten Probanden. Im ‚Protein-Interaktionsassay‘ wurde der Staph-Toxin-Ag dazu verwendet, Interaktionen von S. aureus-Proteinen zu humanen Blutplasmaproteinen zu identifizieren – Faktor H, Fibronektin, Fibrinogen, Plasminogen und Vitronektin. Der Staph-Toxin-Ag wurde in zwei unabhängigen globalen Studien angewendet, welche die S. aureus spezifischen Antikörperantworten von gesunden humanen Probanden untersuchten, darunter Träger und Nicht-Träger von S. aureus. In der ersten Studie wurden die IgG-Antworten in den Blutplasmen, in der zweiten Studie die Antikörperantworten der Klassen IgG und IgA, hier in den Nasensekreten der Probenaden charakterisiert. In beiden Studien wurde wie erwartet eine enorme Heterogenität der detektierten Antikörperantworten innerhalb der Kohorten beobachtet, die unabhängig vom Trägerstatus bestand. Vergleichende Analysen der IgA- mit den IgG-Antworten in den Nasensekreten konnten den Grad der Heterogenität noch einmal deutlich erhöhen. Für keinen der untersuchten Probanden stimmten die S. aureus-Antigen-Muster beider Antikörperklassen vollständig überein. Für die untersuchten S. aureus-Träger wurden im Durchschnitt höhere Antikörperlevel nachgewiesen als für die Nicht-Träger. Statistische Analysen (Mann-Whitney U-Test) der gemessenen IgG- bzw. IgA-Level identifizierten insgesamt zehn Antigene, gegen die die Testgruppe der Träger im Vergleich signifikant höhere Antworten zeigte. Für das virulenzassoziierte Protein IsaA (Immunodominant staphylococcal Antigen A) wurden die beschriebenen Unterschiede in beiden globalen Studien und für beide untersuchten Antikörperklassen identifiziert. Die stärksten und häufigsten Antikörperantworten konnten gegen Proteine aus zwei funktionellen Gruppen – die nicht-egc-Superantigene (SEB, SEC, TSST-1) und die Komplement- und Koagulationsinhibitoren (SCIN, Efb, Sbi, SSL-7, SACOL1169) – detektiert werden. Mindestens 60 % der untersuchten Probanden zeigten spezifische IgG- und/oder IgA-Antworten gegen Komplementinhibitoren. Hingegen konnten für Superantigene vor allem Antikörperspezifitäten der Klasse IgG detektiert werden. Für den Komplementinhibitor Sbi (S. aureus Binder of IgG) wurde eine Lücke in den IgG-Antworten beobachtet. Beide funktionelle Gruppen werden folglich bei der Invasion des Wirtes von S. aureus in vivo exprimiert. Komplementinhibitoren sind darüber hinaus offensichtlich für S. aureus von besonderer Relevanz bei der Kolonisierung der Naseschleimhaut. Zahlreiche neue Erkenntnisse konnten gewonnen werden zu Proteinen, die von S. aureus sekretiert werden, deren Funktion für das Bakterium jedoch bisher unbekannt ist. Gegen zehn dieser Proteine wurden mithilfe des Staph-Toxin-Ag spezifische IgG- und/oder IgA-Antworten nachgewiesen, besonders häufig gegen die Antigene SACOL0479, SACOL0480, SACOL0985 und SaurJH1_2034. Dies zeigte, dass diese Proteine durch S. aureus in vivo synthetisiert werden und dass sie immunogen wirken. Im ‚Protein-Interaktionsassay‘ konnten für 20 der sekretierten Proteine mit unbekannter Funktion Interaktionen mit humanen Blutplasmafaktoren nachgewiesen werden. In durchflusszytometrischen Analysen mit humanem Vollblut wurden für sieben Proteine – SACOL0021, SACOL0742, SACOL0908, SACOL0985, SACOL1788, SACOL1802 und SACOL2197 – spezifische Bindungen an PMNs (Polymorphonuclear Leukocytes) und/oder Monozyten gezeigt. In der vorliegenden Dissertation wurden mithilfe immunologischer und durchflusszytometrischer Methoden potentielle neue Virulenzfaktoren, Vakzinkandiaten sowie diagnostische Biomarker identifiziert. Neben der wissenschaftlichen Anwendung ist der Proteinarray Staph-Toxin-Ag durch seine Eigenschaften prädestiniert für einen Einsatz als Screening-Methode in der diagnostischen Medizin.
The presented study was dedicated to outstanding issues in regard to the safety and efficacy of the LAV “CP7_E2alf”, during the final licensing process and towards its putative implementation in outbreak scenarios as emergency vaccine. (I) For application of a genetically engineered virus under field conditions, knowledge about its genetic stability is mandatory. Therefore, the genetic stability of “CP7_E2alf” needed to be assessed in vivo and in vitro. Mutation rates were compared to the parental pestivirus strains (BVDV-1 “CP7” and CSFV “Alfort/187”), and BVDV or CSFV field-strains. There was no indication that “CP7_E2alf” could be more prone to mutational events than its parental viruses or representative field-strains. Moreover, no recombination events were observed in in vitro experiments. In conclusion, the data obtained in this study confirm a strong genetic stability of “CP7_E2alf” as an important safety component. (II) Since vaccination of breeding animals is often discussed, this study was conducted to assess the safety of “CP7_E2alf” vaccination of breeding male pigs. The study with “CP7_E2alf” vaccinated boar demonstrated that the new CSFV marker vaccine is suitable for application in reproductive boar. Neither in organs of the uro-genital tract related to sperm production nor in urine or feces, vaccine virus genome was detectable. Dissemination of “CP7_E2alf” through semen, and shedding with urine and feces, is therefore highly unlikely. (III) In order to investigate the influence of pre-existing pestivirus antibodies of the efficacy of “CP7_E2alf”, a vaccination-challenge-trial was conducted with “CP7_E2alf” (Suvaxyn® CSF Marker) and the “gold-standard” of live-modified CSFV vaccines, the C-strain (RIEMSER® Schweinepestvakzine). Pre-existing antibodies against BVDV-1 were provoked through intramuscular inoculation of a recent field isolate from Germany. Seven days after the vaccination, all animals were challenged with highly virulent CSFV strain “Koslov”. It was demonstrated that pre-existing anti- BVDV-1 antibodies do not impact the efficacy of both live attenuated vaccines against CSFV. Both C-strain “Riems” and marker vaccine “CP7_E2alf” were able to confer full protection against the highly virulent challenge. However, slight interference was seen with serological DIVA diagnostics accompanying “CP7_E2alf”. Amended sample preparation and combination of test systems was able to resolve most cases of false positive reactions. However, in such a coinfection scenario, optimization and embedding in a well-defined surveillance strategy is clearly needed for marker vaccination scenarios. (IV) To supplement the data about the kinetic of maternally derived antibodies in piglets from sows vaccinated during outbreaks, a single “emergency-type” vaccination of two pregnant sows was done. Focus was laid on the kinetics of maternally derived antibodies (MDA) in the screening assays of their offspring with screening assays that would be used in case of CSFV outbreaks, i.e. CSFV E2 and Erns antibody ELISA. Upon vaccination with “CP7_E2alf” 21 days before farrowing, MDAs were measurable in all piglets born to vaccinated sows. The E2- ELISA reactivities showed an almost linear decrease over ten weeks after which all piglets were tested negative in the ELISA. Future studies should investigate, if MDA are able to protect offspring of vaccinated sows or whether the piglets should also be vaccinated.
More than half of the infectious diseases in humans are caused by zoonotic pathogens or pathogens of animal origin that were transmitted to humans a long time ago. Two important rodent-associated zoonotic pathogens are hantaviruses and human-pathogenic Leptospira spp. Both pathogens induce lifelong infection in the rodent hosts that shed the pathogen. Infection with these zoonotic pathogens in humans can cause clinical symptoms. Since some rodents, like the common vole (Microtus arvalis) and the bank vole (Clethrionomys glareolus syn. Myodes glareolus), have cyclic mass reproduction, this can result in years of population outbreaks in an increased number of disease cases in humans. This was found to be the case with the leptospirosis outbreaks in Germany and tularemia outbreaks in Spain, which were traced back to increased common vole density, as well as with the hantavirus disease outbreaks in several European countries, which were associated with bank vole population outbreaks.
The aim of this work was to define the distribution and prevalence of different hantaviruses and leptospires as well as their coinfection in different European rodents, with a focus on voles from the genus Microtus and the identification of factors that affect the pathogen prevalence in rodent hosts. Therefore, common voles, bank voles, striped field mice (Apodemus agrarius) and other rodents were screened by molecular methods for the presence and prevalence of Leptospira spp. and different hantaviruses. Additionally, in selected studies, the presence of anti-hantavirus antibodies was screened by enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) using recombinant hantavirus-nucleocapsid proteins. The prevalence of hantavirus, Leptospira spp. and double-infections with both pathogens was analyzed using individual and population-based factors. Small mammals from four different European countries, Spain in the West, Germany and Austria in Central and Lithuania in Northeastern Europe, were included in the studies.
With the molecular screenings, two new hantavirus strains were detected in continental Europe and were named Traemmersee hantavirus (TRAV) and Rusne hantavirus (RUSV) after the trapping locations in Germany and Lithuania, respectively. TRAV was detected in a field vole (Microtus agrestis) from the federal state of Brandenburg, Germany, while RUSV was detected in root voles (Microtus oeconomus) from Lithuania. Phylogenetic analysis of both hantaviruses indicates their close relation to Tatenale hantavirus and Kielder hantavirus, which were discovered in field voles in Great Britain. A pairwise evolutionary distance (PED) analysis showed that all four hantaviruses belong to the same hantavirus species, for which the putative name “Tatenale orthohantavirus” was proposed. Additionally, a recombinant RUSV antigen was generated and used successfully in ELISA for the detection of RUSV-specific antibodies and for the analysis of the cross-reactivity of monoclonal and polyclonal antibodies.
In Germany, Tula orthohantavirus (TULV) was foremost detected in common voles in Thuringia and Brandenburg but was also detected in field voles in Brandenburg. Puumala orthohantavirus (PUUV) was detected in Thuringia at the virus distribution border, but sequences differed strongly from known sequences from another neighboring trapping location. While in Austria Dobrava-Belgrade orthohantavirus (DOBV), genotype Kurkino, was detected for the first time in striped field mice, no hantavirus RNA was detected in common voles from Spain. The cause of this absence in the Iberian common vole population might be its long-term isolation from the common vole populations more to the east. The TULV prevalence in Germany in this study was dependent on the season and on the prior growth of the reservoir population. An individual factor that affected the hantavirus prevalence, was the increasing age of the common vole.
Leptospira spp.-DNA was detected in common voles from Spain and Germany, as well as in one striped field mouse from Austria. Except for the two detections of L. borgpetersenii in Spain, which were probably the result of spillover infections, only the genomospecies L. kirschneri was detected in common voles from Spain and Germany. The high prevalence of Leptospira spp., as well as the detection of only one genomospecies, confirm that L. kirschneri is the genomospecies for which the common vole is the main reservoir. Important factors for the Leptospira spp. prevalence were found to be, in addition to temperature and rainfall, the season and the preceding common vole density. Like the case with hantavirus, the age of the vole was found to be an influencing factor.
In Germany, coinfections of TULV and Leptospira spp. were detected. These were associated with high common vole density and increased with the age of the common vole. Furthermore, the incidence of coinfections seems to be impacted more by the Leptospira spp. than by the hantavirus prevalence.
As part of this thesis, TULV and PUUV were detected in previously untested regions in Germany, DOBV was detected for the first time in Austria and the distribution range of the putative species “Tatenale orthohantavirus” was extended to continental Europe for the first time with detection in two countries. Screenings in Spain indicate that certain common vole populations can be free from TULV infection. Furthermore, leptospires were detected in rodents from Spain, Germany and Austria. It was verified that certain Leptospira genomospecies are host-specific. Factors that influence the prevalence of infection or coinfection by hantaviruses and leptospires were determined.
The origin and hosts associated with the Tatenale orthohantavirus should be clarified in further studies including the field vole and the root vole as well as other members of the genus Microtus in Europe and Asia. The development of a RUSV-antigen-based ELISA will enable future screening in humans and therefore might provide information about the human pathogenicity of this pathogen. For final confirmation of the zoonotic potential, isolation of the virus and development of a focus reduction neutralization test are necessary. The expansion of the striped field mouse to Austria and the detectable carryover of DOBV associated with this implies that further screening studies to more precisely characterize the distribution of DOBV (and other pathogens) are needed. The studies of DOBV spread in Austria as well as PUUV spread in Germany could help to better understand the emergence of zoonotic pathogens in new regions. The here described hantavirus-Leptospira spp. and Neoehrlichia mikurensis-Bartonella spp. coinfections should be further analyzed to characterize the interactions of the pathogens in the context of a microbiome and their influence on epidemiological aspects of the involved pathogens. The here identified individual and population-based impact factors for the TULV and Leptospira spp. prevalence should support the development and optimization of prediction models.
Responses of bovine and human neutrophils to members of the Mycobacterium tuberculosis complex
(2023)
PMN are one of the most important cells of the innate immune system and are responsible for fast clearance of invading pathogens in most circumstances. The role of human PMN during mycobacterial infection have been widely studied. Nevertheless, there are contradicting results regarding their role in protection or pathology during TB. Similar studies focusing on bovine PMN and their role in M. bovis infection remain understudied. Also, not much is known about attenuation of M. tb in cattle and responses of PMN to this MTBC member.
The major aims of this study were to i) gain insights into bovine PMN biology and the cellular processes triggered by challenge with virulent mycobacteria and to ii) find out whether interspecies differences result in different outcomes upon in vitro challenge. In the first part of the work, a new isolation method for bovine PMN from whole blood was developed. Human and bovine PMN have different buoyant properties and hence need to be isolated using different procedures. The magnetic isolation method developed within this thesis is robust and results in very good yields of highly pure, viable bovine PMN populations. This is extremely advantageous and indispensable for downstream functional assays that are required to be performed on a single day.
The second goal of this study was to compare and contrast the functional differences between bovine and human PMN upon BCG infection. The findings reveal for the first time that human PMN phagocytose more BCG in comparison to bovine counterparts. Non-opsonized bacteria were internalized via the lectin-like C-domain, require cholesterol and an active cytoskeleton in human PMN, whereas opsonized bacteria entered cells via the CR3 and, in particular, CD11b. It remains unresolved why bovine PMN reacted differently, notably phagocytosis remained unaltered, to various treatments, including blocking monoclonal antibodies to CD11b and chemical inhibitors altering the cell membrane. Nonetheless, the increased uptake of BCG by human PMN correlates to more potent response of these cells in functional assays in comparison to bovine PMN. No PMN intrinsic differences were found in the basal cholesterol content. Comparative assays with the virulent strains would be essential in order to generalize these observations.
The third aim was to investigate the responses of bovine PMN to BCG, M. tb and M. bovis. While there was no difference in uptake between BCG and M. tb, serum opsonized BCG was taken up at a higher amount. This finding suggests differential binding of bacterial epitopes to host cell receptors which modulates mycobacteria uptake. However, between the virulent strains M. tb and M. bovis, the human-adapted bacillus was phagocytosed at a higher rate which hints towards the possibility of rapid recognition and clearance of M. tb in bovine host thereby possibly preventing pathology. The release of selective cytokines by PMN post infection with the virulent strains offers baseline information relevant for processes that probably occur in vivo. This work for the first time provides insights into responses of bovine PMN to mycobacteria in a two-tier approach: by cross-species analysis of PMN responses to selected mycobacterium and by head-to-head analysis of bovine PMN to animal-adapted and human-adapted mycobacteria.
As a prospect for future research in bovine PMN biology in the context of mycobacterial infection, it would be highly advantageous to compare the subcellular localization of M. tb and M. bovis in bovine PMN using confocal and/or electron microscopy. This analysis would confer proof on attachment or internalization of mycobacteria by PMN and identify the features of the mycobacteria-containing compartments. Also, in-depth investigations of additional entry pathways for the pathogen in bovine cells would be informative for unlocking downstream cell signaling events. In addition, PMN viability studies will be meaningful particularly in bovine PMN challenged with M. bovis and M. tb, given the impact of death patterns on tissue pathology. Current results and follow up studies will contribute to the understanding of the roles of PMN in controlling elimination or growth of M. bovis and M. tb in cattle.
Hantaviruses are enveloped viruses with a single-stranded RNA genome of negative polarity. The genome consists of three segments: small (S), medium (M) and large (L). As zoonotic pathogen, hantaviruses are worldwide responsible for 150,000 to 200,000 human disease cases per year. Two forms of human disease are currently distinguished: In the Americas the hantavirus cardiopulmonary syndrome (HCPS) and in Europe and Asia the hemorrhagic fever with renal syndrome (HFRS). Since the introduction of the German Protection against Infection Act in 2001 until now a total of 10,082 disease cases have been reported. As a result, hantavirus infections currently rank as the fifth frequent notifiable disease in Germany. More than 80% of these infections were caused by the hantavirus species Puumala virus (PUUV), transmitted by the bank vole Myodes glareolus. Besides temporal oscillations, an unequal geographical distribution of human PUUV cases was noticed in Germany and in other countries of Central Europe. This is reflected in the presence of endemic and non-endemic regions as well as of so-called outbreak years. Therefore, the overall objective of this study was to find out possible reasons for the inhomogeneous distribution of PUUV in Central Europe, in particular in Poland, Germany and certain districts of Baden-Wuerttemberg. The basic working hypothesis was that PUUV spread in Central Europe after the last glaciation with different evolutionary lineages of the bank vole and that the current emergence of PUUV in bank vole populations is determined by local geographical and ecological factors. Very little was known about the presence of PUUV in Poland. Earlier studies were based exclusively on serological detection of PUUV, but a molecular detection with subsequent phylogenetic investigation was missing so far. Therefore, 45 bank voles from the northeastern part of Poland were investigated by serological and molecular assays. In three animals from a forest region close to the city of Miko³ajki PUUV-reactive antibodies and/or PUUV RNA were detected. Phylogenetic analysis indicated the presence of a Latvian (LAT) PUUV strain. Viral RNA was detected in one bank vole of the Eastern evolutionary lineage and two animals of the Carpathian lineage. Thereby it could be demonstrated for the first time that the distribution of the LAT PUUV lineage ranges from Latvia south-west to the northeastern part of Poland. An inhomogeneous spatial distribution of human disease cases has been observed even for Baden-Wuerttemberg, a long time known endemic federal state of Germany. Therefore 660 bank voles were trapped during the outbreak and non-outbreak years 2012 and 2013 in four districts with high incidences (H) and in four districts with low incidences or lacking PUUV cases (L). During the outbreak year 2012 PUUV-positive bank voles were detected by serological and molecular investigations in seven of eight districts. In contrast, in the following year only in one district PUUV infected bank voles were detected. Furthermore, it was demonstrated that after a beech mast, i.e., a massive fructification of beech trees, in H districts with a higher percentage of beech forest coverage a higher number of human cases was notified, but not in L districts with a lower percentage of beech forest coverage. For the future development of early warning modules it is therefore necessary to have a long-term bank vole monitoring established that incorporates beech mast data and information on beech forest coverage. High endemic regions for PUUV are mainly located in the southern and western parts of Germany, whereas in the eastern and northern parts only low numbers or even no human cases are recorded. To find out possible reasons for this inhomogeneous distribution, 1,774 bank voles from different regions of Germany were investigated for PUUV infections and in parallel for the corresponding bank vole evolutionary lineage (Western, Eastern, Carpathian). The PUUV investigations indicated positive voles in the known endemic regions with an easternmost and northernmost occurrence in western Saxony-Anhalt, western Thuringia and in Osnabrück. In the northern and eastern part of Germany none of the 1,210 investigated bank voles showed a PUUV infection. In the southern and western parts of Germany only the Western bank vole lineage was identified, whereas the Eastern lineage was exclusively found in the eastern and northern part and the Carpathian lineage in the South-East and North-East of Germany. PUUV infections were found almost exclusively in bank voles of the Western lineage. Individuals of the other two vole lineages were found to be PUUV infected only in regions with sympatric occurrence of the Western lineage. The previously described contact zone of the different bank vole phylogroups ranges from Poland to the entire northern part of Germany. In conclusion, the results of this investigation indicate two potential major reasons for the inhomogeneous distribution of PUUV in Germany: First, PUUV of the CE lineage seems to be associated with the Western bank vole lineage. The current geographical distribution of virus and host might be explained by a post-glacial northern expansion of the bank vole starting at the western refuge. Second, the missing detection of PUUV in bank voles of the Western lineage in areas close to high endemic regions might be explained by the extinction of the virus due to a limited winter survival of infected animals during long and harsh winters. The virus stability outside the host or ecological barriers, such as isolated forest areas or broad rivers, might also influence the distribution of PUUV in bank vole populations.
Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung und Etablierung von Methoden zur absoluten und relativen Proteinquantifizierung. In darauf aufbauenden Studien sollten diese Methoden für die Untersuchung physiologisch relevanter Fragestellungen in Bakterien genutzt werden. Zum tieferen Verständnis der Bakterienphysiologie ist es unabdingbar, Mengenänderungen von Proteinen hochaufgelöst darstellen zu können. Relative Proteinquantifizierung erlaubt dabei die Untersuchung von Änderungen der Menge eines Proteins zwischen verschiedenen Proben eines Experiments. Im Rahmen der hier vorgelegten Arbeit wurden 2D PAGE und gelfreie massenspektrometrische Methoden in einer Studie (Tefon et al. 2011, Artikel I) angewendet, um Oberflächen- und Immunoproteine zweier Vakzinationsstämme des humanpathogenen Bakteriums Bordetella pertussis zu charakterisieren. Die relative Proteinquantifizierung erlaubt zwar Rückschlüsse auf die Mengenänderung eines Proteins zwischen verschiedenen Bedingungen, ermöglicht aber nur bedingt Aussagen über die absolute Menge der Proteine. Gerade absolute Proteinmengen und damit Proteinkonzentrationen sind jedoch Grundvoraussetzung für ein zielorientiertes Verwenden der gewonnenen Daten nicht nur im Kontext der Systembiologie. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Methode entwickelt, in der durch Kombination zweier etablierter Proteomik-Methoden die absolute Quantifizierung für einen großen Teil der cytosolischen Proteine eines Organismus ermöglicht wird. In dieser Methode werden ausgewählte Proteine, deren genaue Konzentration durch gerichtete Massenspektrometrie bestimmt wurde, für die Kalibration von hoch auflösenden 2D Gelen genutzt (Maass et al. 2011, Artikel II). Um das Potential dieses Verfahrens zu verdeutlichen, wurde es für die Analyse der Anpassung von Bacillus subtilis und Staphylococcus aureus an Glukosehunger angewendet. Dabei konnten für 467 Proteine von B. subtilis in drei Zeitpunkten Proteinkonzentrationen bestimmt werden. Für die Etablierung der Methoden waren verschiedene Vorarbeiten nötig: I) Selektion geeigneter Kalibrationsproteine, II) Selektion geeigneter Standardpeptide und Optimierung der massenspektrometrischen Parameter zu deren absoluten Quantifizierung, III) Selektion eines geeigneten, proteinunspezifischen und hoch sensitiven Gelfarbstoffes, IV) Testung verschiedener Zellaufschlussmethoden und Etablierung einer Methode zur Bestimmung der Zellaufschlusseffizienz, V) Testung verschiedener Proteinbestimmungsmethoden zur genauen Bestimmung der Gesamtproteinkonzentration im komplexen cytosolischen Extrakt und VI) Optimierung der vollständigen enzymatischen Spaltung aller Proteine vor der massenspektrometrischen Analyse. Im Rahmen dieser Arbeit konnte außerdem gezeigt werden, dass sich die Kalibration der 2D Gele für die Ermittlung absoluter Daten zwischen Gelen übertragen lässt, was den Aufwand für große Zeitreihenexperimente deutlich reduziert. Die Genauigkeit und der dynamische Bereich 2D-gelbasierter relativer und absoluter Proteinquantifizierung kann durch eine erhöhte Reproduzierbarkeit, Auflösung und Sensitivität der Gele verbessert werden. Die Etablierung von HPE-Gelen führte zu 25 % mehr detektierbaren und damit quantifizierbaren Proteinspots und Proteinen bei deutlich erhöhter Reproduzierbarkeit (Moche et al. 2013, Artikel III). Die zusätzlich höhere Anzahl von Gelen mit quantifizierbarer Qualität verringert außerdem den Zeit- und Kostenaufwand vor allem für komplexe experimentelle Ansätze. Die neue Methode zur gelbasierten absoluten Proteinquantifizierung wurde in einer Folgestudie angewendet, um die Konzentrationen von mehr als 700 Proteinen von B. subtilis während der physiologisch relevanten Anpassung an verschiedene Stressbedingungen, nämlich Glukosehunger und Hitzestress, zu bestimmen (Maaß et al. 2014, Artikel IV). Der Vergleich der beiden Stressbedingungen ermöglicht eine Unterscheidung der generellen von der spezifischen Stressantwort, wobei die Analyse der Daten durch Berechnung der Proteinkosten und der Ressourcenverteilung auf verschiedene metabolische Pfade und regulatorische Einheiten unterstützt wurde. Da die Nutzung von 2D PAGE zur Proteinquantifizierung auf im Gel detektierbare Proteine beschränkt ist, ist es für eine höhere Proteomabdeckung sinnvoll, gelbasierte Methoden mit gelfreien Methoden zu ergänzen. Deshalb wurde eine Methode zur labelfreien MS-basierten absoluten Quantifizierung von Proteinen im großen Maßstab entwickelt und etabliert. In dieser gel- und labelfreien Quantifizierungstechnik wurde datenunabhängige, parallele Fragmentierung aller zeitgleich eluierenden Vorläufermoleküle (LC-MSE) genutzt. Auch für diese Methode der absoluten Proteinquantifizierung bildeten die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Probenaufbereitungsverfahren die Grundlage (Muntel et al. 2014, Artikel V).
Zwei bedeutende Erkrankungen des Wirtschaftsgeflügels, die weltweit zu hohen Verlusten führen können, sind die Newcastle Krankheit und die aviäre Influenza. Mit der Verfügbarkeit des reversen genetischen Systems für das Newcastle Disease Virus (NDV) wurde es möglich, NDV als Vektor für einzelne Proteine, z.B. des aviären Influenzavirus (AIV) zu nutzen und so Viren zu generieren, die als Impfvirus gegen beide Krankheiten einen Schutz vermitteln. Um zu untersuchen, ob die Insertionsposition eines Transgens in das NDV-Genom einen Einfluss auf die Höhe der Expression des Fremdproteins hat, wurde das Hämagglutinin-Protein (HA)-Gen eines hochpathogenen (HP) AIV Isolates in die intergene Region zwischen den Genen für das Phosphoprotein (P) und das Matrixprotein (M), M und das Fusionsprotein (F) oder F und des Hämagglutinin-Neuraminidase Proteins (HN) des attenuierten NDV Clone 30 inseriert. Zusätzlich wurden Virusrekombinanten untersucht, die ein HPAIV Neuraminidase (NA)-Gen zwischen den NDV Genen F und HN alleine oder in Kombination mit dem HA im Insertionsort zwischen NDV P und M trugen. Die Quantifizierung der Expression der HA- und NA-spezifischen mRNA wurde mit Hilfe der Northern Blot Analyse durchgeführt. Die HA-Proteine wurden zusätzlich durch die Massenspektrometrie identifiziert und durch die SILAC (stable isotope labelling with amino acids in cell culture)-Technik quantifiziert. Dabei zeigte sich, dass die HA Expression auf Transkript- und Proteinebene am höchsten war, wenn das HA-Gen zwischen NDV F und HN inseriert wurde, sich jedoch nur moderat von den anderen untersuchten Insertionsorten unterschied. Daraus kann gefolgert werden, dass die Wahl der intergenen Region zum Einbau des Fremdgens im Genomabschnitt zwischen P und HN nur einen geringfügigen Einfluss auf dessen Expression hat. Durch die simultane Integration von HA und NA in das NDV-Genom konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass NDV zwei Transgene und damit eine Vergrößerung des Gesamtgenoms um über 3 kb toleriert und dabei effizient repliziert Zusätzlich wurde untersucht, ob die gleichzeitige Insertion des NA- und HA-Gens zu einer Steigerung der Immunantwort und folglich zu einem verbesserten Schutz vor einer hoch virulenten aviären Influenzainfektion führt. Dazu wurden drei verschiedene NDV/AIV Rekombinanten generiert, bei denen das HA-Gen zwischen NDV P und M und/oder das NA-Gen zwischen NDV F und HN inseriert wurden. Die Schutzwirkung der Rekombinanten wurde gegen drei verschiedene HPAIV des H5 Subtyps in Hühnern bestimmt. Hierbei zeigte sich, dass die Schutzwirkung vor einer letalen HPAIV-Infektion durch die Insertion beider AIV Oberflächenproteingene in das NDV Genom nicht besser war als bei alleiniger AIV HA Expression. Daraus kann geschlossen werden, dass die NA-Antikörper nur einen geringen Beitrag bei der Abwehr einer HPAIV Infektion leisten. Im dritten Teil dieser Arbeit wurden durch die Sequenzierung des Gesamtgenoms des lentogenen Impfvirus Clone 30 mit Hilfe des Genome Sequenzers (Roche) neun Sequenzunterschiede im Vergleich zum ursprünglichen rekombinanten NDV (rNDV) detektiert. Durch Mutagenese der betreffenden Nukleotide konnte ein NDV generiert werden, das in seiner Sequenz dem Wildtypvirus Clone 30 entspricht. Die Virulenz und Eignung als in ovo Impfvirus des resultierenden Virus (rNDVGu) wurde im Vergleich zu den Virusrekombinanten rNDV, rNDV49, das durch einzelne Punktmutationen im F- und HN-Gen charakterisiert ist, und dem Wildtypvirus NDV Clone 30 untersucht. Bei der Bestimmung der Virulenz durch Ermittlung des intracerebalen Pathogenitätsindex (ICPI) konnte eine Reihung der Viren mit abnehmender Virulenz vorgenommen werden: NDV Clone 30 > rNDVGu > rNDV ~ rNDV49. Die geringere Virulenz des rNDVGu im Vergleich zum Ausgangsvirus Clone 30 deutet auf das Vorhandensein von Unterspezies in dem plaquegereinigtem NDV Clone 30 und die daraus resultierende Beeinflussung der Virulenzeigenschaften hin. Nach in ovo Applikation der drei hergestellten rekombinanten NDV und des Wildtypvirus NDV Clone 30 konnte gezeigt werden, dass das Wildtypvirus für Hühnerembryonen eine höhere Virulenz besitzt als die Virusrekombinanten. Die geschlüpften Küken waren vor einer Infektion mit hochpathogenem NDV geschützt, jedoch entsprachen die Schlupfraten nicht den Anforderungen für eine in ovo Vakzine. Diese Untersuchungen zeigten aber auch, dass mit Hilfe der in ovo Applikation eine deutlichere Unterscheidung der Restvirulenz lentogener NDV mit ähnlichen ICPI-Werten möglich ist.
Reactive oxygen species (ROS) can damage all cellular macromolecules and also produce secondary reactive intermediates, like reactive electrophilic species (RES) that include quinones or aldehydes. Low molecular weight (LMW) thiols are small thiol-containing compounds that play essential roles in the defense against ROS and RES in all organisms. The best studied LMW thiol is the tripeptide glutathione (GSH). Firmicutes bacteria including Bacillus und Staphylococcus species have been recently discovered to utilize the redox buffer bacillithiol (BSH). LMW thiols function as redox buffers to maintain the reduced state of the cytoplasm. Under conditions of oxidative stress, LMW thiols also react with protein thiols to form mixed LMW thiol – protein disulfides, termed S-thiolations, as major protection mechanism. Investigating the role of BSH in oxidative stress response and ROS-induced S-thiolations in Firmicutes bacteria was one subject of this PhD thesis. Specifically, the regulatory mechanisms and post-translational thiol-modifications in response to NaOCl stress were studied in the model bacterium for low-GC Gram-positive bacteria Bacillus subtilis. The transcriptome profile after NaOCl stress was indicative of disulfide stress and overlapped strongly with the response to diamide. NaOCl stress caused induction of the thiol- and oxidative stress-specific Spx, CtsR, PerR and OhrR regulons. Thiol redox proteomics identified only few NaOCl-sensitive proteins with reversible thiol-oxidations. Using mass spectrometry, eleven proteins were identified that were oxidized to mixed BSH protein disulfides (S-bacillithiolated) in B. subtilis cells after NaOCl-exposure. Methionine synthase MetE is the most abundant S-bacillithiolated protein in B. subtilis and other Bacillus species after NaOCl exposure. S-bacillithiolation of OhrR repressor leads to upregulation of the OhrA peroxiredoxin that confers together with BSH specific protection against NaOCl. S-bacillithiolation of MetE, YxjG, PpaC, and SerA causes hypochlorite-induced methionine starvation as supported by the induction of the S-box regulon. To further assess the conservation of targets for S-bacillithiolations in other Firmicutes bacteria, we studied the S-bacillithiolomes of Bacillus megaterium, Bacillus pumilus, Bacillus amyloliquefaciens, and Staphylococcus carnosus under NaOCl stress conditions. In total, 54 S-bacillithiolated proteins were identified, including 29 unique proteins and 8 conserved proteins involved in amino acid and cofactor biosynthesis, nucleotide metabolism, translation, protein quality control, redox and antioxidant functions. Together our data support a major role of BSH redox buffer in redox control and thiol protection of conserved and essential proteins against irreversible oxidation by S-bacillithiolations in Firmicutes bacteria. In response to ROS and RES, bacteria also activate the expression of antioxidant and detoxification enzymes, such as catalases, peroxidases, thiol-dependent peroxiredoxins and other specific oxidoreductases to detoxify ROS and RES. These defense mechanisms are often controlled by redox-sensitive transcription factors. B. subtilis encodes redox-sensing MarR-type regulators belonging to the OhrR and DUF24-families that are conserved among bacteria. Hence, we were further interested in this PhD thesis to study at the molecular and structural level the redox-sensing mechanisms of novel redox-sensing MarR/DUF24-type regulators in B. subtilis. We have characterized the regulatory mechanisms of HypR, YodB and CatR that sense and respond to hypochlorite, diamide and quinones stress. HypR is the first DUF24-family regulator whose crystal structure was resolved. HypR senses specifically disulfide stress and controls positively expression of the flavin oxidoreductase HypO after NaOCl and diamide stress. HypR resembles a 2-Cys-type regulator with a reactive nucleophilic N-terminal Cys14 and a second C-terminal Cys49. Besides HypR, B. subtilis encodes further MarR/DUF24-family members including the paralogous YodB and CatR repressors that sense quinones and diamide. YodB controls the azoreductase AzoR1, the nitroreductase YodC, and the Spx regulator. YodB resembles a 2-Cys-type MarR/DUF24-family regulator with three Cys residues (Cys6, Cys101, and Cys108) that form intermolecular disulfides in vivo under oxidative stress. YodB and its paralog CatR were further identified as repressors of the catDE operon encoding a catechol-2,3-dioxygenase that also contributes to quinone resistance. Although CatR is a 1-Cys-type regulator, our data showed that CatR also forms intermolecular disulfide in response to diamide and quinones in vitro. Thus, HypR, YodB and CatR are controlled by 2-Cys-type thiol-disulfide redox switches to sense disulfide and RES stress conditions, and to control specific RES detoxification enzymes.
Protein quality control systems are essential for the viability and growth of all living organisms. They protect the cell from irreversible protein aggregation. Because the frequency of protein misfolding, which ultimately results in protein aggregation, varies with the environmental conditions, the amount and activity of protein quality systems have to be accurately adapted to the rate of protein misfolding. The main goal of this thesis was to gain detailed molecular insights into the transcriptional and post-translational regulation of these protein quality control networks in the ecologically, medically and industrially important phylum of low GC, Gram-positive bacteria. In these bacteria the core protein quality control systems are under the transcriptional control of the global repressor CtsR. In a first study it was demonstrated that the arginine kinase McsB is not responsible for the regulation of CtsR activity during heat stress, as was concluded by others on the basis of previous in vitro data. Rather, it was demonstrated that CtsR acts as an intrinsic thermosensor that adapts its activity to the surrounding temperature. CtsR displays a decreased DNA binding at higher temperatures, which leads to induction of transcription of the protein quality control systems under these conditions. This CtsR feature is conserved in all low GC, Gram-positive bacteria. However, the CtsR proteins of various low GC, Gram-positive species do not have the same temperature optima. CtsR responds to heat in a species-specific manner according to their corresponding growth temperature. Detailed analysis revealed that a highly conserved tetra-glycine loop within the winged helix-turn-helix domain of CtsR is responsible for thermosensing. Dual control of CtsR activity during different stresses was demonstrated for the first time in this work. In addition to heat-dependent de-repression, CtsR is inactivated by thiol-specific stress conditions. This latter de-repression depends on a molecular redox-switch that is independent of CtsR auto-regulation. In Bacillus subtilis and its closest relatives the McsA/McsB stress-sensing complex is responsible for CtsR de-repression during redox stress conditions. McsA is able to sense the redox state of the cell via its highly conserved cysteine residues. When these cysteines are reduced, McsA is able to bind and inhibit McsB. But when these cysteine residues are oxidized, McsB is released from McsA. Thereby, McsB is activated and removes CtsR from the DNA. However, the McsA/McsB complex is not present in all low GC, Gram-positive bacteria. In the species lacking this complex, ClpE is able to act as a redox-sensor probably via its highly conserved N-terminal zinc finger domain. When these cysteine residues are oxidized, ClpE is activated which results in CtsR de-repression. In addition to the transcriptional regulation of CtsR low GC, Gram-positive protein quality control systems are regulated post-transcriptionally. The expression of the McsA/McsB adaptor pair is regulated by CtsR. However, McsB activity is also tightly regulated by three different regulatory proteins (McsA/ClpC/YwlE). McsB is needed to target specific substrates to ClpC, either for refolding or degradation by the ClpCP protease. It was demonstrated that only the auto- phosphorylated form of McsB is able to bind to its substrates. This McsB function is inhibited in non-stressed cells by a direct interaction with ClpC. Consequently, McsB is activated by a release from ClpC during protein stress. In addition, McsB activation depends on the presence of its activator McsA. Accordingly, McsB cannot be activated as an adaptor protein during thiol-specific stress because McsA is no longer able to bind to McsB under these conditions. However, also active McsB is subject to post-translational control. Activated McsB is either de-phosphorylated by McaP or degraded by ClpCP ensuring an appropriate shut-down of the McsB adaptor. Both McaP and ClpC inhibit McsB activity with different intensities. ClpC possesses a stronger impact on McsB activity than McaP but both proteins are needed for an adequate silencing of McsB activity. In addition, it was shown for the first time that B. subtilis McsB is a global adaptor that influences the stability of multiple proteins. The B. subtilis ClpC protein is unlike most members of the Hsp100 family because it not only requires several adaptor proteins for substrate recognition but also for its general ATP- dependent activity. Biochemical analysis revealed how ClpC is activated by distinct adaptor proteins. McsB modulates ClpC activity by regulatory phosphorylation of arginine residues. Moreover, McaP (formerly YwlE) was identified as an arginine phosphatase that modulates the McsB mediated ClpC activity. MecA, another known adaptor protein for ClpC, activates ClpC independently of these arginine phosphorylations, which demonstrates the existence of multiple pathways for ClpC activation.
Posttranslationale Proteinmodifikationen beeinflussen Proteinaktivitäten und Signalwege innerhalb einer Zelle und haben somit vielfältige Auswirkungen auf den Stoffwechsel von Bakterien. Um die genauen Mechanismen besser verstehen zu können, wurde in dieser Arbeit das Phosphoproteom von Streptococcus pneumoniae D39 untersucht. Der Schwerpunkt lag dabei in der Entwicklung besserer Auswertestrategien und der damit einhergehenden verbesserten Identifizierung von Phosphoproteinen. Um dies zu bewerkstelligen, wurden die Proteinextrakte durch gelfreie und gelbasierte Methoden aufgetrennt. Die Auswertung der Experimente erfolgte zunächst durch klassische Proteinidentifizierung mit Hilfe von Proteindatenbanken. Zusätzlich wurden Spektrenbibliotheken von S. pneumoniae D39 aufgebaut und diese für eine bessere Proteinidentifizierung sowie Phosphoproteinidentifizierung genutzt. Anschließend wurden zur Quantifizierung des Phosphoproteoms dieses Pathogens verschiedene Quantifizierungsmethoden getestet und modifiziert. Hierbei wurde zum einen das Phosphoproteom einer Kinasedeletionsmutante von S. pneumoniae D39 über die Spotintensitäten von 2D Gelen mit dem Wildtyp verglichen. Zusätzlich wurden die Auswirkungen dieser Kinase auf das globale S. pneumoniae D39 Proteom mittels SILAC sowie der neu erstellten Spektrenbibliothek aufgezeigt. Eine weitere etablierte Quantifizierungsmethode für Phosphoproteine in der Arbeit war die Kombination von metabolischer Markierung und 2D Gelen. Die Veränderung des Phosphoproteoms wurde an dem industriell bedeutsamen Bakterium Bacillus pumilus anhand von oxidativem Stress aufgezeigt.
Members of the species Bacillus pumilus get more and more in focus of the biotechnological industry as potential new production strains. Based on secretome analysis, Bacillus pumilus strain Jo2, possessing high secretion capability, was chosen for an omics based investigation. The physiology of Bacillus pumilus cells growing either in minimal or complex medium was analyzed by a combination of proteomic and metabolomic methods. Master gels of the cytosolic and the secreted proteome covering major parts of the main metabolic pathways were created by means of 2D gel electrophoresis. Quantification of 2D gels allowed displaying the most abundant proteins in these sub-proteomes. Application of the GeLC-MS/MS technique tripled the number of identified proteins and enabled detection of many intrinsic membrane proteins. In total, 1542 proteins were identified in growing B. pumilus cells, among them 1182 cytosolic proteins, 297 membrane and lipoproteins and 63 secreted proteins. This accounts for about 43 % of the 3616 proteins encoded in the B. pumilus Jo2 genome sequence. By using GC-MS, IP-LC/MS and H-NMR methods numerous metabolites were analyzed and assigned to the reconstructed metabolic pathways. Our data indicate that applying a combination of proteomic and metabolomic techniques a comprehensive view of the physiology of growing B. pumilus cells can be gained. In addition, selected production-relevant genome features such as the restriction modification system, NRPS clusters and the secretory system of B. pumilus Jo2 are discussed. In their natural habitat, the soil, B. pumilus cells are often exposed to growth limiting conditions due to the lack of sufficient amounts of nutrients. Such limitations can also occur during fermentation conditions and will negatively influence the efficiency of the process. Glucose is the main carbon and energy source of B. pumilus. Thus, a deficiency of glucose has an enormous impact on cell growth. A 1D LC-MS/MS approach was performed to quantify the proteins using an N14/N15 labeling and to analyze the changes in the protein equipment when B. pumilus cells stop their exponential growth and become stationary due to limitation of glucose. 1033 proteins in the cytosolic fraction of B. pumilus cells were quantified and 272 of them appeared to be upregulated when the cells experience glucose starvation. 2D-PAGE was used to analyze the exoproteome of those cells. Glucose starving B. pumilus cells seemed to focus on usage of proteins and peptides as alternative carbon and energy sources instead of other carbohydrates. Especially the exoproteome of glucose starving cells is dominated by proteases and peptidases. Furthermore, cells used fatty acids as carbon source indicated by upregulation of enzymes involved in β-oxidation and the methylcitrate pathway. Bacillus pumilus is characterized by a higher oxidative stress resistance than other comparable industrially relevant Bacilli such as B. subtilis or B. licheniformis. In this study the response of B. pumilus to oxidative stress was investigated during a treatment with high concentrations of hydrogen peroxide at the proteome, transcriptome and metabolome level. Genes/proteins belonging to regulons, which are known to have important functions in the oxidative stress response of other organisms, were found to be upregulated, such as the Fur, Spx, SOS or CtsR regulon. Strikingly, parts of the fundamental PerR regulon responding to peroxide stress in B. subtilis are not encoded in the B. pumilus genome. Thus, B. pumilus misses the catalase KatA, the DNA-protection protein MrgA or the alkyl hydroperoxide reductase AhpCF. Data of this study suggests that the catalase KatX2 takes over the function of the missing KatA in the oxidative stress response of B. pumilus. The genome-wide expression analysis revealed an induction of bacillithiol (Cys-GlcN-malate, BSH) relevant genes. An analysis of the intracellular metabolites detected high intracellular levels of this protective metabolite, which indicates the importance of bacillithiol in the peroxide stress resistance of B. pumilus. Using the physiological knowledge gained during our studies, we analyzed samples taken during an industrial fermentation process. Five samples were taken during the processes using a protease overexpressing B. pumilus strain and a non-overexpressing B. pumilus reference strain. 2D-PAGE was employed to analyze the samples. 448 proteins could be identified in the samples from the protease overexpressing stain as well as 453 proteins in the reference strain. The proteins were quantified relatively comparing the different growth phases of each strain as well as comparing the strains to each other. The physiological knowledge gained from the shake flask studies enabled us to interpret the findings. Both strains showed an induction of proteins involved in acquisition of alternative carbon sources and of proteins involved in degradation and usage of fatty acids, e.g. the methylcitrate pathway, when they stop exponential growth. This is comparable to the results gained from the analysis of B. pumilus cells under glucose limitation, indicating similar conditions during the processes. Especially in the late phases of the fermentation processes the cells were obviously exposed to severe stress conditions. Our results demonstrated that overexpressing cells showed a significantly stronger oxidative stress response at the end of the fermentation process compared to non-overexpressing cells, which indicated that not only the high cell densities but also the overproduction of the target protein might be responsible for these conditions.
Proteomic signatures select the physiology state of the cell. By using 2-D technique, proteome signature of Bacillus subtilis under different stresses and starvations are analyzed. Consequently, a proteomic map of Bacillus subtilis in non-growing phase was created. The ammonium and tryptophan as well as phenol and catechol stress are analyzed using both of proteomics and transcriptomics. And the proteomic map represents a good application in the prediction of the mode of action of phenol and catechol stress.
Streptococcus pneumoniae is a commensal of the human upper respiratory tract and moreover, the
causative agent of several life-threatening diseases including pneumonia, sepsis, otitis media, and
meningitis. Due to the worldwide rise of resistance to antibiotics in pneumococci the understanding
of its physiology is of increasing importance. In this context, the analysis of the pneumococcal
proteome is helpful as comprehensive data on protein abundances in S. pneumoniae may provide
an extensive source of information to facilitate the development of new vaccines and drug
treatments.
It is known that protein phosphorylation on serine, threonine and tyrosine residues is a major
regulatory post-translational modification in pathogenic bacteria. This reversible post-translational
modification enables the translation of extracellular signals into cellular responses and therewith
adaptation to a steadily changing environment. Consequently, it is of particular interest to gather
precise information about the phosphoproteome of pneumococci. S. pneumoniae encodes a single
Serine/Threonine kinase-phosphatase couple known as StkP-PhpP.
To address the global impact and physiological importance of StkP and PhpP which are closely
linked to the regulation of cell morphology, growth and cell division in S. pneumoniae, proteomics
with an emphasis on phosphorylation and dephosphorylation events on Ser and Thr residues was
applied. Thus, the non-encapsulated pneumococcal D39Δcps strain (WT), a kinase (ΔstkP) and
phosphatase mutant (ΔphpP) were analyzed in in a mass spectrometry based label-free
quantification experiment. The global proteome analysis of the mutants deficient for stkP or phpP
already proved the essential role of StkP-PhpP in the protein regulation of the pneumococcus.
Proteins with significantly altered abundances were detected in diverse functional groups in both
mutants. Noticeable changes in the proteome of the stkP deletion mutant were observed in
metabolic processes such as “Amino acid metabolism” and also in pathways regulating genetic
and environmental information processing like “Transcription” and “Signal transduction”.
Prominent changes in the metabolism of DNA, nucleotides, carbohydrates, cofactors and vitamins
as well as in the categories “Transport and binding proteins” and “Glycan biosynthesis and
metabolism” have been additionally detected in the proteome of the phosphatase mutant. Still, the
quantitative comparison of WT and mutants revealed more significantly altered proteins in ΔphpP
than in ΔstkP. Moreover, the results indicated that the loss of function of PhpP causes an increased
abundance of proteins in the pneumococcal phosphate uptake system Pst. Furthermore, the
obtained quantitative proteomic data revealed an influence of StkP and PhpP on the twocomponent
systems ComDE, LiaRS, CiaRH, and VicRK.
Recent studies of the pneumococcal StkP/PhpP couple demonstrated that both proteins play an
essential role in cell growth, cell division and separation. Growth analyses and the phenotypic
characterization of the mutants by electron-microscopy performed within this work pointed out
that ΔphpP and ΔstkP had different growth characteristics and abnormal cell division and cell
separation. Nevertheless, the morphological effects could not be explained by changes in protein
abundances on a global scale. So, the in-depth analysis of the phosphoproteome was mandatory
to deliver further information of PhpP and StkP and their influence in cell division and
peptidoglycan synthesis by modulating proteins involved in this mechanisms.
For more detailed insights into the activity, targets and target sites of PhpP and StkP the advantages
of phosphopeptide enrichment using titanium dioxide and spectral library based data evaluation
were combined. Indeed, the application of an adapted workflow for phosphoproteome analyses
and the use of a recently constructed broad spectral library, including a large number of
phosphopeptides (504) highly enhanced the reliable and reproducible identification of
phosphorylated proteins in this work.
Finally, already known targets and target sites of StkP and PhpP, detected and described in other
studies using different experimental procedures, have been identified as a proof of principle
applying the mass spectrometry based phosphoproteome approach presented in this work.
Referring to the role of StkP in cell division and cell separation a number of proteins participating
in cell wall synthesis and cell division that are apparently phosphorylated by StkP was identified.
In comparison to StkP, the physiological function and role of the co-expressed phosphatase PhpP
is poorly understood. But, especially the list of previously unknown putative target substrates of
PhpP has been extended remarkably in this work. Among others, five proteins with direct
involvement in cell division (DivIVA, GpsB) and peptidoglycan biosynthesis (MltG, MreC, MacP)
can be found under the new putative targets of PhpP.
All in all, this work provides a complex and comprehensive protein repository of high proteome
coverage of S. pneumoniae D39 including identification of yet unknown serine/threonine/tyrosine
phosphorylation, which might contribute to support various research interests within the scientific
community and will facilitate further investigations of this important human pathogen.
Infections with bacterial pathogens are a major cause of morbidity and mortality
worldwide. Furthermore, the extensive use of antibiotics increased the frequency of infections with drug-resistant pathogens. Streptococcus pneumoniae, a major cause of
bacterial pneumonia, is among the pathogens that often show resistances. As an
additional side effect, the use of antibiotics can disrupt the patient’s intestinal microbiome, allowing Clostridioides difficile to cause severe, recurring and hard-to-treat
colitis. Hence, new antimicrobials are needed to combat infections caused by these
pathogens. A promising approach is the usage of antimicrobial peptides (AMPs), defense
molecules produced by organisms from all domains of life. AMPs can specifically perforate
bacterial membranes and stimulate the overall immune response of the host.
In this work, the proteomic adaptations of S. pneumoniae to the human antimicrobial
peptides LL-37 and hBD3 were assessed by high-resolution mass spectrometry and
compared to general membrane stress, in order to evaluate the specificity of the bacterial
reactions. Furthermore, C. difficile was challenged with the Lactococcus lactis-derived
AMP nisin, and the proteomic alterations were examined. In essence, application of LL-37
and hBD3 changed the abundance of pneumococcal proteins involved in membrane
transport, including a putative AMP transporter, a protease, virulence proteins and
genetic regulators. Moreover, a challenge with LL-37 caused an increase of proteins
involved in cell surface modifications that alter the bacterial membrane charge and repel cationic molecules such as LL-37. In support of this, mutants unable to express these
proteins were more sensitive to LL-37. In contrast, general membrane stress, induced by
the application of cationic detergents, produced a diverse proteomic adjustment, though the same two-component regulatory system was activated. In C. difficile, levels of flagella proteins were significantly increased shortly after treatment with nisin, being in
accordance with subsequent electron microscopy data and pointing at a role of these
proteins in adaptation to nisin. Interestingly, a flagella-overexpressing mutant showed an
enhanced resistance towards nisin, independent of bacterial motility.
Taken together, the bacterial pathogens under investigation seem to possess
mechanisms to reduce the effect of AMPs on their physiology, a finding that should be
considered developing drugs based on AMPs. Although AMPs exhibit membrane
perturbations as a common mechanism of action, bacterial adaptation to AMPs appear
multifactorial and dependent on the exact pathogen observed and AMP used.
Das gram-negative Stäbchenbakterium Burkholderia pseudomallei, Erreger der Melioidose, ist ein fakultativ intrazelluläres Pathogen. Ein detailliertes Wissen über das Proteom dieses Pathogens liefert eine wichtige Grundlage für das Verständnis der Pathomechanismen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden detailierte „reference maps“ des intra- und extrazellulären Proteoms von B. pseudomallei Stamm E8 erstellt. Es wurden hierbei insgesamt 353 intrazelluläre und 154 extrazelluläre Proteine identifiziert und anschließend einer funktionellen Klassifizierung unterzogen. Die „reference maps“ stellen ein wichtiges Werkzeug für weitere vergleichende Proteomanalysen dar. In weiterführenden Experimenten wurde das Proteom dreier Wildtypstämme verglichen. Hierbei zeigten sich insgesamt nur geringe Unterschiede zwischen den drei analysierten Stämmen E8, E212 und K96423. Die Proteomanalysen bestätigten die Ergebnisse der Genotypisierung – beide Ansätze ergaben eine engere Verwandtschaft der Stämme E212 und K96423 als mit Stamm E8.
Im Infektionsverlauf von B. pseudomallei ist das sonst aerob lebende Bakterium in der Lage sich auch unter anaroben Bedingungen auszubreiten. Über die anaerobe Physiologie von B. pseudomallei ist bisher wenig bekannt. Es konnte ein Screeningsystem entwickelt werden, mit dem aus insgesamt 2344 Transposonmutanten 16 Mutanten mit reduziertem Wachtum unter anaeroben Bedingungen identifiziert wurden. Die vier Mutanten mit dem am stärksten verringerten Wachstum wurden für weitere Analysen im Rahmen dieser Arbeit ausgewählt. Drei der Mutanten hatten Molybdän bezogene Gendefekte und bei einer Mutante betraf der Gendefekt eine putative Sensor-Kinase. Die untersuchten Mutanten konnten erfolgreich komplementiert werden und somit polare Effekte ausgeschlossen werden. Die Komplentanten wiesen wieder dem Wildtyp entsprechendes anaerobes Wachstum auf und wiesen auch bei allen weiteren Experimenten, wie z.B. Infektionsversuchen, die Eigenschaften des Wildtyps auf. Dass unter den 2344 gescreenten Transposon Mutanten drei der vier auffälligsten Mutanten Molybdän bezogene Gendefekte aufwiesen, unterstreicht die Wichtigkeit von Molybdän und im Zusammenhang damit der anaeroben Nitratreduktase. Die Attenuierung der drei Mutanten im C57BL/6-Maus-Infektionsmodell deutet auf die Wichtigkeit des anaeroben Stoffwechsels bei chronischen Infektionsverläufen von B. pseudomallei hin. Bei der weiteren näher untersuchten Mutante liegt ein Defekt einer putativen Sensorkinase vor. Diese gehört zu einem Zwei-KomponentenSignaltransduktionssystem, welches Homologien zum RegB-RegA-System aufweist. Es konnte gezeigt werden, dass die hier untersuchte Sensorkinase einen entscheidenen Einfluss auf die Virulenz von B. pseudomallei hat. Der exakte Mechanismus der Attenuierung durch die Mutation von BPSL0201 bleibt vorerst jedoch noch ungeklärt.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mit dem hier entwickelten Screeningsystem erfolgreich Transposonmutanten identifiziert werden konnten, welche ein reduziertes Wachstum unter anaeroben Bedingungen aufweisen. Durch die anschließende Charakterisierung konnten tiefere Einblicke in den anaeroben Lebensstil von B. pseudomallei gewonnen werden. Die Ergebnisse deuten auf einen Zusammenhang zwischen der Fähigkeit des anaeroben Wachstums von
B. pseudomallei und der vollen Virulenz hin. Die gewonnenen Erkenntnisse stimulieren weitere Untersuchungen im Hinblick auf den Einfluss des anaeroben Wachstums von B. pseudomallei bei der Pathogenese der Melioidose.
Die Afrikanische Schweinepest (ASP) ist eine Viruserkrankung, die Mitglieder der Suidae-Familie wie Buschschweine, Warzenschweine, Hausschweine und Wildschweine befällt. Das Virus wird durch direkten Kontakt zwischen infizierten und naiven Tieren, durch Zecken der Gattung Ornithodoros oder durch Kontakt mit kontaminiertem Material übertragen. Während die Krankheit bei Warzenschweinen und Buschschweinen im Allgemeinen asymptomatisch verläuft, verursacht die ASP eine hohe Mortalität bei Hausschweinen und Wildschweinen. Daher ist die jüngste Ausbreitung von ASP in Europa eine ernste Bedrohung für die Schweinehaltung in der EU. Bis heute ist keine wirksame Behandlung oder Impfung verfügbar. Und es liegen nur wenige Informationen über Virus-Wirt-Wechselwirkungen vor, die als Grundlage für die Etablierung antiviraler Strategien verwendet werden könnten.
Das Virus der afrikanischen Schweinepest (African swine fever virus, ASFV) ist der einzige bekannte Vertreter der Familie der Asfarviridae. Das DNA-Genom des ASFV kodiert für über 150 Gene. Über die Expressionsprodukte ist wenig bekannt, nur wenige virale Proteine sind bisher funktionell charakterisiert. Die Morphogenese von ASFV ist sehr komplex. So entstehen neben den zweifach umhüllten reifen extrazellulären Virionen auch einfach umhüllte intrazelluläre Partikel, die die die Präparation reiner extrazellulären Virionen erschweren.
In früheren in vitro Studien wurde die Zusammensetzung der extrazellulären Viruspartikel mittels 2D-Gelelektrophorese analysiert. Die Reinigung erfolgte über ein im Jahre 1985 veröffentlichtes Reinigungsprotokoll, welches auf einer Percolldichtegradientenzentrifugation und einer Gelchromatographie basierte. Das Protokoll wurde für die Reinigung des auf Vero-zellen adaptierten Virusstamm Ba-71V etabliert. In einer frühen MS Studie wurden 54 Proteine in ASFV Partikeln detektiert, 15 davon Wirtsproteine. Der Einbau von Aktin, α-Tubulin und β-Tubulin ins Virion konnte ebenfalls bestätigt werden. Systematische massenspektrometrische Untersuchungen zur Charakterisierung des Proteoms der ASF Virionen lagen zu Beginn der vorliegenden Dissertation nicht vor, erst während der Anfertigung des Manuskripts wurde eine solche Studie durch Alejo et al. veröffentlicht.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein auf einer Dichtegradientenzentrifugation ohne nachfolgende Gelchromatographie beruhendes Reinigungsprotokoll entwickelt und die Zusammensetzung reifer ASF Viruspartikel mittels MALDI-TOF/TOF Massenspektrometrie analysiert. Zur Anzucht einer GFP-positiven ASFV OUR T88/3 Mutante wurde die vom Wildschwein abstammende Zelllinie WSL-HP verwendet. Wesentliche Schritte der Reinigung waren eine niedertourige Zentrifugation zur Entfernung zellulärer Verunreinigungen, gefolgt von einer Sedimentation des Virus durch ein Saccharosekissen und einem Proteaseverdau. Final wurde die Präparation über einen selbstgenerierenden Optiprep™ Dichtegradienten gereinigt. Die Titerausbeute lag zwischen 30 und 70 %, die spezifische Infektiosität bei 2,4 x 109 TCID50/mg. Elektronenmikroskopische Untersuchungen zeigten, dass die Präparation zwar Virionen enthielt, aber auch, dass die Fixierung mit Glutaraldehyd die Stabilität der Virionen beeinträchtigt.
In der massenspektrometrischen Analyse wurden 29 der 33 bekannten ASFV Strukturproteine bestätigt. Von den neu identifizierten Strukturproteinen konnten vier (pK145R, pC129R, pE146L und pI73R) in allen drei Replikaten und sechs in zwei von drei Replikaten (p5, CP123L, CP312R, E184L, M1249L und M2248R) bestätigt werden. Ein weiteres bis dato nicht charakterisiertes Protein, p285L, konnte als mögliches neues Strukturprotein identifiziert werden. 152 Wirtsproteine wurden im Virion detektiert, darunter hauptsächlich Membranproteine oder Proteine des Zytoskeletts. Daneben wurde eine Reihe an phospholipidbindenden Proteine gefunden. Unter den identifizierten Proteinen waren fünf aus dem glatten ER und einige Vertreter der Hitzeschockproteine.
Im zweiten Teil dieser Arbeit sollte das intrazelluläre Proteom des ASFV identifiziert werden.
Für diese Untersuchungen wurden drei empfänglichen Zelllinien verwendet, die vom Wildschwein abstammenden Linie WSL-HP, Vero Zellen, die in der Vergangenheit für viele Studien herangezogen wurde und die menschliche Linie HEK-293, die aus einem weiteren nicht empfänglichen Wirt stammt.
Der in dieser Studie verwendete Virusstamm ASFV OUR T88/3 besitzt 157 ORFs. In früheren Studien konnte die Existenz eines Proteins für 44 ORFs bestätigt werden. Für weitere 69 ORFs wurden Transkripte, nicht aber die korrespondierenden Proteine, beschrieben, sodass für 44 ORFs kein Nachweis der Expression vorlag.
In der massenspektrometrischen Analyse wurden je Wirtszelle rund 1000 Proteine identifiziert. Insgesamt belief sich die Zahl der identifizierten ASFV Proteine auf 94, davon 88 in WSL-HP, 83 in Vero und 57 in HEK-293 Zellen. 54 ASFV Proteine wurden in allen drei Zelllinien detektiert. Für 34 der identifizierten ASFV Proteine war bisher nur die Existenz des Transkripts beschrieben, für 23 weitere weder die Existenz eines Proteins noch eines Transkripts. Für 44 der 94 identifizierten Proteine wurde das N-terminales Peptid detektiert. Bei fünf der MGF-110 Proteinen (1L, 2L, 4L, 5L und 14L) und den Proteinen pI329L und pCP123L wurde die Abspaltung der vorhergesagten Signalsequenz experimentell bestätigt.
Die MS Analysen wurden unter Verwendung des emPAI auch quantitativ ausgewertet.
Die geringe Zahl detektierter ASFV Proteine in HEK-293 Zellen korrelierte mit dem geringeren Anteil an ASFV Proteinen im Gesamtproteingehalt der Zelle (6,3 Mol%). Allerdings wurden einige Proteine in HEK-293 Zellen ähnlich stark oder sogar stärker exprimiert als in Vero bzw. WSL-HP Zellen. Die Abundanz einzelner ASFV Proteine variierte in den verschiedenen Zelllinien. Einige wurden jedoch durchgehend stark exprimiert wie z.B. das Strukturprotein p11.5. Einige bisher nicht charakterisierte Proteine, wie z.B. pK145R, pI73R und pC129R, wurden überraschenderweise ebenfalls in allen Zellen stark exprimiert und sind somit möglicherweise Träger wichtiger viraler Funktionen, die weiter untersucht werden sollten.
Proteolysis represents the final step in the life of a protein. It is one of the most important cellular processes assisted by chaperone systems and ensures an appropriate protein homeostasis. Protein degradation is essential for the removal of cytotoxic protein aggregates and mis-translated/mal-folded proteins, „unemployed“ and regulatory proteins to enable rapid cell adaptation to altering environmental conditions (Gottesman, 2003; Wiegert & Schumann, 2001; Parker, 1981; Stansfield et al., 1998; Drummond & Wilke, 2008; Goldberg, 1972; Gerth et al., 2008). The bacterial Clp (caseinolytic proteins) protease complexes are analogous to the eukaryotic 26S proteasome and consist of Hsp100/Clp proteins of the AAA+ superfamily and an associated barrel-like proteolytic chamber (e.g. ClpP). The Clp proteases seem to be responsible for the major protein turnover in low GC, Gram+ bacteria. The main goal of this thesis was to develop new methods and tools to investigate global proteolysis more precisely and to get a detailed understanding of protein degradation during starvation conditions and it´s regulation in low GC, Gram-positive bacteria. To analyse protein degradation under starvation conditions the well established glucose starvation model was used. In Bacillus subtilis it could be shown that approximately 200 proteins are selectively degraded in a glucose depletion induced stationary phase. Furthermore radioactive pulse-chase labelling experiments coupled with 2D-PAGE analysis revealed that mainly the ClpCP protease complex is involved in the degradation of proteins in the stationary growth phase. To investigate proteolysis in the human pathogen Staphylococcus aureus in the same way, a newly developed chemically defined medium was established suitable for radioactive pulse-chase labelling experiments under stable glucose starvation conditions. The degradation kinetics of individual 2D spots was significantly better resolved using 14C-BSA as an internal marker protein for the sample normalisation. A rather huge overlap was found within the functional protein classes that were degraded in B. subtilis and S. aureus the stationary phase. Among others, especially proteins involved in amino acid, nucleotide and cell wall biosynthesis were rapidly degraded, whereby not always the same and sometimes another enzymes from a biosynthetic chain were targeted for proteolysis. Despite the resolution power of the 2D-PAGE method, there are some drawbacks such as a limited "protein window" with regard to the molecular weight and isoelectric point, loss of low abundance proteins and a rather low reproducibility for time course experiments. Therefore a mass spectrometry based approach for the simultaneous detection of protein synthesis, accumulation and degradation was developed. This pulse-chase SILAC approach provides a very good reliability with a broad spectrum of proteins that can be analysed. Through the combination with ultracentrifugation even non-soluble and aggregated proteins could be analysed. Several hundred proteins were degraded in S. aureus during glucose starvation. Among them was the functional cluster of ribosomal proteins which is degraded in the early stationary phase. Furthermore proteins belonging to complexes were degraded with the same kinetic (e.g. NrdE, NrdF). In addition selective protein degradation took place according to functional categories (e.g., ribosomal proteins, biosynthetic, glycolytic enzymes) and not to regulatory groups (e.g. CcpA, SigB regulon).The investigation of a clpP deletion mutant in S. aureus revealed a greater susceptibility to aggregation, where the cells try to counteract with the expression of chaperones like GroEL/ES, ClpB and DnaK. The renaturation process is very ATP consuming and only takes place in energy rich phases of growth (e.g. from exponential to transient growth phase). Protein aggregation was found enhanced in the stationary phase. Furthermore, a higher GTP level compared to the wild-type probably resulted in a stronger CodY mediated repression with a rather low level of amino acids in clpP mutant cell. In addition substances like glycerol, which thermodynamically stabilise proteins in refolding processes (Maeda et al., 1996; Feng & Yan, 2008), were found in higher levels compared to the wild-type. A strong response to reactive oxygen species was detected in the clpP mutant strain, which is probably due to ROS production during the early stages of protein aggregation. Altogether, different methods were used for investigation protein degradation at a proteome-wide scale. Hundreds of degradation candidates were identified by gel-based and gel-free approaches in S. aureus wild-type cells. “Unemployed” proteins (e.g. ribosomal proteins, biosynthetic enzymes) were degraded and proteins particularly required and synthesized in glucose-starved cells such as TCA cycle enzymes were stable in the stationary phase. Investigation of the clpP mutant strain supports a proposed model for the pleiotropic phenotype and provides a deeper insight in the fine-tuned protein quality control and the important role of ClpP during starving conditions.
Reversible posttranslational modifications play an important role during the regulation of many central processes in bacterial cells. Protein phosphorylation, in particular, can influence signal transduction processes and thus enables a distinct reaction of the cell to different stress and environmental conditions. In the case of the human pathogen Staphylococcus aureus, protein phosphorylation is involved in the adaptation to changing conditions during colonisation of human hosts. For this reason, the investigation of phosphorylations in S. aureus allows a better understanding of pathophysiology and virulence of this organism. Apart from stable phosphorylations at the amino acids serine, threonine and tyrosine, insights into energy-rich phosphorylations, for instance at arginine residues, gain more and more scientific attention. For this reason, one purpose of this study was the investigation of incidence and physiological relevance of this protein modification at a global scale. Firstly, the analysis of this modification was methodically optimised resulting in the identification of eight arginine phosphorylations in wild type cells of S. aureus COL. Secondly, the deletion mutant ΔptpB missing the gene that codes for an arginine phosphatase, was analysed. The characterisation of PtpB in vitro proved its activity and specificity towards arginine phosphorylations. This enabled the global analysis of the phosphoproteome with a focus on arginine phosphorylations. In addition to the optimisation of the phosphopeptide enrichment as part of the sample preparation, the data analysis process was adapted to the special challenges of energy-rich phosphorylations. Here, classical database search was extended by spectral library based analyses. In addition, synthetic peptides allow the generation of high quality mass spectra and the verification of database based evaluation strategies to ensure the quality of the spectral library. Next, S. aureus COL was cultivated under various conditions and several subcellular fractions were analysed with the aim to cover a broad part of the proteome. The combination of the spectra of synthetic peptides, the spectra of non-phosphorylated peptides from extensive cultivation experiments and the spectra of enriched phosphopeptides rendered the construction of a spectral library possible. This contained 2,270 proteins out of which 392 were found to be phosphorylated. A comparison of the database based analysis with spectral library based analysis showed the advantages of the latter when comparing the reproducibility of biological replicates. Thereby a permanent issue in phosphoproteomics was investigated. Hence, spectral libraries were used for the analysis of the phosphoproteome of S. aureus under control and stress conditions. 215 arginine phosphosites were identified within the mutant under control conditions and 117 under oxidative stress conditions. Oxidative stress was chosen because phenotypic characterisation of the mutant revealed that the most distinct growth changes in comparison with the wild type occurred after oxidative stress. These phenotypic changes were quantitatively approached in the last part of this work. Total proteome quantification of the wild type and mutant under control and stress conditions revealed an influence of the ptpB deletion on amino acid metabolism, oxidative stress response and virulence. The quantification of phosphopeptides by means of a combination of spectral library with Census based analysis finally confirmed the observations made during total proteome quantification.
Thiol or sulfhydryl groups are highly reactive functional groups in cellular systems. Molecules carrying thiol groups are mostly derivatives of the amino acid cysteine and are grouped as low molecular weight (LMW)-thiols: coenzyme A (CoA), glutathione (GSH) or bacillithiol (BSH). LMW-thiols can help in the maintenance of the reduced cellular environment as so called redox-buffers. Additionally, they act as co-factors in enzyme reactions or help in the detoxification of reactive oxygen or nitrogen species, electrophilic compounds or thiophilic metalloids (arsenite, tellurite). In proteins from different organisms cysteine is underrepresented compared to other amino acids, but still overtakes diverse roles. It is an important determinant in the tertiary and quaternary structure of proteins. The nucleophilic character of the thiol or thiolate group, respectively, makes cysteine the catalytically active amino acids of different enzymes. As a precursor cysteine participates in the formation of Fe-S clusters and coordinates different co-factors like heme, iron or zinc. The main goal of this study was the investigation of the different cellular thiol pools, now defined as the thiolome. The thiolome is the entity of the cellular thiol pools, i.e. LMW-thiols and protein thiols, and the dynamics between these pools. In Bacillus subtilis and Staphylococcus aureus mixed disulfides between protein thiols and free LMW-thiols, so called S-thiolations, were identified in different proteins in response to the thiol specific reagent diamide. Some of these S-thiolations were located at catalytically active cysteine residues. Subsequent analysis of metabolites supports this: the S-thiolation of the cobalamine-independent methionine-synthase MetE led to a decrease of the cellular methionine content. Additionally, the conversion of threonine to different branched-chain amino acids (BCAAs) was disrupted by the S-thiolation of the branched-chain amino acid aminotransferase YwaA, thereby probably inducing the synthesis of ppGpp, the alarmon of the stringent response. In addition to the identification of S-thiolations a technique was established which allowed the discrimination between intra- and intermolecular disulfides. The non-reducing/ reducing diagonal gel electrophoresis was applied to B. subtilis and S. aureus and confirmed known existing disulfide bonds, e.g. in alkyl hydroperoxide reductase AhpC or the thiol peroxidase Tpx. In response to diamide an increase of specific disulfide bonds in different proteins was observed. The analysis of the LMW-thiol content by an HPLC-approach allowed the observation of the dynamics of the thiolome. In response to diamide the reduced LMW-thiol content decreased by 75%, reduced protein thiols by 60%. Collaborations with other working groups allowed the identification of BSH in this approach. Additionally, an unknown thiol was found that is likely a derivative of BSH. Screening of the LMW-thiol content of different S. aureus-strains under various growth conditions revealed that strains 8325-4 and SH1000 lack BSH. The lack of BSH was attributed to an 8 bp-duplication in the bshC-gene that encodes the last enzyme of the BSH-synthesis. BSH-production was restored by transducing plasmid-borne functional BshC from strain Newman into strains 8325-4 and SH1000. The reconstitution of the BSH-synthesis aided in the resistance to the antibiotic fosfomycin but did not increase the resistance to different oxidants (diamide, sodium hypochlorite, hydrogen peroxide). The production of BSH had also positive effects on the survival of S. aureus inside human bronchial epithelial cells and murine macrophages in phagocytosis assays. Additionally, a GSH-uptake was observed into S. aureus which has before been known as a GSH-free bacterium. Taken together, this thesis provides the first insights into both, the LMW-thiol- and protein thiol pool of low GC, Gram-positive bacteria under different conditions. A plethora of different methodologies was used to describe the thiolome. The bacterial thiolome is a sophisticated system which is tightly regulated, but also flexible enough to not rely on determined molecules like BSH. The influences of the thiolome are not restricted to its own system and regulation, but also affect different branches of cellular physiology like the metabolism of BCAAs.
Auf den inneren und äußeren Oberflächen des Menschen existieren zahlreiche Mikrohabitate mit limitiertem Sauerstoffangebot. Vor allem während infektiöser Vorgänge kann aufgrund einwandernder Neutrophile die Sauerstoffkonzentration im menschlichen Gewebe auf unter 1% sinken. Eine rasche Anpassung an das vorherrschende Sauerstofflevel und die Nutzung effizienter alternativer Atmungsformen oder des Gärungsstoffwechsels sind deshalb entscheidend für das mikrobielle Überleben im menschlichen Wirt. In der vorliegenden Dissertationsarbeit wurde die anaerobe Genexpression von Staphylococcus aureus sowie die zugrundeliegenden regulatorischen Mechanismen näher untersucht. Die sich in vier Teile gliedernde Arbeit befasst sich zunächst mit einer eingehenden Beschreibung der anaeroben Adaptation und Physiologie von S. aureus auf Ebene des Transkriptoms, der Proteinsynthese und des extrazellulären Metaboloms. Die Identifikation eines konservierten Sequenzmotivs (inverted repeat) vor zahlreichen anaerob induzierten Genen war Ausgangspunkt für die Untersuchung der entsprechenden regulatorischen Vorgänge im zweiten Teil dieser Arbeit. Diese führten letztlich in Kooperation mit Arbeitsgruppen aus den USA, Schweden und Deutschland (AG R. Proctor, Universität Wisconsin; AG C. von Wachenfeldt, Universität Lund; AG C. von Eiff, Universität Münster; AG M. Lalk, Universität Greifswald) zu der Identifikation des Rex Proteins (SACOL2035) als zentraler Regulator der anaeroben Genexpression in S. aureus. Neben der Rex-abhängigen Expressionskontrolle wurde in Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Friedrich Götz (Universität Tübingen) auch der Einfluss des Zwei-Komponenten¬systems NreBC auf die Genexpression in S. aureus näher untersucht. Auf Ebene des Transkriptoms, Proteoms und Metaboloms konnte so die essentielle Bedeutung des NreBC-Systems für die Expression der dissimilatorischen Nitrat- und Nitritreduktasen in S. aureus nachgewiesen werden. Der dritte Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Einordnung des anaeroben Proteinsynthese¬musters (Proteomsignatur) in den Kontext zahlreicher anderer stressinduzierter Proteomsignaturen von S. aureus. Die aus diesem komplexen Vergleich gewonnenen Ergebnisse geben detaillierte Einblicke in die Spezifitäten und Gemeinsam¬keiten der Proteinsynthese von S. aureus als Reaktion auf oxidativen Stress (H2O2, Diamid und Paraquat), nitrosativen Stress (NO), Sauerstofflimitation in An- und Abwesenheit von Nitrat, Hitzestress (48°C) sowie subinhibitorische Antibiotikakonzentrationen (Puromycin, Mupirocin). Für die Bereitstellung der entsprechenden Daten wurde im Rahmen dieser Arbeit zudem ein mySQL-basiertes System entwickelt, das die Visualisierung der Daten mit komplexen Abfrage- und Filtermöglichkeiten verknüpft (http://www.aureolib.de). Im letzten Teil gibt diese Arbeit schließlich einen Überblick über die Leistungen und Möglichkeiten der Proteomanalyse hinsichtlich physiologischer und infektionsrelevanter Fragestellungen. Besondere Beachtung findet hier die Aufklärung und Struktur des bereits erwähnten Rex Modulons.
Phylogeny of the Koi herpesvirus and development of a vaccine against the Koi herpesvirus disease
(2019)
The aim of this presented dissertation was a stable, live attenuated and protective KHV usable as vaccine. Moreover this vaccine should by cost effective and easy to apply. Differentiation of infected and vaccinated animals was preferred by genetic and / or serological means. After achieving an attenuated virus, whole genome sequencing should be done to examine the genetic of the vaccine as one feature of biosafety. Besides biosafety additional knowledge on the virulence of Alloherpesviruses, especially of KHV was anticipated. Additionally the diagnostics of KHV and KHVD should be improved to increase reliability and to gain more insights into the relationship of different KHVs and hopefully to detect the source of an outbreak.
Hepatitis E virus (HEV) is emerging worldwide as a zoonotic pathogen that has remained largely undetected for decades, if not centuries. Its enormous success can be attributed to the wide range of host species, which can transmit the virus to humans, depending on the viral genotype. As a result, HEV is likely to remain a challenge even when the remaining hepatitis viruses (HAV, HBV, HCV), which are transmitted exclusively between humans, are under control. Although millions of HEV infections occur each year, little is known about this puzzling pathogen. One major issue in HEV research is the lack of reliable model systems. Established animal models are inefficient, expensive, or simply not representative of human HEV. On the other hand, cell culture systems are limited by the slow growth of the virus and inefficient replication and infection. The aim of this work is to with deepen the understanding of zoonotic HEV in animal hosts in Germany. For this purpose, a molecular and phylogenetic characterization of HEV sequences from rabbits and swine was conducted. A novel subtype of the zoonotic genotype HEV-3 was identified in a rabbit sample, further emphasizing the role of rabbits as HEV host species and possible reservoir of zoonotic HEV infections in Germany. On the other hand, a molecular biological screening of pigs and wild boars in Mecklenburg-Western Pomerania indicates a wide range of HEV-3 subtypes circulating in swine in north-east Germany. Furthermore, an optimized replicon system was established in order to enable characterization of various HEV sequences by reverse genetics. As a proof of concept, two rabbit HEV derived replicons were compared with two established, cell culture adapted HEV strains. The influence of different regions of the nonstructural protein on HEV replication was determined and quantified. In particular, a system was established, to reproducibly compare different strains and genotypes. This refined replicon system will enable the characterization of further HEV sequences and thus expand the knowledge on the determinants of the viral life cycle.
Bacterial infections represent an increasing threat in human health and hospital- acquired infections meanwhile account for 99,000 deaths every year in the United States (Ventola, 2015). Live-threating bacterial infections will certainly emerge to an even more serious concern in future, essentially by accelerated development of antibiotic resistance. Only recently, the discovery of plasmid-encoded mcr-1, that confers resistance against colistin, marks the point where this highly transmissible resistance mechanism is now reported for every so far developed antibiotic (Liu et al., 2016). Staphylococcus aureus is a Gram-positive bacterium and well-known for its ability to quickly acquire resistance toward antibiotics either by chromosomal mutations and/or horizontal gene transfer (Pantosti et al., 2007). Although approximately 30% of the population is colonized with S. aureus (Kluytmans et al., 1997), it can transform to an invasive pathogen that causes a wide range of severe infections including pneumonia. The success of S. aureus as opportunistic pathogen can be attributed to combinations of several beneficial properties and capabilities including the expression of an arsenal of virulence factors (Archer, 1998), intracellular persistence (Garzoni & Kelley, 2009) and subversion of host cell defense mechanisms (Schnaith et al., 2007). The airway epithelium is the first line of defense against bacterial pathogens by forming a relative impermeable physical barrier composed of epithelial cells that are linked by tight junctions, desmosomes and adherence junctions (Davies & Garrod, 1997). Additionally, the airway epithelium mediates the detection of bacterial pathogens via toll-like receptors (TLRs) that recognize a variety of bacterial molecular patterns such as lipopolysaccharide (LPS), peptidoglycan and flaggelin (Sha et al., 2012). This interaction is transduced via protein phosphorylations into the cell in order to promote adaptation to the infection by initiation of the adaptive and innate immune defense. Although few insights where obtained of the signaling host responses towards staphylococcal infections (Agerer et al., 2003; 2005; Ellington et al., 2001), a comprehensive description of the host signaling network is largely missing. Thus, this dissertation thesis focuses on the decipherment of phosphorylation-mediated signaling responses towards S. aureus infections in non- professional and professional phagocytes by mass spectrometry-based phosphoproteomic techniques. The results of this thesis are summarized in the four chapters. Chapter I introduces to recent advances in the development of methodologies applied in the field of phosphoproteomics, including quantification strategies, peptide fractionation techniques and phosphopeptide enrichment methods applied for the system-wide characterization of protein phosphorylations by mass spectrometry. Additionally, publications reporting phosphorylation-based host signaling responses towards bacterial pathogens or their molecular patterns that applied mass spectrometry-based phosphoproteomics are discussed. In chapter II, the responses of the human bronchial epithelial cell lines 16HBE14o- and S9 following challenge with staphylococcal alpha- toxin at the level of proteome and phosphoproteome are summarized. General and cell type-specific signaling events are highlighted and evidences linking the activity of the epidermal growth factor receptor (EGFR) with differences in tolerance toward alpha-toxin are provided. Chapter III describes the modulation of the host signaling network of 16HBE14o- airway epithelial cells triggered by infection with S. aureus including temporal dissection of signaling events. Several protein kinases were identified as important signaling hubs mediating the host response. Targeted pharmaceutical inhibition of these kinases was probed and resulted in reduction of intracellular bacterial load. Chapter IV describes the rearrangement of the kinome by the differentiation of THP-1 monocytes to macrophage-like cells by application of quantitative kinomics. This approach identified the kinase MAP3K7 (TAK1) as key mediator of bacterial clearance, chemokine secretion and the differentiation process itself.
Pestivirus-Replikons als Werkzeug für heterologe Genexpression und molekulare Charakterisierung
(2021)
Replikons sind autonom replizierende RNA-Moleküle die nicht in der Lage sind, infektiöse Viren zu bilden. Sie sind wichtige Hilfsmittel zur molekularen Charakterisierung von Viren. Außerdem werden sie erfolgreich als Expressionssystem für Proteine und zur Entwicklung von Impfvektoren eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Replikon-basiertes Testsystem für den Nachweis spezifischer Antikörper gegen das atypische porzine Pestivirus (APPV) in Schweineseren etabliert. Auf Basis eines Klons des Virus der bovinen Virusdiarrhoe Typ 1 (BVDV) wurden die ursprünglichen BVDV Glykoproteine E1 und E2 gegen die Glykoproteine des APPV ausgetauscht. Die Expression mittels Replikon gewährleistet die natürliche Konformation der Proteine und damit die Bindung der entsprechenden Antikörper. Dieses System ermöglichte die serologische Untersuchung von 1115 Schweineseren ohne vorherige Isolation oder Zellkulturadaptation des Virus. Mit diesem neu entwickelten System konnte eine Seroprävalenzstudie gestartet und eine hohe Prävalenz von APPV in der untersuchten deutschen Schweinepopulation gezeigt werden.
Im weiteren Verlauf dieser Arbeit wurden Replikons zur Charakterisierung des atypischen Pestivirus Bungowannah Pestivirus (BuPV) eingesetzt. Während die Replikons mit Deletionen der Gene für die einzelnen Strukturproteine C, E1 und E2 oder die gesamte Strukturproteinregion keine Besonderheiten im Vergleich zu bereits untersuchten Pestivirus-Replikons aufwiesen und keine infektiösen Virionen mehr produzieren konnten, zeigten BuPV-Replikons mit ERNS-Deletion die Fähigkeit, zwei weitere Replikationszyklen zu durchlaufen und Zellen zu infizieren, allerdings mit einem sehr deutlichen Wachstumsdefizit. Dieser Defekt scheint in der Virusassemblierung und/oder der Freisetzung aus der Zelle zu liegen. Es konnte somit erstmals gezeigt werden, dass ERNS nicht essentiell für die Bildung infektiöser Bungowannah-Viren ist, jedoch sehr wichtig für eine effiziente Virusvermehrung. Diese Eigenschaft der ERNS deletieren BuPV macht diese besonders interessant als Vektoren für die Entwicklung neuer Replikon-basierter Expressionssysteme und einer Vakzinplattform. ERNS-Deletionsmutanten wurden daher auf ihre Fähigkeit hin untersucht, eine effiziente Expression verschiedener immunogener Proteine zu gewährleisten. Die Konstrukte waren dabei in der Lage, die ausgewählten Proteine effizient zu exprimieren und konnten zudem effizient zu Virus-Replikon-Partikel (VRP) verpackt und in einer trans-komplementierenden Zelllinie vermehrt werden.
Auch der für das parentale Virus beschrieben Zelltropismus konnte für die generierten BuPV-VRP gezeigt werden. Zusätzlich zu den beschriebenen Eigenschaften sind es der nicht-zytopathogene Charakter und die in den meisten Regionen fehlende Immunität gegen BuPV, die das hohe Potential dieses Systems als universellen Vakzinvektor herausstellen.
Zusätzlich wurde im Rahmen dieser Arbeit ein erstes DNA-basiertes System zur Herstellung rekombinanter BuPVs etabliert. Dieses System ermöglicht sowohl die Virusproduktion ausgehend von einem T7-RNA-Polymerase Promotor, als auch von einem Polymerase-II-Promotor. Die infektiösen Viren zeigten gleiche Wachstumseigenschaften wie Viren, welche mit dem konventionellen RNA-System generiert wurden. Auf Basis des neuen DNA-Systems konnte auch ein Replikon mit Deletion im ERNS-Gen etabliert werden. Dieser Klon zeigte nach der Transfektion eine sehr geringe Replikationsrate, konnte jedoch zur weiteren Konstruktion eines „single round infectious particle“ (SRIP) eingesetzt werden. Diese SRIP sind durch die Koexpression des deletierten ERNS in der Lage, sich selbst zu verpacken und bilden damit ein ideales System zum Transport selbst-replizierender RNA. Durch seine selbstlimitierenden Eigenschaften könnte es zur Entwicklung und Etablierung einer effizienten und sicheren Vakzineplattform eingesetzt werden. Allerdings ist dafür eine weiterreichende Optimierung notwendig.
Insgesamt zeigten die Untersuchungen, dass sich pestivirale Replikons sowohl als effizientes und schnelles Testsystem für die Untersuchung der Verbreitung neu auftretender Pestiviren, als auch zur Entwicklung effizienter RNA- und DNA-basierter Transport- und Verpackungssysteme viraler Proteine, eignet.
Bisherige Analysen von RABV-Pathogenitätsdeterminanten wurden mit laboradaptierten, teils attenuierten Viren durchgeführt. Es ist unklar, ob bisher untersuchte Faktoren auch für hoch virulente RABV-Feldviren relevant sind. Der hier durchgeführte systematische Vergleich von Feldviren und Laborstämmen im infizierten Tier konnte Unterschiede hinsichtlich der Fähigkeit immunkompetente Neuroglia des ZNS zu infizieren als mögliche Pathogenitätsdeterminante aufzeigen. Darüber hinaus wurden erstmals SZ-Neuroglia peripherer Nerven als Zielzellen für die RABV-Infektion identifiziert.
Für die Analyse von RABV-infizierten Geweben wurde ein modernes 3D Imaging-Verfahren angewandt. Gehirne aus experimentell infizierten Mäusen und Frettchen wurden wie in Veröffentlichung 1 beschrieben immunfluoreszenz-gefärbt, optisch geklärt und hochauflösend mit einem konfokalen Laserscan Mikroskop untersucht. RABV N und P Protein konnten dreidimensional in räumlicher Umgebung zu zellulären Strukturen des Wirtes visualisiert werden. Diese Untersuchung bewies die besondere Eignung des Verfahrens zur Identifizierung vereinzelter Zielstrukturen und wurde für nachfolgende systematische Analysen im ZNS und PNS verwendet.
Der RABV-Zelltropismus wurde als vermutlich wichtige Pathogenitätsdeterminante in Veröffentlichung 2 untersucht. RABV Feldviren vom Hund (rRABV Dog), Fuchs (rRABV Fox) und Waschbär (rRABV Rac) konnten im Vergleich zu den laboradaptierten Viren (rCVS-11, SAD L16 und ERA) nicht-neuronale Zellen im ZNS wie Astroglia produktiv infizieren. Der Anteil infizierter Astrozyten ist mit 7-17 % nach i.m. Inokulation vergleichbar mit dem der Neuronen (7-19 %). Interessanterweise wurde eine Inokulationsroutenabhängige Infektion von Astrozyten mit dem moderat virulenten Laborstamm rCVS-11 beobachtet. Diese systematische und quantitative Analyse des RABV-Astrozyten- und Neuronentropismus zeigt, dass mit abnehmender Virulenz die Fähigkeit der Viren produktiv in Astroglia im ZNS zu replizieren abnimmt. Die Fähigkeit eine produktive Infektion in Astrozyten auszubilden, scheint demnach ein grundlegender Unterschied zwischen Feldviren und weniger virulenten Laborstämmen zu sein.
Weiterführend wurde in Veröffentlichung 3 die Virusausbreitung vom ZNS in periphere Nerven untersucht. Hinterbeine, Wirbelsäule inklusive Rückenmark, Gehirn und weitere Kopfbereiche experimentell infizierter Mäuse wurden mittels Lichtblatt- und konfokaler Laserscanmikroskopie analysiert. Zum Ersten Mal konnte eine RABV-Infektion peripherer Neuroglia dargestellt werden. Eine produktive Infektion immunkompetenter SZ im PNS ist also möglicherweise, genauso wie die Infektion von Astrozyten im ZNS, entscheidend für die RABV-Neuropathogenese. Die Detektion von RABV-Antigen im Hinterbein nach i.c. Inokulation beweist eine anterograde axonale Virusausbreitung vom ZNS in periphere Nerven. Interessanterweise konnte das Virus auch in Bereichen des Nasopharynx und des Zungenepithels nachgewiesen werden, worüber möglicherweise zusätzlich zur Speicheldrüse Virus in den Nasenrachenraum ausgeschieden wird. Zusammenfassend konnten mit dieser Arbeit neue Einblicke hinsichtlich des Zelltropismus und der Ausbreitung von RABV in vivo im Modellorganismus Maus gewonnen werden. Die Fähigkeit der untersuchten hoch virulenten Feldviren nicht-neuronale, immunkompetente Neuroglia des ZNS und PNS zu infizieren unterscheidet diese von den weniger virulenten bzw. apathogenen Virusstämmen und könnte ein entscheidender Faktor bei der Ausbildung einer Tollwut-Enzephalitis darstellen.
A method employing labeling of cell-surface proteins with Sulfo-NHS-SS-biotin and subsequent affinity enrichment with NeutrAvidin has been optimized in order to make cell-surface proteins from Gram-positive bacteria reliably accessible to quantitative mass spectrometric analyses. The optimized biotinylation approach was applied for analysis of the lipoproteome from S. aureus and S. pneumoniae on a global scale and the influence of mutations in the lipoprotein maturation pathway on the cell-surface and exoproteomes of both species was investigated. The biotinylation approach was integrated into a proteomic workflow that employs metabolic labeling with heavy nitrogen for relative protein quantification to investigate proteomic differences between S. aureus in a biofilm model and its free-floating, planktonic counterparts.
The bacterium Staphylococcus aureus is a notorious pathogen that causes dangerous and difficult-to-treat infections. This applies especially to methicillin-resistant S. aureus, better known as MRSA. MRSA infections were originally associated with healthcare settings as a consequence of clinical antibiotic therapy. However, in recent years MRSA infections have become more common among healthy individuals in the community. The community-associated (CA-)MRSA lineages are generally more aggressive than hospital-associated (HA-) lineages. Therefore, it is alarming that such CA-MRSA lineages are now emerging in hospitals. This raises the fundamental question of how CA-MRSA adapts to this new niche. Further, since the originally distinguishing features of CA- and HA-MRSA are losing discriminative value, it is important from a healthcare perspective to identify novel distinctive markers for early recognition and elimination of hospital-adapted CA-MRSA. In the present PhD research, these challenges were tackled with a ‘multi-omics’ approach focused on the USA300 lineage of MRSA, originally identified as CA, but now also causing hospital outbreaks. The results show that hospital-adapted USA300 isolates produce an altered spectrum of virulence factors, changed their metabolism, and exploit human immune cells as a protective environment against antibiotics. Importantly, hospital-adapted CA-MRSA strains can be recognized through distinctive patterns of gene expression and secreted virulence factors. Altogether, these observations show that the epidemic behaviour of MRSA is a multi-factorial trait, and they provide new insights into the missing links between epidemiology and pathophysiology of S. aureus. Moreover, they highlight the benefits of multi-omics technologies for protecting patients and frail individuals against the aggressive CA-MRSA.
Clostridioides difficile is the leading cause of antibiotic-associated diarrhea referring to infections of the gastrointestinal tract in the course of (broad-spectrum)antibiotic therapy. While antibiotic therapy, preferentially with fidaxomicin or vancomycin, often stops the acute infection, recurrence events due to remaining spores and biofilm-associated cells are observed in up to 20% of cases. Therefore, new antibiotics, which spare the intestinal microbiota and eventually clear infections with C. difficile are urgently required. In this light, the presented work aimed at the evaluation and characterization of three natural product classes, namely chlorotonils, myxopyronins and chelocardins, with respect to their antimicrobial activity spectrum under anaerobic conditions and their potential for the therapy of C. difficile infections. Briefly, compounds of all three classes were screened for their activity against a panel of anaerobic bacteria. Subsequently, the systemic effects of selected derivatives of each compound class were analyzed in C. difficile using a proteomics approach. Finally, appropriate downstream experiments were performed to follow up on hypotheses drawn from the proteomics datasets. Thereby, all three compound classes demonstrated significant activity against C. difficile. However, chelocardins similarly inhibited the growth of other anaerobes excluding chelocardins as antibiotic candidates for C. difficile infection therapy. In contrast, chlorotonils demonstrated significantly higher in vitro activity against C. difficile and close relatives compared to a small panel of other anaerobes. In addition, it could be shown that chlorotonils affect intracellular metal homeostasis as demonstrated in a multi-omics approach. The data led to speculate that chlorotonils eventually affect cobalt and selenate availability in particular. Moreover, a metaproteomics approach verified that oral chlorotonil treatment only marginally affected the intestinal microbiota of piglets on taxonomic and functional level. Furthermore, the proteome stress response of C. difficile 630 to myxopyronin B, which similarly showed elevated activity against C. difficile compared to a few other anaerobes, indicated that the antibiotic inhibited early toxin synthesis comparatively to fidaxomicin. Finally, evidence is provided that C. difficile 630 responds to dissipation of its membrane potential by production and accumulation of aromatic metabolites.
Next Generation Sequencing (NGS)-technologies developed very fast in recent years and is used widely in current research areas. The aim of this study was to use NGS (i) for the identification of pathogens in outbreaks and (ii) for the identification of virulence-relevant sequencepolymorphisms when comparing whole genome sequences. Therefore, a previous developed workflow was used to identify a new virus of the family Bornaviridae. The generation of whole genome sequences elucidated the molecular epidemiological connection of infection of variegated squirrels (Sciurus variegatoides) and three human cases of fatal encephalitis. By generating the whole genome sequence of a Porcine Epidemic Diarrhea Virus (PEDV) in Germany it was possible to find difference compared to circulating high virulent strains in the USA. This led to potential virulence marker to distinguish strain in the USA and Germany. Connections between sequence variation and virulence were further investigated for the bovine viral diarrhea virus 2c (BVDV-2c), cowpox viruses (CPXV) and classical swine fever virus (CSFV). Here, for a highly virulent BVDV-2c strain a mixture of different genome structure variants could be found. The majority of these genomes harbors a duplication within the p7/NS2 coding region and might cause a high virulence. For CPXV virus isolated of different hosts were analyzed and a correlation between genome sequence and the A-type inclusion body phenotype could be found. Furthermore, several deletion/insertion events were detected which might influence the virulence of these strains. Finally, the virus population of CSFV strains in pigs was characterized. However, the population of the inoculum as well as of acute-lethal and chronically infected animals gave no indication that the virus itself causes the different types of disease outcome. In conclusion, this thesis shows the great potential of NGS for virus identification and characterization. Furthermore, it makes the identification of potential virulence marker possible which subsequently can be analyzed by reverse genetics.
Rekombinante Vektorvakzinen, basierend auf Viren der Newcastle-Krankheit (NDV) haben sich als kostengünstig, schnell herstellbar und sicher für die Applikation bei Geflügel und Säugetieren erwiesen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei rekombinante Vakzineviren, die das lentogene NDV Clone 30 als Vektor nutzen, für die Prävention der hochpathogenen aviären Influenza (HPAI) bei Hühnerküken, die maternale aviäre Influenzavirus-spezifische Antikörper (AIV-MDA) aufweisen, und die Pest der kleinen Wiederkäuer (PPR) bei Ziegen evaluiert.
Während bekannt ist, dass rekombinante NDV/AIV-H5-Vakzineviren in spezifisch pathogenfreien Eintagsküken eine protektive Immunantwort induzieren, ist diese bei Küken in HPAI-Endemiegebieten meist durch vorhandene AIV-MDA negativ beeinflusst. Durch die Generierung einer NDV-Rekombinanten (rNDVsolH5_H5), die das HA des HPAIV H5N1 von zwei individuellen Fremdgenen exprimiert, konnte eine Überexpression des H5 und in Folge der okulonasalen Immunisierung von zwei- und drei-Wochen-alten AIV-MDA+-Küken die Überwindung der AIV-MDA und die Bildung von wirtseigenen AIV-H5-spezifischen Antikörpern erreicht werden. Die in Folge einer HPAIV H5N1-Belastungsinfektion vermittelten Protektionsraten beliefen sich auf 85 % bei zwei-Wochen-alten und auf 100 % bei drei-Wochen-alten Hühnern, deren Ausscheidung des virulenten Wildtypvirus im Vergleich zu Kontrolltieren signifikant reduziert war. Auch wenn das rekombinante Impfvirus in ein-Wochen-alten AIV-MDA+-Küken replizieren konnte, weist die Schutzrate von 40 % darauf hin, dass die Immunisierung sehr junger AIV-MDA+-Küken nicht zu empfehlen ist.
Die subkutane Immunisierung von Ziegen mit dem rekombinanten Vektorvirus rNDV_HKur, das das Hämagglutinin des Morbillivirus der kleinen Wiederkäuer (small ruminant morbillivirus, PPRV) exprimiert, schützte diese vor einer virulenten Wildtypvirus-Infektion. Nach zweimaliger Applikation wurden, wie nach der Impfung mit einer atttenuierten PPRV-Lebendvakzine, weder Erkrankungszeichen beobachtet noch eine hämatogene Streuung und nur geringgradige Replikation bzw. Ausscheidung des PPR-Wildtypvirus nachgewiesen, was auf die Bildung PPRV-neutralisierender Antikörper nach der Immunisierung zurückzuführen ist. Somit konnte gezeigt werden, dass sich das rekombinante NDV/PPRV-H für die Prävention der PPR bei Ziegen eignet. Mit NDV als Vektorvirus konnten nachweislich die Anforderungen sowohl bezüglich der DIVA-Applikation als auch einer hohen Thermostabilität erreicht werden.
Um NDV als Vektorvirus gezielt zu verändern bzw. für dessen unterschiedliche Anwendungen zu verbessern, ist es von Vorteil die Funktion der einzelnen viralen Proteine zu kennen. Mit dem erstmaligen Nachweis der Expression des W-Proteins können nun mit Hilfe des generierten W-spezifischen Peptidantiserums weitere in-vitro- und in-vivo-Analysen erfolgen, um dessen Funktion im viralen Replikationszyklus näher zu untersuchen.
Influenza-A-Viren sind wichtige Pathogene von Mensch und Tier. Als Erreger der klassischen Geflügelpest führen hoch-pathogene aviäre Influenzaviren (HPAIV) weltweit zu hohen Verlusten in der Geflügelindustrie. Des Weiteren stellen der zoonotische Charakter und das pandemische Potential, vor allem von Stämmen des Subtyps H5N1, eine ernste gesundheitliche Bedrohung für die Bevölkerung dar. Zur Risikobewertung dieser Viren ist es daher notwendig, genetische Marker zu ermitteln, welche die Virulenz und das Wirtsspektrum beeinflussen. Für die Identifizierung dieser Virulenzdeterminanten sind Pathogenese-Studien in verschiedenen Tiermodellen wie Hühnern und Mäusen essenziell. Bisher wurde gezeigt, dass HPAIV aus niedrig-virulenten Vorläufern durch den Erwerb eines polybasischen Spaltmotives im Hämagglutinin (HA) im Zuge der Adaptation an terrestrisches Geflügel hervorgehen. Im ersten Teil dieser Arbeit sollte daher die Fähigkeit eines niedrig-pathogenen aviären Influenzavirus (LPAIV) vom Subtyp H5N1 zur Ausbildung eines HPAIV-Phänotyps untersucht werden. Dazu wurde das revers-genetische System für das Isolat A/Teal/Germany/Wv632/05 (H5N1) etabliert und das Virus TG05 generiert. In-vitro konnte die Trypsin-Abhängigkeit als Merkmal von LPAIV bestätigt werden. Im Huhn verhielt sich dieses Virus avirulent. Durch zielgerichtete Mutagenese wurde die HA-Spaltstelle in ein polybasisches Motiv mutiert und das Virus TG05poly generiert. Das Virus war wie ein HPAIV zur in-vitro-Replikation ohne Trypsin-Zusatz fähig, löste aber nach der Infektion von Hühnern nur eine zeitlich begrenzte Erkrankung aus. Des Weiteren wurde die HA-Reassortante TG05-HAR65 generiert, deren Genom aus dem HA-Gen des HPAIV-Isolates A/Swan/Germany/R65/06 (H5N1) (R65) und den anderen sieben Gensegmenten von TG05 besteht. Dieses Virus konnte in-vitro ebenfalls Trypsin-unabhängig replizieren, führte aber zu einer Letalität von 30%. Eine weitere Reassortante, R65-HATG05poly, enthielt die umgekehrte Genkonstellation: das mutierte TG05-HA und die anderen Gensegmente des R65. An der Infektion verstarben acht von zehn Hühnern, was der Letalität von „natürlichen“ HPAIV entspricht. Der Erwerb einer polybasischen HA-Spaltstelle ist daher ein notwendiger, aber nicht hinreichender Schritt in der Evolution von LPAIV zu HPAIV. So kann nicht jeder H5- oder H7-LPAIV-Stamm als unmittelbarer HPAIV-Vorläufer dienen. Zusätzlich zur HA-Spaltstelle sind weitere Virulenz-Determinanten im HA selbst, aber auch in den anderen viralen Proteinen, vorhanden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde daher auch der Einfluss der Aminosäuren der unmittelbaren Spaltstellen-Umgebung untersucht. Dazu wurden verschiedene Virus-Mutanten des R65 mit Aminosäure-Substitutionen in der HA-Spaltstelle selbst (Motive ETR und ER) und in ihrer direkten Umgebung (HA-S346V) generiert und hinsichtlich der in-vitro-Replikation und der Virulenz im Huhn untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass HA-346S einen Vorteil für die Replikation von LPAIV und HPAIV vermittelt. T an Position 2 der Spaltstelle unterstützt die Replikation von LPAIV. Bei Erwerb der polybasischen Spaltstelle während der Evolution von LPAIV zu HPAIV müssen also auch die benachbarten Regionen im HA angepasst werden. Die H5N1 HPAIV der Clade 2.2 verbreiteten sich über infizierte Vögel von Südostasien nach Europa, infizierten aber auch eine Vielzahl von Säugerspezies. Normalerweise weisen aviäre Influenzaviren PB2-627E auf; im Gegensatz dazu besitzen die Clade 2.2-Viren PB2-627K, was sonst in humanen Stämmen zu finden ist. Um im dritten Teil dieser Arbeit den Einfluss dieser Mutation auf das breite Wirtspektrum der Clade 2.2-Viren zu untersuchen, wurde im HPAIV-Isolat R65 PB2-627K durch E ersetzt und die Virusmutante R65-PB2K627E generiert. Im Vergleich zu R65 war die Replikation von R65-PB2K627E in Säugerzellen drastisch reduziert, in Vogelzellen replizierten beide Viren jedoch gleich. Des Weiteren führte die Substitution zu einer extrem verringerten Polymerase-Aktivität auf 5% in Säugerzellen, aber nur zu einer vergleichsweise wenig verringerten Aktivität in Vogelzellen. Während die Virulenz im Huhn durch die Mutation nicht verändert wurde, konnte bei der Bestimmung der LD50 in der Maus eine drastische Attenuierung gezeigt werden. Interessanterweise revertierte bereits nach einer Mauspassage PB2-K627E zurück zu K, im Huhn erfolgte diese Reversion aber nicht. Um zu untersuchen, ob andere virale Proteine für diese Reversion notwendig sind, wurden Reassortanten generiert, welche R65-PB2-K627E und ein oder mehrere Gensegmente des R65 im Hintergrund des HPAIV A/Hong Kong/156/97 (H5N1) tragen, welches natürlicherweise PB2-627E besitzt. Mittels Zellkultur-Passagen dieser Reassortanten konnte gezeigt werden, dass die Reversion zu PB2-627K nur in Säugerzellen auftritt, und dass dazu das Nukleoprotein des R65 notwendig ist. Die schnelle Reversion zu PB2-627K in Säugerzellen und in Mäusen zeigt, dass die H5N1 HPAIV der Clade 2.2 in ihrer Evolution möglicherweise mehrere Wirte gehabt haben, zu denen wahrscheinlich auch Säuger gehörten.
Herpesviren nutzen zwei unterschiedliche Zellkompartimente für die Morphogenese. Während der Kapsid-Zusammenbau und die DNA Verpackung im Zellkern stattfinden, erfolgt die weitere Assemblierung im Zytoplasma. Um dorthin zu gelangen muss die Kernmembranbarriere überwunden werden. Hierfür knospen die Nukleokapside an der inneren Kernmembran und erhalten dort eine primäre Virushülle, die allerdings nach Fusion mit der äußeren Kernmembran wieder verloren geht. Für diesen als envelopment-deenvelopment bezeichneten Vorgang ist ein Komplex aus zwei viralen Proteinen notwendig. Er besteht aus pUL34, einem Membranprotein der Kernmembran und dessen Interaktionspartner pUL31. Beide Proteine allein reichen aus, um Membranvesikel von der inneren Kernmembran abzuschnüren. Ziel dieser Arbeit war, diesen nuclear egress weiter zu charakterisieren. Hierfür sollte zunächst geklärt werden, welche Domänen von pUL34 für dessen korrekte Lokalisierung in der Kernmembran und der Interaktion mit dem Komplexpartner pUL31 notwendig sind. Dazu wurden chimäre Proteine aus Teilen des pUL34 und zellulären Proteinen der inneren Kernmembran hergestellt. Die Ergebnisse zeigten, dass die pUL34-Transmembrandomäne keine virusspezifische Funktion besitzt und durch entsprechende Bereiche zellulärer Proteine ausgetauscht werden kann. Auch die Erweiterung der Substitution auf 50 C-terminale Aminosäuren führte zu einem funktionellen Protein, während ein Konstrukt mit einem Austausch von 100 C-terminalen Aminosäuren durch entsprechende Lap2ß Sequenzen den Defekt der PrV-deltaUL34-Deletionsmutante nicht mehr komplementieren konnte. Dennoch war noch immer eine Interaktion mit dem Komplexpartner möglich. Dies zeigte, dass zwischen den C-terminalen Aminosäuren 50 und 100 ein virusspezifischer, funktionell wichtiger Bereich liegt, der in nachfolgenden Arbeiten weiter eingegrenzt werden muss. In früheren Arbeiten konnte gezeigt werden, dass die Aminosäuren 1-162 des PrV pUL34 für die Interaktion mit pUL31 ausreichen. Für das engverwandte HSV-1 konnte dieser Bereich jedoch auf die Aminosäuren 137 und 181 eingegrenzt werden. Um dies für PrV pUL34 näher zu untersuchen wurde das Konstrukt pUL34-LapNT hergestellt, bei dem die 100 N-terminalen Aminosäuren durch Lap2ß Sequenzen ersetzt wurden. Hier zeigte sich jedoch, dass pUL34-LapNT das pUL31 nicht mehr an die innere Kernmembran rekrutieren konnte und folglich den Defekt der PrV-delta UL34-Deletionsmutante nicht mehr komplementierte. Im Gegensatz zu HSV-1 scheinen hier auch die N-terminalen 100 Aminosäuren für die Interaktion mit pUL31 notwendig zu sein. Da die Expression von pUL34 und pUL31 allein ausreicht, um die Bildung von Membranvesikeln von der inneren Kernmembran abzuschnüren, sollte im Weiteren getestet werden, ob auch Kapside in diese Vesikel aufgenommen werden. Da bei Herpesviren die Kapside autokatalytisch gebildet werden und dies bereits für einige Herpesviren über Expression in rekombinanten Baculoviren nachgestellt werden konnte, sollte versucht werden, dies auch für PrV zu etablieren. Dabei sollte die Kapsidbildung über Transduktion in Säugerzellen unabhängig von einer PrV Infektion nachgestellt werden. Hierbei sollte geklärt werden, welche weiteren viralen Proteine, neben den eigentlichen Kapsidproteinen, wie z.B. das pUL17 und pUL25, für den nuclear egress notwendig sind. Obwohl alle Kapsidkomponenten kloniert und auch in Zellen exprimiert werden konnten, konnte keine Kapsidbildung nachgewiesen werden. Die Ursachen hierfür konnten nicht geklärt werden. Auffällig war, dass das Triplexprotein pUL38 in den Baculovirus-transduzierten Zelllysaten ein etwas anderes Laufverhalten als das in Zelllysaten PrV-infizierter Zellen aufwies, dessen Ursache nicht auf der Verwendung eines downstream lokalisierten Startkodons beruhte. Mit Hilfe dieser rekombinanten Baculovirusvektoren konnte jedoch gezeigt werden, dass das Hauptkapsidprotein pUL19 mit dem Gerüstprotein (pUL26 bzw. pUL26.5) und die Triplexproteine pUL18 und pUL38 gemeinsam in den Kern transportiert werden. Die Beteiligung zellulärer Proteine am nuclear egress sollte über siRNA Experimente untersucht werden. In einer vorangegangen Arbeit war gezeigt worden, dass p97, eine zelluläre AAA+ATPase, nach Infektion vermehrt exprimiert wurde. Ziel war es, die p97 Expression über siRNA zu reduzieren und den Effekt auf die Virusinfektion zu untersuchen. Eine erfolgreiche siRNA Studie war bereits für p97 in Rattenzellen publiziert und sollte hier angewandt werden. Leider waren die zur Verfügung stehenden Rattenzelllinien nur sehr ineffizient transfizierbar und zusätzlich auch schlecht mit PrV infizierbar. Das eigene Design und die Anwendung von p97 spezifischer siRNA für Kaninchenzellen zeigte zwar die gewünschte Reduktion der p97 Expression, war jedoch nur sehr schlecht reproduzierbar und konnte daher nicht für aussagekräftige Infektionsversuche verwendet werden.
Die Glykoproteine gB und gH-gL sind bei allen Herpesviren konserviert und wichtig für den Viruseintritt und die direkte Zell-Zell-Ausbreitung. Allerdings kann sich PrV in Abwesenheit von gL noch in einem sehr geringen Ausmaß von Zelle zu Zelle ausbreiten, was Reversionsanalysen durch serielle Zellkultur-Passagen einer gL-negativen PrV-Mutante erlaubt. So konnte in einem Passageexperiment die Revertante PrV-ΔgLPassB4.1 isoliert werden. In der vorliegenden Arbeit wurden die molekularen Grundlagen der gL-unabhängigen Infektiosität von PrV-ΔgLPassB4.1 untersucht. Dabei wurden Mutationen in den Glykoproteinen gB, gH und gD nachgewiesen und deren Auswirkung auf die Proteinfunktion mit Hilfe von transienten Transfektions-Fusionsassays untersucht. Die Aufklärung der Kristallstrukturen eröffnete die Möglichkeit, über zielgerichtete Mutagenese die Funktion von gH-gL besser zu analysieren. Erstaunlich war, dass im gH des Impfstammes PrV-Bartha ein ansonsten hochkonserviertes Prolin durch Serin ersetzt ist. Für dieses Prolin wurde postuliert, dass es für die Ausbildung einer ebenfalls bei allen Herpesviren konservierten Disulfidbrücke notwendig ist. Um den Effekt der Substitution und die Funktion der Disulfidbrücke zu testen, wurden gH Mutanten hergestellt, die entweder Prolin oder Serin an Position 438 oder Serin statt Cystein an Position 404 exprimierten. Diese wurden in transienten Transfektions-Fusionsassays sowie während einer Virusinfektion getestet. Obwohl die Aminosäuresequenzen der gH-Proteine der Herpesviren nur eine geringe Homologie aufweisen, sind die Kristallstrukturen erstaunlich ähnlich. Daher sind konservierte Strukturmotive wie die Disulfidbrücke in der Domäne III, für die eine Bedeutung für die Faltung und Stabilität der Domäne III postuliert wurde, von besonderem Interesse. Um weitere funktionsrelevante konservierte Regionen in Domäne III aufzudecken, welche für die Lokalisierung und Funktion des gH wichtig sein könnten, wurden zunächst Sequenzvergleiche zwischen EBV und PrV gH unter Berücksichtigung der vorhandenen gH-Kristallstrukturen durchgeführt. Hierbei wurden komplexe Interaktionsnetzwerke über Wasserstoffbrückenbindungen zwischen konservierten und benachbarten nicht-konservierten Aminosäuren vorhergesagt. Diese wurden im EBV und PrV gH mutiert und die gH-Proteine anschließend auf ihre Oberflächenexpression und Fusionsfunktion untersucht. Zusätzlich wurden PrV Rekombinanten mit entsprechenden gH-Mutationen hergestellt und charakterisiert.
Molekulare Mechanismen der Adaptation sowie Impfstudien zur Bekämpfung von aviären Influenza-A-Viren
(2010)
Wildvögel stellen die natürlichen Wirte und das Hauptreservoir für Influenza-A-Viren dar. Einige Influenza-Stämme konnten sich zudem an verschiedene Säugetierarten wie Mensch, Schwein oder Pferd anpassen. Die molekularen Mechanismen der Adaptation von Influenza-A-Viren an einen neuen Wirt sind komplex. Sie werden u. a. auf eine modifizierte Interaktion viraler Proteine mit Wirtszellproteinen zurückgeführt, die in Verbindung mit dem Auftreten von Punktmutationen in viralen Proteinen, vor allem den Polymeraseproteinen, steht und zu einer optimierten Replikation von Influenza-A-Viren im neuen Wirt führen kann. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden molekulare Werkzeuge entwickelt, die der Identifizierung wirtsspezifischer Interaktionspartner der viralen Ribonukleoprotein-Komplexe (vRNP) dienen können. Dazu wurden mittels reverser Genetik rekombinante Influenza-A-Viren unterschiedlichen Wirtsspektrums mit einem Strep-tag als Markierung am C-Terminus der Polymerase-Untereinheit PB2 generiert. Zu den verwendeten Viren zählten das humane A/HongKong/1/68 (H3N2), die beiden speziesübergreifenden Viren A/swan/Germany/R65/06 (H5N1) (‚R65‘) sowie A/seal/Massachusetts/1/80 (H7N7) und das aviäre A/duck/Ukraine/1/63 (H3N8). Durch Immunfluoreszenz- und Western-Blot-Analysen wurde die stabile Expression des Strep-PB2-Fusionsproteins in infizierten Zellen bestätigt. Es wurde zudem gezeigt, dass die markierten Viren auf Säuger- und Vogelzellen vergleichbar mit den entsprechenden unmarkierten Viren replizieren. Anhand des Strep-getaggten PB2-Proteins des R65-Virus wurden erfolgreich virale RNP-Komple xe aus infizierten Säuger- und Vogel-Zellen mittels Affinitätschromatographie aufgereinigt und deren vier Protein-Bestandteile PB2, PB1, PA und NP durch MALDI-tof-Massenspektrometrie identifiziert. Die Palette getaggter Viren bildet die Grundlage für weiterführende Studien zur Untersuchung Virus-Wirt-spezifischer Wechselwirkungen, die für den Wirtswechsel und die Adaptation von Influenza-A-Viren entscheidend sein können. Die Entstehung des pandemischen Influenza-Virus A/HongKong/1/68 (H3N2) (‚Hk68‘) geht auf ein Reassortment zwischen dem zuvor zirkulierenden humanen H2N2-Virus und einem aviären H3-Stamm zurück. Hierbei wurden die Segmente des humanen Virus, die für das Rezeptor-bindende Protein Haemagglutinin (HA) und die Polymerase-Untereinheit PB1 kodieren, gegen die entsprechenden Segmente des aviären H3-Virus ausgetauscht. Bei einem Sequenzvergleich zwischen dem Hk68-PB1 und dem PB1 des dem unbekannten aviären Donor nahestehenden Isolates A/duck/Ukraine/1/63 (H3N8) (‚dUk‘) wurden lediglich sechs Unterschiede in der Aminosäuresequenz identifiziert, die möglicherweise Folge der Adaptation des Hk68-Virus an den humanen Wirt sind. Nach dem Einfügen der einzelnen Mutationen in das dUk-PB1 wurden homologe RNP-Komplexe (PB2, PB1 und PA sowie NP von Hk68) und heterologe RNP-Komplexe (PB2, PA, NP von Hk68 und PB1 bzw. PB1-Punktmutante von dUk) in transfizierten Säugerzellen rekonstituiert. Mit Hil fe eines Luciferase-Reportertests konnte gezeigt werden, dass der heterologe Hk68/dUk-PB1-Komplex im Vergleich zum homologen Hk68-Komplex eine um 50% erniedrigte Polymerase-Aktivität aufweist. Dieser negative Effekt konnte durch das Einfügen der Mutation PB1 I12V in das dUk-PB1, aber nicht durch eine der anderen fünf Punktmutationen, vollständig aufgehoben werden. Folglich könnte es sich bei dieser Mutation um eine adaptive Mutation handeln. Untersuchungen an in vitro rekonstituierten RNP-Komplexen anderer Viren konnten diese Theorie unterstützen. Wachstumskinetiken des homologen Hk68- und dUk-Virus sowie von ihnen abgeleiteter PB1-Reassortanten und PB1-Mutanten deuteten ebenfalls auf einen Einfluss von Aminosäureposition 12 im PB1-Protein auf die Virusreplikation hin. Mit Hilfe eines ELISAs durchgeführte Bindungsstudien zwischen den PA-Proteinen verschiedener Influenza-A-Viren und PB1-Peptiden mit Valin oder Isoleucin an Position 12 legten zudem eine Zu- bzw. Abnahme der Af finität zwischen PA und PB1 als Ursache für die veränderte Polymeraseaktivität nahe. Hochpathogene aviäre Influenza-A-Viren (HPAIV) vom Subtyp H5 oder H7 verursachen enorme wirtschaftliche Schäden und stellen eine potentielle Bedrohung für den Menschen dar. Die Entwicklung effektiver Impfstoffe ist deshalb in vielfacher Hinsicht sinnvoll. In der vorliegenden Arbeit wurde mittels reverser Genetik eine Elastase-abhängige Mutante des HPAIV A/swan/Germany/R65/06 (H5N1), genannt R65-E, als potentielle lebend-attenuierte Vakzine erzeugt. Dazu wurde die polybasische Spaltstelle im HA des hochpathogenen Virus gegen eine Spaltstelle für die in vivo kaum verfügbare Protease Elastase ersetzt. In vitro wurde mit Hilfe von Plaquetests, Wachstumskinetiken und Western-Blot-Analysen die strikte Abhängigkeit der R65-E-Replikation und der R65-E-HA-Spaltung von Elastase nachgewiesen. Im Gegensatz zum R65-Wildtyp war die R65-E-Mutante in vivo aufgrund der Abwesenheit von Elastase auf einen Replikationszyklus beschränkt und somit hochgradig attenuiert. Insgesamt erwies sich die R65-E-Mutante im Huhn jedoch als wenig immunogen. So kam es 7 Tage nach okulonasaler Infektion von Eintagsküken lediglich zu einer schwachen zellulären Immunantwort basierend auf CD8+ zytotoxischen T-Zellen in der Milz. Eine Antikörper-Antwort wurde nach o kulonasaler oder in ovo Infektion nur bei jeweils einem von zehn bzw. einem von sieben Tieren induziert. Das Vorhandensein H5-spezifischer Antikörper korrelierte hierbei mit einem Schutz der Tiere gegen eine Belastungsinfektion mit dem homologen HPAIV R65. Gleichermaßen ging die Abwesenheit H5-spezifischer Antikörper bei den übrigen Versuchstieren mit einem letalen Verlauf der homologen R65-Belastungsinfektion einher. Ein partieller Schutz gegen eine heterosubtypische Belastungsinfektion mit dem HPAIV R65-H9R66mutR65 sowie eine reduzierte Virusausscheidung bei einigen Tieren der Boostergruppe, die drei Wochen nach okulonasaler Infektion eine zweite Dosis R65-E erhalten hatten, deuteten auf eine R65-E-induzierte zellvermittelte Schutzwirkung hin. Es ist zu vermuten, dass die R65-E-Mutante in vivo überattenuiert war und aus diesem Grund keine protektive Immunabwehr induzieren konnte. R65-E eignet sich daher nicht als lebend-attenuierte Geflügelvakzine.
Das durch Gnitzen übertragene Schmallenberg-Virus (SBV) wurde erstmals im Herbst 2011 nahe der deutsch-niederländischen Grenze nachgewiesen und hat sich in der Folge rasant in Europa ausgebreitet. SBV gehört zur Simbu-Serogruppe innerhalb des Genus Orthobunyavirus, Familie Bunyaviridae, und stellt das erste in Europa nachgewiesene Virus dieser Serogruppe dar. SBV infiziert hauptsächlich Wiederkäuer, in denen schwere fetale Missbildungen und Aborte ausgelöst werden können, wenn naive Muttertiere in einem kritischen Zeitfenster während der Trächtigkeit infiziert werden. Effiziente Lebendimpfstoffe gegen SBV oder verwandte Simbuviren sind bisher nicht verfügbar.
Für die molekularbiologische Charakterisierung des neu aufgetretenen Virus wurde im Rahmen dieser Arbeit ein reverses genetisches System entwickelt, welches unter anderem für die Generierung von geeigneten attenuierten Lebendvakzinen genutzt werden sollte. In Anlehnung an einen sicheren und effizienten Impfstoffkandidaten gegen das Bunyavirus Rift Valley Fever-Virus wurden SBV-Mutanten mit Deletionen der Nichtstrukturproteine NSs und NSm generiert. Dabei zeigte sich, dass beide Nichtstrukturproteine von SBV für die Entstehung infektiöser Virionen nicht essentiell sind. In einer Impfstudie wurde gezeigt, dass eine einmalige Vakzinierung mit der ΔNSs/ΔNSm-Doppelmutante eine effiziente Immunantwort in Rindern induziert und zum vollständigen Schutz vor einer SBV-Belastungs-Infektion führt. Damit bietet die Doppel-Deletionsmutante eine Basis für die Entwicklung sicherer und effizienter SBV-Lebendimpfstoffe und könnte auch als Modell für weitere Viren der Simbu-Serogruppe und verwandte Orthobunyaviren dienen.
Mit Hilfe zahlreicher neu generierter NSm-Deletionsmutanten wurde das NSm, dessen Funktion bei Orthobunyaviren weitestgehend ungeklärt ist, näher charakterisiert. Dabei konnte gezeigt werden, dass das reife NSm (Domäne II bis V) für das Viruswachstum in Mammalia-Zellkulturen nicht essentiell ist und dass Domäne I die Signalsequenz von Domäne V ersetzen kann.
Mit dem im Rahmen dieser Arbeit etablierten SBV-spezifischen NSm-Antikörper konnte erstmals das NSm eines Virus der Simbu-Serogruppe intrazellulär nachgewiesen werden. Dabei wurde eine Lokalisation des NSm im endoplasmatischen Retikulum und eine von Domäne IV abhängige Ko-lokalisation von SBV-NSm mit dem Glykoprotein Gc im Golgi-Apparat beobachtet
Herpesviren nutzen einen Vesikel-vermittelten Transportweg für die Translokation von Nukleokapsiden aus dem Zellkern, um für die weitere Virusmorphogenese in das Zytoplasma zu gelangen. Den dafür notwendigen Kernfreisetzungskomplex (nuclear egress complex; NEC) bilden zwei konservierte herpesvirale Proteine, die als pUL34 und pUL31 bezeichnet werden. Die Kristallstrukturen der NECs aus verschiedenen Herpesviren zeigten eine stabile Interaktion zwischen der N-terminalen Domäne von pUL31 und dem Kern von pUL34. Darüber hinaus gehören die am stärksten konservierten Reste von pUL31 zu einem Zinkfinger-Motiv (ZNF). Zur Klärung der funktionellen Bedeutung des ZNF-Motivs in PrV pUL31, das aus drei Cysteinen (C73, C89 und C92) der CR1 und einem Histidin (H188) der CR3 besteht, wurden die Cysteine einzeln zu Serinresten und das Histidin H188 zu Alanin substituiert. Funktionelle Analysen der mutierten Proteine, die in vitro mit artifiziellen Membranen und in situ in eukaryotischen Zellen durchgeführt wurden, zeigten, dass das ZNF-Motiv eine wesentliche Voraussetzung für die NEC-Bildung und die notwendige Membranveränderung darstellt. Der N-terminale Bereich von pUL31 und der anderen Homologen ist sehr variabel und wurde daher in den Konstrukten für die Kristallisierung weggelassen. Wie auch einige andere pUL31-Homologe enthält PrV pUL31 ein Kernlokalisationssignal (NLS) im N-Terminus für einen effizienten Kernimport. Neben der Funktionalität des Kernimports scheint dieser spezifische Bereich ebenfalls eine Rolle bei der Freisetzung von Nukleokapsiden aus dem Kernspalt, der Vorbeugung von einer vorzeitigen Komplexbildung im Zytoplasma, der Translokation der reifen Kapside an die INM und bei der Regulierung des envelopment/deenvelopment Prozesses über Phosphorylierung zu spielen. Um zu untersuchen welche zusätzlichen Funktionen der N-terminale Bereich einnimmt, wurde der N-Terminus von PrV pUL31 schrittweise verkürzt. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Aminosäuren 2-13 (pUL31-N14), einschließlich des Hauptteils des vorhergesagten NLS, für die NEC-Bildung und -Funktion entbehrlich sind. Die Deletion von vier zusätzlichen Aminosäuren (pUL31-N18), die alle grundlegenden Patches eliminierte, führte jedoch zu einem defekten Protein. Die vollständige Deletion der 25 N-terminalen Aminosäuren zeigte in Gegenwart von Wildtyp pUL31 eine Inhibierung des Kernaustritts. pUL31-N18, was überwiegend im Zytoplasma gefunden wurde, zeigte keinen dominant-negativen Effekt. Die Phosphorylierung der beiden vorhergesagten Stellen im N-Terminus von PrV pUL31 (S12/S13) spielt offensichtlich keine Rolle beim Kernaustritt. Die Titer von PrV-Mutanten denen pUL34 oder pUL31 fehlt, werden drastisch reduziert, jedoch die Freisetzung infektiöser Nachkommen nicht komplett inhibiert, was auf einen alternativen Austrittsweg hinweist. Wiederholtes Passagieren dieser Mutanten führte zu Revertanten, die eine Wildtyp-ähnliche Replikation wiedererlangten. PrV-ΔUL34Pass und PrV-ΔUL31Pass umgingen dabei den vesikulären Transportweg durch das Induzieren einer Fragmentierung der Zellkernmembran (NEBD). Um zu testen, ob CDKs eine Rolle im viral induzierten NEBD spielen, wurden Wildtyp- (wt) oder dominant-negative (DN) Versionen der zellulären CDKs 1-6 getestet. In Gegenwart von CDK2DN wurden die Titer für beide Viren signifikant reduziert. Ultrastrukturelle Analysen zeigten, dass die Freisetzung von PrV-Ka primären Virionen aus dem perinukleären Raum beeinträchtigt oder verzögert war und NEBD nur selten in PrV-ΔUL34Pass-ΔgG-CDK2DN-infizierten Zellen beobachtet wurde. Die genaue Zusammensetzung der primären Virionen sowie der Maschinerie für die Verschmelzung der primären Hülle mit der äußeren Kernmembran sind nicht bekannt. Um virale und/oder zelluläre Proteine und andere primäre Virion-Komponenten zu identifizieren, sollen primär umhüllte Virionen aus dem perinukleären Raum isoliert und durch Massenspektrometrie analysiert werden. Da die Reinigung der primären Virionen aus dem perinukleären Raum nicht ganz einfach ist, wurde das membranverankerte pUL34 mit verschiedenen Affinitätsmarken markiert. Vier markierte pUL34-Konstrukte wurden nach Transfektion und Infektion generiert und getestet. Drei von ihnen erwiesen sich als funktionell während des herpesviralen Kernaustritts und es konnten stabil exprimierende Zelllinien hergestellt werden. Diese Zelllinien bilden nun eine solide Grundlage für weitere Experimente, um zuverlässige Protokolle für die Reinigung von primären Virionen aus dem perinukleären Raum zu etablieren.
Von den bisher beschriebenen atypischen Pestiviren ist das Bungowannah-Virus das genetisch und antigenetisch am weitesten von den klassischen Pestiviren entfernte Virus-Isolat. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde das N-terminale Protease-Protein Npro des Bungowannah-Virus analysiert und charakterisiert. Es konnte die volle funktionelle Kompatibilität des Bungowannah-Virus-Npro in einem BVDV-1-Hintergrund (vCP7_Npro-Bungo) demonstriert werden. Trotz einer sehr geringen Aminosäuresequenzidentität von Bungowannah-Virus-Npro und CP7-Npro zeigten das parentale BVDV-1 CP7 sowie das neu generierte Virus vCP7_Npro-Bungo ein vergleichbares Replikationsverhalten in bovinen Zellen. Es konnte außerdem nachgewiesen werden, dass das Bungowannah-Virus-Npro die Funktionen des CP7-Npro als Autoprotease, aber auch als Interferon-Antagonist, vollständig übernehmen kann und sich demnach trotz der großen Sequenzunterschiede nicht von den pestiviralen Npro-Proteinen der klassischen Spezies innerhalb des Genus unterscheidet. Im zweiten Teil der Arbeit wurde der Zelltropismus des Bungowannah-Virus analysiert. Vergleichende Studien erfolgten mit ausgewählten klassischen (BVDV-1, BVDV-2) und atypischen Pestiviren (HoBi-Virus, Giraffe-Virus und Pronghorn Antilope-Virus). Dabei zeigte das Bungowannah-Virus den breitesten Zelltropismus und war im Gegensatz zu den anderen Pestiviren in der Lage, Primaten-, Fledermaus-, Human- und Mauszellen zu infizieren und dort zu replizieren. Um die Bedeutung der Virushülle für den außergewöhnlichen in vitro-Zelltropismus des Bungowannah-Virus zu untersuchen, wurde mittels heterologer Komplementierung ein chimäres rekombinantes Virus generiert, in dem die BVDV-Strukturproteine (C, Erns, E1 und E2) durch die des Bungowannah-Virus substituiert wurden (vCP7_C-E2-Bungo). Mit Hilfe der Chimäre konnte demonstriert werden, dass die Virushülle des Bungowannah-Virus allein nicht ausreicht, um den erweiterten Zelltropismus auf BVDV zu übertragen. Einzig das Bungowannah-Virus war in der Lage, effizient in Affen-, Fledermaus- und Humanzellen zu replizieren. In einigen Zelllinien (Zellen der Westlichen Grünen Meerkatze, Human- und Fledermauszellen) ist daher nicht die Virushülle allein, sondern vielmehr das Zusammenspiel des Replikationskomplexes mit den Strukturproteinen entscheidend. Die Empfänglichkeit von Fledermauszellen für das Bungowannah-Virus und die darüber hinaus erreichten hohen Virustiter in diesen Kulturen werfen die Frage nach einem möglichen Ursprung des Bungowannah-Virus in der Ordnung Chiroptera auf. Möglicherweise kam es zu einer Spill-over-Infektion und schnellen Anpassung des Erregers an Vertreter der Ordnung Artiodactyla. Da bislang keine monoklonalen Antikörper zum Nachweis von Bungowannah-Virus-Proteinen existierten, wurden am FLI neu etablierte monoklonale Antikörper auf ihre Proteinspezifität untersucht. Die Charakterisierung dieser Bungowannah-Virus-spezifischen monoklonalen Antikörper unter der Verwendung verschiedener chimärer Pestiviren erlaubte die Identifizierung von 18 Bungowannah-Virus-Erns- und einem Bungowannah-Virus-E2-spezifischen monoklonalen Antikörper. Diese sind wichtige Werkzeuge für zukünftige wissenschaftliche Untersuchungen und für die Etablierung einer einfachen und effizienten Bungowannah-Virus-Diagnostik, welche bei einem erneuten Ausbruch des Virus in australischen Schweinehaltungen oder in anderen Regionen der Welt von großer Bedeutung sein kann.
In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene grundlegende Ansätze zur Prävention der Afrikanischen Schweinepest entwickelt und teilweise evaluiert. Die ersten beiden befassten sich mit der Impfstoffentwicklung, wobei einerseits eine vektorbasierte Strategie verfolgt und zum anderen auf eine attenuierte ASPV Lebendvakzine hingearbeitet wurde. Die dritte Herangehensweise war auf die Inhibierung der viralen Replikation in Schweinezellen mittels CRISPR/Cas9 fokussiert, um Hinweise auf die generelle Anwendbarkeit des Systems in transgenen Schweinen zu gewinnen.
Der Pseudorabies-Virus Impfstamm Bartha (PrV-Ba) wurde als potenzieller Vektor für die Expression von ASPV-Antigenen im Schwein gewählt. Dazu wurde zunächst eine Methode etabliert, mit der PrV-Rekombinanten effizient generiert werden konnten. Dabei erwies sich die Verwendung eines artifiziellen bakteriellen Chromosoms (BAC), welches das infektiöse PrV-Genom enthielt, als hilfreich. In diesem wurde ein essentielles PrV-Gen inaktiviert, dass dann durch homologe Rekombination mit einem Transferplasmid in co-transfizierten Säugerzellen rekonstituiert werden konnte. Durch gleichzeitiges CRISPR/Cas9-vermitteltes Schneiden der BAC-DNA am gewünschten Insertionsort konnte die Rekombinationsrate weiter gesteigert werden. Diese Strategie wurde anschließend für die Insertion verschiedener ASPV Gene in das PrV-Genom genutzt, wobei unterschiedliche Promotoren und Kodonoptimierungen getestet wurden. In den meisten Fällen konnten durch Verwendung des CAG-Promotors und eine Kodonadaptation an porcine Gene die höchsten Expressionsraten erreicht werden. Somit wurde eine Methode entwickelt, mit der prinzipiell alle ASPV Gene im PrV Vektorsystem exprimiert und in Impfstudien getestet werden könnten.
In der zweiten Untersuchung wurden zwei Proteine des ASPV mittels monospezifischer Antiseren näher charakterisiert und ASPV-Deletionsmutanten generiert, um Hinweise auf die Funktionen der Proteine zu erhalten. Bei diesen Proteinen handelte es sich um p285L und pK145R. Sie wurden anhand von Daten aus einer vorhergehenden Proteomanalyse von Keßler et al. (2018) ausgewählt, da sie in großen Mengen in ASPV infizierten Zellen nachgewiesen wurden und deshalb wichtige Funktionen (beispielweise auch Virulenz-determinierende Funktionen) haben könnten. Bei p285L handelt es sich um ein früh exprimiertes Virionprotein, das zunächst in den sogenannten Virusfabriken infizierter Wildschweinlungenzellen (WSL) akkumuliert. pK145R ist ein spätes ASPV Protein, das in Virionen nicht nachweisbar ist und eine diffuse Verteilung im Zytoplasma infizierter Zellen zeigt. Beide Proteine sind für die Virusreplikation nicht essentiell, und ihre Deletion führte zu keiner (285L) oder einer nur mäßigen (K145R) Titerreduktion in infizierten WSL Zellen oder primären Blutzellkulturen (PBMC). Durch in vivo Analysen der Deletionsmutanten muss nun geklärt werden, ob p285L und pK145R für die Virulenz bzw. die Wechselwirkung von ASPV mit dem Wirtsimmunsystem wichtig sind und ob sich die Mutanten deshalb als lebend attenuierte Impfstoffe eignen könnten.
In der dritten Studie wurde untersucht, ob das CRISPR/Cas9 System zur Inhibition der ASPV Infektion in vitro geeignet ist. Dazu wurden WSL-Zelllinien generiert, die Cas9 und verschiedene sgRNAs konstitutiv exprimierten. Durch die Expression einer sgRNA gegen das Gen des ASPV Phosphoproteins p30 (CP204L) wurde die Virusreplikation nahezu komplett inhibiert. Die Spezifität des Effektes konnte durch parallele Versuche mit einem Virusisolat, dessen Zielsequenz nicht mit der genutzten sgRNA Sequenz übereinstimmte, gezeigt werden. Dieses ASPV Isolat konnte im Gegensatz zum Virus mit der passenden Zielsequenz in den rekombinanten Zellen genauso gut replizieren, wie in nicht modifizierten Zellen. Zudem wurde die Spezifität durch die Analyse von sporadisch auftretenden Escape-Mutanten bestätigt, die verschiedene Basenaustausche in der Zielsequenz aufwiesen. Somit konnte gezeigt werden, dass das CRISPR/Cas9 System eine effiziente Inhibition der ASPV Replikation in Zellkultur bewirken kann und deshalb möglicherweise auch in entsprechenden transgenen Schweinen eine Resistenz gegen letale ASPV-Infektionen vermitteln könnte.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in allen drei Studien grundlegende Experimente erfolgreich durchgeführt wurden, die zur Prävention der Afrikanischen Schweinepest beitragen können.
Molekular-epidemiologische Untersuchungen veterinärmedizinisch relevanter Pathogene beruhen auf der Auswertung und Einordnung verlässlicher und detailreicher Sequenzinformationen. In den letzten Jahren haben sich die Sequenziermethoden des sogenannten Next-Generation Sequencing (NGS) kontinuierlich weiterentwickelt, so dass nun Nukleinsäureproben unterschiedlichster Herkunft zur Volllängensequenzierung viraler Genome herangezogen werden können. Des Weiteren sind Metagenomanalysen möglich geworden, d.h. die Untersuchung der Zusammensetzung der Organismenpopulation in einer Probe durch Sequenzierung der gesamten Nukleinsäurepopulation. Letzteres erlaubt auch die Untersuchung viraler Varianten in einer Probe (Quasispeziesanalysen). Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden NGS-Methoden und Arbeitsabläufe zur Ausnutzung metagenomischer Datensätze optimiert, verfeinert und nachfolgend in praxisrelevanten Studien zu Lyssa- und Coronaviren erprobt. In einer ersten Studie zur Charakterisierung des neu entdeckten Bokeloh Fledermaus-Lyssavirus konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, akkurate Volllängensequenzinformationen direkt aus Zellkulturüberständen zu generieren, die nicht nur die mittels der klassischen Kettenabbruch-Synthese generierten Daten bestätigen, sondern darüber hinaus auch virale Varianten aufzeigen. Eine detaillierte, hochauflösende Variantenanalyse (Tiefensequenzierung) lag im Fokus einer weiteren Studie zu Lyssaviren. Hier wurden kommerzielle Oralimpfstoffe gegen die Tollwut und ihre Ausgangsvirusstämme hinsichtlich ihrer Quasispezieszusammensetzung untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Tiefensequenzierung einen wichtigen Beitrag zur Qualitätskontrolle (Stammidentität und -stabilität) eines Lebendimpfstoffes liefern kann, der in den Lizensierungsprozess eingebunden werden könnte. Dabei ist die Analyse auf Ebene der viralen Gesamtpopulation der Auswertung auf Konsensusebene überlegen. Metagenomische Datensätze erlauben nicht nur die Analyse viraler Populationen, es sind auch Wirtsinformationen ableitbar. Die kombinierte Auswertung viraler und wirtsspezifischer Informationen erlaubte eine phylogeographische Studie zur genetischen Diversität arktischer Tollwutviren und ihrer Reservoirwirte. Die Methode konnte erfolgreich angewendet werden um zu zeigen, dass es zwar eine räumliche Populationsstruktur bei den untersuchten Polarfüchsen gibt, diese jedoch nicht mit unabhängigen Tollwutvirusvarianten assoziiert werden können. Neben den oben genannten Lyssavirusprojekten waren zwei Studien zum Virus der porzinen epidemischen Diarrhoe Teil der vorliegenden Arbeit. Metagenomische Datensätze wurden verwendet, um Volllängensequenzen abzuleiten und diese phylogenetischen Detailanalysen und Netzwerk-Untersuchungen zu unterziehen. Außerdem konnten die Datensätze verwendet werden, um virale und bakterielle Koinfektionen zu untersuchen, die möglicherweise einen Einfluss auf die Schwere der Erkrankung gehabt haben könnten. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass uns die optimierten NGS-Methoden in die Lage versetzen, metagenomische Datensätze zu nutzen, um nicht nur unverfälschte Volllängensequenzen für phylogenetische Detailanalysen zu generieren, sondern auch Quasispezies-Analysen durchzuführen sowie Wirts- und Virusfaktoren vergleichend zu untersuchen.
In this study the potential of molecular RT-PCR based methods for diagnostic or epidemiological investigations concerning negative-sense RNA viruses should be demonstrated exemplary for orthobunyaviruses (segmented genome) and lyssaviruses (non segmented genome). The recent discovery of a novel orthobunyavirus from the Simbu serogroup, Schmallenberg virus (SBV), via next generation sequencing and metagenome analysis led to the development of novel molecular detection methods. Due to the potential emergence of further orthobunyaviruses from the Simbu serogroup, a generic pan-Simbu real-time RT-PCR system was developed. This system was able to detect all tested Simbu serogroup viruses. As additional feature a species classification via sequencing is possible. Moreover, the novel pan-Simbu real-time RT-PCR system seems to offer a broad detection spectrum for orthobunyaviruses in general. Hence, this protocol allows a broad screening of samples predominantly for Simbu serogroup virus genomes but also might allow the identification of some related orthobunyaviruses in mammalian or insect samples. A comparison of the pan-Simbu real-time RT-PCR system with diagnostic real-time RT-PCRs revealed an overall higher sensitivity of the diagnostic assays for SBV detection. The diagnostic SBV-S3 assay convinced with the highest sensitivity and reliability for SBV detection. Additionally, the SBV-M1 assay turned out as highly specific for SBV and therefore is a valuable tool for a precise diagnosis in geographical regions where multiple orthobunyaviruses are endemic. Furthermore, the SBV genome diversity in Germany was investigated using a molecular epidemiological approach. Genome variability was extremely high in the N-terminal region of the putative envelope glycoprotein Gc which might have an impact on immunogenicity or host-cell infection. Phylogenetic analyses indicated that sequence variation is independent of host species and geographical distribution. In contrast to SBV as a novel pathogen, rabies encephalitis (caused by the prototype lyssavirus Rabies virus) is known for more than 4000 years. Thus numerous molecular techniques have been developed for lyssavirus detection, considering the diversity of this genus they all have certain limitations as regards their diagnostic range. Results of a lyssavirus ring trial among European laboratories indicate that RT-PCR could be a highly reliable diagnostic tool if at least two independent tests with broad diagnostic range are applied. Another approach suggested that a change from two-step to one-step PCR strategy or a variation of the RT-chemistry may have a remarkable influence on assay performance. However, no ultimate approach or strategy has been found yet, that would facilitate rabies routine diagnosis or epidemiological surveys on molecular grounds. Thus, there is a need for a potent, reliable and practical system for lyssavirus diagnosis and characterization, suitable as a second diagnostic line next to classical techniques like the fluorescent antibody test. For this purpose a diagnostic two level cascade protocol was developed with emphasis on the most relevant European lyssaviruses. On a first level two independent generic pan-lyssavirus screening assays, targeting different genomic regions, were applied. On a second level two probe-based species-specific multiplex PCR systems for the rapid classification of European lyssaviruses were used. All applied assays displayed an overall highly sensitive and specific detection with an excellent reproducibility and repeatability. Moreover, the diagnostic cascade protocol combines all known advantages of the real-time PCR technology including speed and reduced risk of cross-contamination with improved safety of molecular testing based on a double-check strategy for the screening as well as the confirmatory assays. In the frame of the second Bokeloh bat lyssavirus case in a German bat, the capability of real-time PCR for the quantification of viral loads was demonstrated. Another convenient example for the potential of molecular RT-PCR based methods is the epidemiological investigation of the rabies epizootic in Namibian kudu antelopes. Phylogenetic analyses of a 602 bp fragment of the nucleoprotein gene indicated a separate grouping of the Rabies virus (RABV) isolates from kudu apart from RABV isolates from jackals. Full genome sequencing revealed unique mutations in the glycoprotein gene of RABV isolates from kudu, suggesting an independent rabies cycle in Namibian kudu antelopes. All given examples were used to illustrate the application spectrum of molecular RT-PCR based methods for diagnostic or epidemiological purposes. The advantages of molecular techniques were emphasized and in particular real-time RT-PCR systems proved their fitness for purpose and appear to represent standard techniques for the next decade.
Innerhalb der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Bakterien- und Hefestämme der Stammsammlung Biologie des Institutes für Mikrobiologie der Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald (SBUG) auf einen Umsatz von 9H-Carbazol untersucht. Neben Ralstonia spec. SBUG 290, Rhodococcus erythropolis SBUG 271 sowie den zwei im Rahmen dieser Arbeit als Pseudomonas putida identifizierten Stämmen SBUG 272 und SBUG 295 zählten zu den Bakterienstämmen 22 weitere noch nicht abschließend charakterisierte Isolate. Die geprüften Hefestämme umfassten neben 7 Vertretern der Gattung Trichosporon auch 19 nicht identifizierte Stämme. Basierend auf der für diese Mikroorganismen bereits nachgewiesenen Verwertung von Biphenyl beziehungsweise Dibenzofuran bestand die Hypothese, dass diese Stämme aufgrund von Strukturanalogien der Substrate auch in der Lage sind, weitere Heterozyklen zu transformieren. Angesichts des sehr breiten pharmakologischen Wirkungs- und Anwendungsspektrums von Carbazol-Derivaten wurde primär geprüft, inwieweit sich mit Hilfe dieser spezialisierten Mikroorganismen hydroxylierte Carbazol-Derivate als Ausgangssubstanzen für spätere Synthesen herstellen lassen. Da die verwendeten Bakterien im Gegensatz zu den Hefen zu einer Transformation von 9H-Carbazol befähigt waren, wurden mit diesen Stämmen Untersuchungen zur mikrobiellen Transformation von insgesamt 9 zusätzlichen stickstoffhaltigen Biarylverbindungen (2,3,4,9-Tetrahydro-1H-carbazol, 9-Methyl-9H-carbazol, Carbazol-9-yl-methanol, Carbazol-9-yl-essigsäure, 3-Carbazol-9-yl-propionsäure, 2-Carbazol-9-yl-ethanol, Acridin, 10H-Acridin-9-on, Phenazin) durchgeführt. Aufgrund der im Unterschied zu bisherigen Publikationen zum Umsatz von Biarylen festgestellten abweichenden Produktbildung bei Inkubation mit 9H-Carbazol wurden die Bakterienstämme für vergleichende Analysen ebenfalls auf die Transformation von Dibenzothiophen sowie 9H-Fluoren geprüft. Insgesamt wurden bei der Transformation der getesteten Biarylverbindungen 55 Produkte untersucht, von denen 34 bislang für Bakterien noch nicht beschrieben wurden. Basierend auf GCMS-, LCMS- und NMR-Analysen konnten insgesamt 29 Verbindungen identifiziert und für 14 Transformationsprodukte anhand der erhaltenen Daten vorläufige Strukturvorschläge unterbreitet werden. Zusätzlich wurde im Rahmen dieser Arbeit für weitere 8 der in den Versuchen gebildeten Produkte bereits eine erste strukturanalytische Charakterisierung vorgenommen. In weiterführenden Versuchen wurden die durch die Bakterienstämme gebildeten Produkte als Substrate eingesetzt, um zu analysieren auf welche Weise die über primäre Hydroxylierungsreaktionen hinausgehenden Transformationen dieser Substanzen erfolgen. Dazu wurden, in erster Linie am Beispiel von Ralstonia spec. SBUG 290, insgesamt 28 der gebildeten Produkte auf einen weiteren Umsatz geprüft, darunter 14 Substanzen, die kommerziell nicht verfügbar sind und daher zuvor in größeren Mengen aus den Transformationsansätzen gereinigt wurden. Basierend auf diesen Untersuchungen konnten schließlich anhand der nachgewiesenen Produkte Aussagen zu den durch die Stämme katalysierten Transformationswegen abgeleitet werden. In Versuchen mit dem rekombinanten Stamm Escherichia coli DH5alpha SBUG 1575, der die Gene bphA1–A3 der Biphenyl-2,3-dioxygenase aus Ralstonia spec. SBUG 290 trägt, wurde die Beteiligung dieses Enzyms am Umsatz der eingesetzten Biarylverbindungen untersucht.
A significant fraction of the decaying algal biomass in marine ecosystems is expected to be mineralized by particle-associated (PA) heterotrophic bacterial communities, which are thus greatly contributing to large-scale carbon fluxes. Whilst numerous studies have investigated the succession of free-living (FL) marine bacteria, the community structure and functionality of PA bacterial communities remained largely unexplored and knowledge on specific contributions of these microorganisms to carbon cycling is still surprisingly limited. This has mostly been due to technical problems, i.e., caused by the enormous complexity of marine particles and the high abundance of eukaryotic microorganisms within these particles. This thesis presents (a) an optimized metaproteomics protocol for an in-depth characterization of marine PA bacteria, (b) an application example with FL and PA communities sampled during a spring phytoplankton bloom in 2009 in the North Sea, which confirmed the reliability of the optimized metaproteomic workflow, (c) the metaproteomic analysis of particulate communities sampled during a spring phytoplankton bloom in 2018, resulting in an as yet unprecedented number of identified protein groups of the bacterial response bloom and (d) a proteomic analysis of a PA bacterial isolate grown on the two naturally abundant marine polysaccharides laminarin and alginate. The observed succession of bacterial clades during metaproteomic analyses of the investigated blooms highlights individual niche occupations, also visible on genus level. Additionally, functional data shows evidence for the degradation of different marine polysaccharides e.g., laminarin, alginate and xylan supporting the important role of PA bacteria during the turnover of oceanic organic matter. Furthermore, most of the identified functions fit well with the current understanding of the ecology of an algal- or surface-associated microbial community, additionally highlighting the importance of phytoplankton-bacterial interactions in the oceans. More detailed insights into the metabolism of PA bacteria were gained by the proteomic characterization of a selected PA bacterial isolate grown on laminarin and alginate. Functional analyses of the identified proteins suggested that PA bacteria employ more diverse degradation systems partially different from the strategies used by FL bacteria.
Das Afrikanische Schweinepestvirus (ASPV) ist ein wirtschaftlich wichtiger und in Haus- und Wildschweinen Hämorrhagie mit hoher Sterblichkeitsrate verursachender viraler Erreger.
1921 erstmals in Kenia beschrieben, breitete sich die ASP seit 2007 auch über den
Kaukasus, ins Baltikum (2014), weiter in europäische und asiatische Länder und seit 2020 in Deutschland aus. Trotz der hohen genetischen Stabilität des Afrikanischen
Schweinepestvirus (ASPV) wurden Genomvarianten identifiziert, bei denen Unterschiede
in der Genexpression von Multigenfamilien (MGF) dominieren. Letztlich divergieren ASPV-Stämme in ihrer Virulenz und verursachen akut-letale bis chronische Verläufe im Schwein. Aufgrund der enormen Komplexität des Virus und seiner vielfältigen
Immunevasionsstrategien sind viele Mechanismen der Virus-Wirts-Interaktion, die zur
Immunpathogenese beitragen, nicht ausreichend verstanden und erschweren somit die
Impfstoffentwicklung. Dabei können virale Subversionsmechanismen der Wirtszelle die
antivirale Immunantwort modulieren und stehen deshalb im Fokus dieser Arbeit. Zur
Charakterisierung und mechanistischen Aufklärung dieser ASPV-spezifischen
Immunsubversionsmechanismen wurden primäre porzine Monozyten von Hausschweinen
mit hochvirulentem (Armenia) und natürlich-attenuiertem (Estonia) ASPV infiziert. Die
Resultate ergaben sowohl stammunabhängige als auch -abhängige Unterschiede in der
Regulation myeloider Oberflächenmarker infizierter Monozyten. Insbesondere
beobachteten wir eine stammunabhängige Suppression des Phagozytose-regulierenden
CD172a und eine stammabhängige Regulation von porzinem MHC I (SLA I). Weitere
Experimente zur Untersuchung der zugrundeliegenden Mechanismen ergaben, dass zwar
beide Stämme die Oberflächenexpression von CD172 unterdrücken, jedoch nur Armenia-,
im Gegensatz zu Estonia-infizierten Monozyten, eine reduzierte Recyclingrate sowie eine Abspaltung (Shedding) von CD172a von der Zelloberfläche zeigten. Dies lässt vermuten, dass die Virus-vermittelte Suppression von CD172a der beiden ASPV-Stämme auf unterschiedlichen Subversionsmechanismen beruht. Reinfektionsexperimente und
molekularbiologische Untersuchungen belegten zudem, dass das abgespaltene
Oberflächen-CD172a der Armenia-infizierten Monozyten mit einer gesteigerten
Infektionsrate einhergeht, dies ist wahrscheinlich das Ergebnis (entweder direkt oder indirekt) einer Komplexbildung zwischen dem virulenten Armenia-Virus und löslichem
CD172a. Im Gegensatz dazu resultierte die Infektion von Monozyten mit Armenia, jedoch nicht mit Estonia, in einem deutlichen Oberflächenverlust von porzinem SLA I, welches für die Antigenpräsentation gegenüber CD8+ T-Zellen essentiell ist. Weitere Versuche zeigten einen Reifungsdefekt von SLA I, der mit dem Abbau funktioneller ER-Strukturen und der Induktion von ER-Stress in Armenia-infizierten Monozyten in Zusammenhang stand. Gleichzeitig wurde eine deutlich reduzierte Überlebensfähigkeit Armenia-infizierter Monozyten beobachtet, die mit einem Verlust mitochondrialer Funktionen und der Bildung von Aggresomen aus fehlgefalteten Proteinen im Zytoplasma einherging. Vertiefende Analysen dazu zeigten einen Caspase-3 aktivierten Zelltodmechanismus und ein infektionsbedingtes, progressives Abschalten der Proteintranslation in Armenia-infizierten Zellen. Um einen möglichen Zusammenhang zwischen den beobachteten
Subversionsmechanismen und der Expression bestimmter viraler MGF-Gene zu finden,
wurden weitere ASPV-Stämme in die Untersuchungen zur CD172a- und SLA I-Oberflächenexpression einbezogen. Ähnlich wie Armenia zeigte sich auch für die Stämme
NHV und OURT88/3 eine deutliche Reduktion der SLA I-Oberflächenlevel, auch wenn diese
in vivo gering-virulent sind. Andererseits zeigte das hochvirulente Benin97/1-Isolat im Gegensatz zu Armenia keine SLA I-Subversion, sondern ähnlich wie nach Estonia-Infektion kaum veränderte SLA I-Level, was vermuten lässt, dass der SLA I Subversionsmechanismus nicht alleinig den Virulenzgrad der ASPV-Stämme bestimmt. Ein direkter Genomvergleich identifizierte verschiedene Mitglieder der MGF110- und MGF505-Gene als möglicherweise beteiligte virale Genkandidaten. Im Gegensatz hierzu ergaben sich keine detektierbaren Unterschiede bei den Analysen zur Oberflächensuppression von CD172a innerhalb der verwendeten Isolate, wie bereits bei Armenia und Estonia Infektion beobachtet. Interessanterweise beobachteten wir dabei das Vorhandensein von MGF110-14 als eine genomische Gemeinsamkeit, die für die generelle Oberflächenreduktion von CD172a, zusätzlich zu anderen Genen, die ein Shedding und die Armenia-spezifische Interaktion bestimmen könnten, verantwortlich sein könnte.
Insgesamt zeigen die Resultate dieser Arbeit erstmals, dass das virulente ASPV Armenia, anders als das attenuierte ASPV Estonia, einen ausgeprägten Funktions- und Vitalitätsverlust in seinen primären Zielzellen (z. B. Monozyten) bewirkt. Die gesteigerte Infektiosität, Induktion von zellulärem Stress und Beeinträchtigung der SLA I-vermittelten Antigenpräsentation werden in infizierten Schweinen eine entscheidende Rolle in der Virus-Verbreitung und der Immunevasion spielen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Befunde dieser Arbeit neue und vertiefte Einblicke in die zellulären Mechanismen der SLA I- und CD172a-Subversion im Zusammenhang mit der Immunevasion durch hoch-virulentes ASPV Armenia und attenuiertes ASPV Estonia gibt und zudem wichtig für das bessere Verständnis der ASP-Immunpathogenese sind.
Mass spectrometry-based Proteome analysis of porcine cells infected with African swine fever virus
(2023)
ASFV, a highly contagious, pathogenic and lethal pathogen of swine, poses a major threat to domestic and wild suids worldwide as neither vaccines nor treatments are available. Compared to other well-characterized similarly complex viruses like herpesviruses or adenoviruses, the understanding of ASFV biology is poor.
To improve the understanding of ASFV biology, following the establishment of a robust protocol for the isolation of primary monocyte-derived porcine macrophages (moMΦ) and their infection with ASFV for mass spectrometry (MS)-based proteome analysis was performed.
Under both conditions, naïve and infected, the isolated cells showed cell type-specific characteristics like phagocytosis and antigen presentation and protein expression patterns, including the expression of swine leucocyte antigens and CD markers. Furthermore, moMΦ could be reproducibly infected with ASFV isolates of different genotypes and pathogenicity.
The ASFV protein expression patterns in moMΦ correlate well with those observed in established cell lines at transcript and protein level. The expression of 27 ASFV proteins was confirmed at the protein level. Among them, 9 members of multi-gene families (MGF) and 12 novel open reading frames (nORFs) were recently predicted based on transcription start site mapping.
The direct comparison of closely related ASFV genotype II isolates revealed no virulence-associated protein expression patterns beyond those expected based on the genome sequences of the isolates.
Using different MS quantification strategies, it was shown that ASFV affects both static protein expression levels and protein synthesis. These changes in protein expression impact proteins and pathways known to be targeted by ASFV, including CD-markers, ER-stress and cell death pathways, and cellular antiviral responses. Beyond these observations that further validated the moMΦ infection model, novel effects of the ASFV infection on the cellular proteome were noticed.
These effects include the decreased expression levels of cathepsins, especially cathepsins D (CTSD), H (CTSH) and L (CTSL) as well as the transient activation of MAPK14/p38 prior to its strong downregulation. In addition to MAPK14/p38 further members of the MAPK14/p38 signaling pathway, like MAPKAPK2, were affected by ASFV infection.
As these modulations of the cellular proteome would in general result in decreased pro-inflammatory responses, it did stand out that the synthesis of interferon-response related genes including MX1 and ISG15 evaded the ASFV-induced global reduction of protein synthesis. In contrast, the synthesis of genes involved in RNA processing and splicing was significantly impaired. In total, the regulations of individual host proteins assessed in the context of the whole cellular proteome integrate well with each other and other cellular responses to ASFV infection and may help to improve the understanding of host-virus interactions.
Overall, this thesis provides novel insights into the expression of ASFV-encoded ORFs of different isolates and the host response to ASFV infection. It points out that the current knowledge of the ASFV coding capacity, temporal protein expression patterns, protein functionality, post-translational modifications and host interactions is still sketchy as many aspects of ASFV replication have yet to be understood. The established moMΦ-model to study ASFV infections in vitro provides a powerful tool for future applications to increase the understanding of ASFV biology.
Deciphering the entire protein complement of a living cell together with the elucidation of dynamic processes on protein level are the main goals of proteomics as it is used today. To achieve this goal, namely the elucidation of dynamic processes of the entire bacterial cell, we have developed strategies and distinct workflows to cover the most proteins in different subcellular localizations in bacteria together with a stable isotopes labeling approach to follow temporal and spatial changes in different proteomic subfractions. In this work, it has been shown that the use of mass spectrometry based in vivo quantitation techniques and the application of subcellular and chromatographic fractionation has lead to a new level of qualitative and quantitative proteomics data. Emphasizing on the studies revealing the dynamics of the bacterial physiology on a time resolved base, both spatial and temporal processes can be monitored to obtain knowledge on physiological processes in a depth that has not been reached before in comparable global studies.
Posttranslational modifications are involved in the regulation of virtually all cellular processes, including immune response, nevertheless, they are also targets manipulated by invading pathogens. The first investigated example is protein citrullination which is an important posttranslational modification that acts on a multitude of processes like supervision of cell pluripotency and rheumatoid arthritis. Citrullination of targeted arginine residues is performed by the Peptidylarginine deiminase. Within the first published manuscript, being part of this thesis, it was possible to show the use of this posttranslational modification by the human pathogen Porphyromonas gingivalis to facilitate innate immune evasion at three distinct level. P. gingivalis was demonstrated to citrullinate proteins by Porphyromonas peptidylarginine deiminase resulting in diminished phagocytosis and subsequent killing by neutrophils. Furthermore, it was shown that citrullination of histone H3 enables P. gingivalis to survive in neutrophil extracellular traps and incapacitate the lysozyme-derived peptide LP9.
The second investigated posttranslational modification is ubiquitination and its role in respiratory tract infections. Ubiquitination is the covalent attachment of a small protein that consisting of only 76 amino acids to the ε-amino group of lysine residues to posttranslational modify proteins. Acute infections of the lower respiratory tract such as viral and bacterial co-infections are among the most prevalent reasons of fatal casualties worldwide. Therefore, the interactions between host and pathogens resulting in the impairment of the hosts immune response and immune evasion of the pathogens, need to be elucidated. To get new insights in the infection driven changes in protein polyubiquitination and alterations in the abundance of ubiquitin E3 ligases involved in ubiquitination, cellular proteomes were monitored in detail by high resolution mass spectrometry. Therefore, the epithelial cell lines 16HBE14o- (Manuscript II) and A549 (Manuscript III) were co-infected with influenza A virus H1N1 and Streptococcus pyogenes or Staphylococcus aureus or with influenza A virus H1N1 and Streptococcus pneumoniae, respectively. Here, it could be shown in 16HBE14o- cells that co-infection of epithelial cells is not characterized by decreased cell survival and that observable effects on the proteome and ubiquitinome are mostly additive rather than synergistic. S. pyogenes infection affected the mitochondrial function, cell-cell adhesion, endocytosis and actin organization. Viral infection affected mRNA processing and Rho signaling. Viral and bacterial co-infection was detected to affect processes that were already affected by both of the corresponding single infections. No further pathways were strongly affected by the co-infection. A similar result has been observed in A549 cells co-infected IAV and S. pneumoniae. Overrepresented gene ontology terms depict the sum of those observed in the viral and bacterial single infection. Moreover, no significant change in cell survival upon co-infection compared to single bacterial infection was noticed for A549 cells either. This led to the suggestion that co-infection of investigated epithelial cells under examined conditions possesses additive rather than synergistic effect and thus, may not worsen the outcome of the infection within the studied conditions. Infections in other systems, may provide varying results and thus should be examined in future studies.
Lyssavirus Matrixproteine (M) sind essentielle Komponenten im Virus-Assembly. Zusätzliche Virus RNA-Synthese regulierende und wirtszellmanipulierende Funktionen machen das M Protein zu einem zentralen Faktor der wirtszellabhängigen Virusreplikation und Pathogenese im infizierten Organismus. Damit könnte das M Protein einen wesentlichen Faktor bei der Anpassung von Lyssaviren an bestimmte Wirtsspezies darstellen und als Pathogenitätsdeterminante die spezifische Virulenz unterschiedlicher Lyssavirus Isolate begründen. Inwieweit Lyssavirus M Proteine sich tatsächlich in grundlegenden Funktionen der Virusreplikation und Wirtszellmanipulation unterscheiden, ist bisher nur unzureichend geklärt. Hier wurden M Proteine aus einem attenuierten Rabies Virus Stamm (RABV M) und aus einem fledermausassoziierten Lyssavirus (Europäische Fledermaus Lyssavirus Typ 1; EBLV 1 M) hinsichtlich funktioneller Unterschiede im Virus-Assembly und ihrer intrazellulären Lokalisation in virusinfizierten Zellen verglichen. Zusätzlich wurde durch die gezielte Insertion von Mutationen in das RABV M Protein ein stark attenuiertes RABV generiert, das eine wichtige Grundlage für die weitere Erforschung M abhängiger Mechanismen der Pathogenese und Viruseliminierung aus dem zentralen Nervensystem (ZNS) darstellt. Tatsächlich wurden mit chimären RABV M und EBLV 1 M exprimierenden Viren M abhängige Unterschiede in der Virusmorphogenese bestätigt. Eine RABV M abhängige Akkumulierung von Viruspartikel-ähnlichen Strukturen im rauen Endoplasmatischen Retikulum (rER) wurde mit der Kombination unterschiedlicher RABV und EBLV 1 M Sequenzen auf fünf C terminale Aminosäuren an den Positionen 187, 190, 192, 196 und 197 eingegrenzt. Mit der Identifizierung dieser Positionen konnte postulierte werden, dass es sich bei den beobachteten ultrastrukturellen Unterschieden nicht um Virusspezies sondern um Isolat-spezifische Unterschiede handelt, die möglicherweise einen Einfluss auf in vivo Virusreplikation und Pathogenese haben. Die vergleichende fluoreszenzmikroskopische Analyse infizierter Zellen zeigte, dass EBLV 1 M Protein im Gegensatz zum RABV M Protein an Membranen des Golgi-Apparates akkumulierte. Im Gegensatz zur Akkumulierung von Viruspartikel-ähnlichen Strukturen im rER konnte die EBLV 1 M spezifische Golgi-Apparat Lokalisation nicht auf einzelne Bereiche des M Proteins eingegrenzt werden, weshalb davon ausgegangen werden muss, dass hier die Integrität des gesamten EBLV 1 M Proteins notwendig ist. Erstmals wurden Lyssavirus M Proteine in viralen Einschlusskörpern und Zellkernen infizierter Zellen nachgewiesen. Während die Präsenz in den Einschlusskörpern ein wichtiges Element bei der Erforschung RNA-Synthese regulativer M Funktionen darstellt, können mit dem Nachweis von Lyssavirus M Proteinen im Zellkern wirtszellmanipulierende Funktionen auf nukleärer Ebene postuliert werden. Neben dem Nachweis der Proteine im Nukleus wurde mit fluoreszenzmarkiertem M Protein gezeigt, dass die Kernmembran eine Diffusionsbarriere für das M Protein darstellt und dass ein aktiver Transport in den Zellkern stattfinden muss. Zusammenfassend werden mit dieser Arbeit wichtige Erkenntnisse zu Unterschieden und Gemeinsamkeiten von Lyssavirus M Proteinen bezüglich Virusmorphogenese und wirtszellmanipulierender M Funktionen vorgelegt, die das aktuelle Verständnis der Lyssavirus Replikation vertiefen und weiterführende Arbeiten zu molekularen Mechanismen der Virusreplikation und Pathogenese ermöglichen.
Streptococcus pneumoniae is one of the leading human pathogen causing morbidity and mortality worldwide. The pneumococcus can cause a variety of different diseases ranging from mild illnesses like otitis media and sinusitis to life-threatening diseases such as pneumonia, meningitis and sepsis. Mostly affected are infants, elderly and immune-suppressed patients. Although, there are vaccines against pneumococci available, still hundreds of thousands of people got infected each year. These vaccines are targeting the pneumococcal polysaccharide capsule. Because of the high number of different serotypes, it is not possible to generate a vaccine against all present serotypes. In the last years a shift to non-vaccine serotypes was noticed. This strengthens the need for the development of vaccines which do not target polysaccharides. Thus, proteins came into focus as potential new vaccine candidates or targets for drug treatment, because several proteins are highly conserved among different strains or even genera. Proteome analyses can give insights into the protein composition in a certain state of a bacterium. So, targets can be identified, which are especially expressed under infection-relevant conditions. Iron limitation is one of these conditions and the knowledge on iron acquisition in pneumococci is still limited. Iron is an essential trace element and as redox-active catalyst or as cofactor involved in various key metabolic pathway in nearly all living organisms and thus also in bacteria. For instance, iron is necessary during biosynthesis of amino acids and in electron transport as well as in DNA replication. Within the human host iron is extremely limited due to its high insolubility under physiological conditions, which is part of the nutritional immunity of its human host. Hence, bacteria had to evolve mechanism to overcome iron starvation. In this thesis the adaptation process triggered by iron limitation in the S. pneumoniae serotype 2 strain D39 was investigated in a global mass spectrometry-based proteome analysis.
In preceding growth experiments the pneumococcal growth was adapted to the needs of proteomic workflows. In order to investigate the pneumococcal response to iron limitation, the organic iron-chelating agent 2,2’-bipyridine (BIP) was applied. For the quantification of changes in protein abundances comparing stress to control conditions the very reliable and robust metabolic labeling technique Stable Isotope Labeling with Amino Acids in Cell Culture (SILAC) was used. This method requires the bacterial cultivation in a chemically defined medium, for which reason modified RPMI 1640 medium was chosen. A pooled protein extract with heavy labeled amino acids was applied as an internal standard, which included proteins expressed under control and stress condition, to control, BIP and BIP-iron-complex (BIP control experiment) samples. Samples were analyzed by liquid chromatography coupled directly to a tandem mass spectrometer. It is described that under iron-restricted conditions proteins associated to pathogenesis are higher abundant in pathogenic bacteria like Staphylococcus aureus. Hence, similar observations were expected also for the proteomic adaptation of S. pneumoniae, but the first results showed a reduction in protein abundance of virulence factors. In order to explain these results inductively-coupled-plasma mass spectrometry was executed to determine the iron concentration of chemically defined medium (CDM) used in this experiment. The analysis revealed a relatively low iron concentration of approximately 190 µg l-1. Therefore, the iron concentration of the complex medium THY, in which pneumococci are usually grown, was investigated. THY contains four-fold (740 µg l-1) more iron than the CDM. Subsequently, an additional iron limitation approach was carried out in THY. As SILAC is not applicable in complex media like THY, MaxLFQ was applied as quantification method in this case. Because two different media were used, an additional comparative proteome analysis with regard to the two investigated media was executed.
Comparing the protein composition in both cultivation media it became clear that pneumococci exhibit a totally different proteome depending on the medium. Major differences were found in metabolisms of amino acids, vitamins and cofactors as well as in pathogenesis-associated proteins. These differences have to be taken into account during the analyses of both iron limitation approaches. Overall, more proteins were identified and quantified in CDM samples. The pneumococcal adaptation to iron limitation in both media was different; especially, the alterations in protein abundances of virulence factors. In contrast to the iron limitation in CDM, proteins involved in pathogenesis were higher abundant under iron limitation in THY, which was the expected result. Because of proteomic changes of cell division and lipid metabolism involved proteins in iron-limited pneumococci in CDM, electron microscopic pictures were taken in order to proof cell morphology. The pictures showed an impaired cell division in iron-limited CDM, but not in THY medium. However, both datasets have similarities as well. Thus, the iron uptake protein PiuA is strongly increased in iron-restricted conditions and the abundance of the iron storage protein Dpr is significantly decreased in both datasets. Notably, PiuA and Dpr seem to have important roles during the pneumococcal adaptation to iron-restricted environments.
One the basis of these results, it could be shown that the proteomic response of pneumococci to iron limitation is strongly dependent to the initial iron concentration of the environment. Hence, pneumococci will adapt differently to varying niches and thus potential vaccine candidates should be expressed independently of the localization within the human host.
Phospholipide wie Phosphatidylinositol und Phosphatidylcholin sind essenzielle Bestandteile aller biologischen Membranen und für deren Integrität und Funktion unerlässlich. Sind Inositol und Cholin (IC) im Medium vorhanden, ist die Hefe Saccharomyces cerevisiae in der Lage, diese aufzunehmen und zu verarbeiten. Unter Mangelbedingungen können diese Stoffe von der Zelle selbst synthetisiert werden. Daher ist es sinnvoll, die Phospholipid¬biosynthese-Gene differenziell zu exprimieren, was auf der Ebene der Transkriptions¬initiation geschieht. Bei IC-Mangel werden die Gene (z. B. das Inositol-3-Phosphat Synthase Gen INO1) durch Bindung des heterodimeren Aktivatorkomplexes Ino2/Ino4 an das Promotorelement ICRE („inositol/ choline responsive element“) aktiviert, um die Biosynthese zu gewährleisten. Sowohl Ino2 als auch Ino4 sind für die ICRE-Bindung nötig, während die transkriptionale Aktivierung nur durch Ino2 mit Hilfe zweier Transkriptionsaktivierungsdomänen TAD1 und TAD2 vermittelt wird. Ist dagegen ausreichend IC vorhanden, werden die Gene reprimiert, indem der Repressor Opi1 an den Aktivator Ino2 bindet, sodass es zu einer Konformationsänderung kommt und eine Dimerisierung mit Ino4 nicht mehr möglich ist.
Um eine erfolgreiche Transkriptionsinitiation zu gewährleisten, bilden neben der RNA-Polymerase II eine Reihe genereller Transkriptionsfaktoren (A, B, D, E, F und H) sowie der Mediatorkomplex im Promotorbereich der Zielgene den sog. Präinitiationskomplex (PIC). Die von diesen basalen Faktoren gewährleistete geringe Grundexpression kann von Aktivatorproteinen, die an positiv-regulatorische Elemente („upstream activation site“, UAS) binden, deutlich verstärkt werden. Hierzu nutzen Aktivatorproteine verschiedene Mechanismen, zu denen die Auflockerung der Chromatinstruktur durch Histonmodifikationskomplexe wie SAGA oder Chromatinremodellierungskomplexe wie SWI/SNF, die bessere Bindung der Transkriptionsfaktoren am Basalpromotorbereich oder die Beschleunigung des Übergangs vom geschlossenen zum offenen PIC gehören.
Im Verlauf dieser Arbeit konnten zahlreiche Interaktionen zwischen dem Aktivator Ino2 und Faktoren der Transkriptionsmaschinerie nachgewiesen werden, die vermutlich die Häufigkeit der Trans¬kriptions-initiation beeinflussen. Einige der Untereinheiten des Transkriptionsfaktors TFIID interagie¬ren mit Ino2. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der Charakterisierung der Interaktion der Ino2-TAD1 mit Taf1 und Taf12. Der Austausch der Aminosäuren Asparaginsäure-20 und Phenyl¬alanin-21 in Ino2 führte zu einem Interaktionsausfall mit beiden Tafs. In Taf1 konnten zwei basisch-hydro¬phobe Aminosäure-Bereiche (K206 Y207 und L208 L209 K210) innerhalb der minimalen Aktivator¬binde¬domäne 2 (ABD2) identifiziert werden, die kritisch für den Kontakt zum Aktivator sind. Es konnte ferner gezeigt werden, dass basische und hydrophobe Aminosäuren in Kombination für die Bindung an den Aktivator verantwortlich sind und dass der Austausch gegen Alanin (KY-AA) zu einem Abfall der Expression des INO1-Gens auf 44% führt. Darüber hinaus konnte der Bromo¬domänen¬faktor Bdf1 als Interaktionspartner von Ino2 identifiziert werden. Bdf1 vervollständigt Hefe-Taf1, während Säuger-Taf1 selbst Bromodomänen zur Erkennung von Histonacetylierungen beinhaltet. Innerhalb der Taf12-Minimaldomäne sind die Aminosäuren K150 L151 R175 und L176 wesentlich für die Bindung an Ino2. Eine Teildeletion von Taf12, die unter anderem den Verlust dieser Aminosäuren zur Folge hat, führt zu einer auf 76% reduzierten INO1-Expression.
Ein weiterer Transkriptions¬faktor, der von Ino2 kontaktiert wird, ist TFIIA mit seinen Untereinheiten Toa1 und Toa2. Die Proteine kontaktieren beide TADs des Aktivators, allerdings konnten innerhalb der minimalen Interaktionsdomänen der Toa-Proteine keine für diese Interaktion verantwortliche Aminosäuren identifiziert werden. Veränderungen der Toa1-Sequenz hatten keinen phänotypischen Einfluss auf die Phospholipidbiosynthese, allerdings führten einige Veränderungen (RKRK-Motiv im AS-Bereich 253-259) zu letalen Folgen für das Wachstum der Zellen, weil die Bildung des TFIIA-TBP-TATA-Komplexes beeinträchtigt ist. Wahrscheinlich hat die Interaktion zwischen Ino2 und TFIIA eine verstärkende Wirkung auf die Transkriptionsinitiation der Phospholipidbiosynthese-Gene, indem die Interaktion zwischen TFIIA und TFIID stabilisiert wird und TFIIA die interaktive Oberfläche am Promotor für Interaktionen mit anderen Proteinen vergrößert.
Die Verschiebung der Nucleosomen in Promotorbereichen durch Chromatinremodellierungs¬kompexe wie SWI/SNF ist ein weiterer Mechanismus der Transkriptionsaktivierung. In früheren Arbeiten wurde bereits die Interaktion zwischen Ino2, Aro80 bzw. Gal4 und der SWI/SNF ATPase-Untereinheit Swi2 beschrieben. Im Zuge dieser Arbeit konnte eine minimale Interaktionsdomäne im AS-Bereich 238-307 kartiert werden. Essenzielle Aminosäuren für die Bindung an Ino2 und andere Aktivatoren konnten nicht identifiziert werden.
Sug1 und Sug2 sind ATPasen der regulatorischen 19S-Untereinheit des 26S Proteasoms. Neben der Degradation fehlgefalteter polyubiquitinierter Proteine haben sie auch eine nicht-proteolytische Bedeutung für die Transkriptionsinitiation. Bekannt ist, dass proteasomale ATPasen an aktiven Promotoren zu finden sind und mit Aktivator¬proteinen (z. B. Gal4) interagieren können. Die vorlie¬gende Arbeit zeigt, dass auch Ino2 von Sug1 und Sug2 kontaktiert wird. Möglicherweise dienen sie am INO1-Promotor als Stabilisatoren und Vermittler zwischen Ino2 und der Transkriptionsmaschi¬nerie und erleichtern den Übergang des Präinitiationskomplexes in den Elongationskomplex.
Unter reprimierenden Bedingungen bindet Opi1 an Ino2 und rekrutiert die Corepressorkomplexe Sin3 und Cyc8/Tup1, die ihrerseits Histondeacetylasen in Promotornähe bringen und die Transkrip¬tion durch lokale Chromatinverfestigung reprimieren. Frühere Arbeiten hatten gezeigt, dass die Corepressoren auch mit Ino2 und weiteren Aktivatoren (Hac1 und Pho4) interagieren und dass sie in Abhängigkeit von Ino2, nicht aber von Opi1, am INO1-Promotor vorliegen. In dieser Arbeit wurde die Interaktion zwischen Ino2 und Sin3 bzw. Cyc8 charakterisiert. Sin3 und Cyc8 kontaktieren einen Bereich des Aktivators, der die TAD2 und die RID (Repressorinteraktionsdomäne) enthält. Es war bekannt, dass die Aminosäuren Phenylalanin-130, Leucin-131 und Asparaginsäure-132 essenziell für die Interaktion mit Opi1 sind. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass deren Austausch gegen Alanin auch einen Interaktionsverlust mit Cyc8 und Sin3 bewirkt. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass diese FLD-AAA-Mutation zu einer praktisch konstitutiven Expression des INO1-Gens führt, allerdings auf niedrigerem Niveau als im Fall dereprimierter Zellen mit einem Wildtyp Ino2. In Hac1 und Pho4 konnten Aminosäuren mit vergleichbarer Bedeutung für die Corepressorbindung nicht identifiziert werden. Offenbar können die Corepressoren je nach physiologischer Situation in der Zelle positiv oder negativ auf die Transkriptionsinitiation wirken.
The general stress response comprises approximately 200 genes and is driven by the alternative sigma factor SigB. Besides the process of sporulation with approximately 500 involved gene products under initial control of Spo0A are the two most significant and extensive cellular responses that can be observed in B. subtilis. The general stress response provides vegetative growing as well as non-growing and non-sporulating cells with a comprehensive cross-protective and preventive multiple stress resistance to various hostile environmental conditions. In contrast, the endospore is the most resistant but also dormant cell type produced by B. subtilis. The scope of this study was the identification of regulatory cascades driven by the general stress response sigma factor SigB to further elucidate the structure and function of the general stress regulon itself and to uncover potential intersections between the SigB response and other major developmental programs in the regulatory network of B. subtilis. It could be shown that the general stress regulon member yqgZ encodes a functional paralogue of Spx, the global regulator of the diamide stress regulon in B. subtilis. Global transcriptome and proteome studies led to the characterization of an YqgZ sub-regulon consisting of 53 positively and 18 negatively regulated genes. Due to its stringent SigB-dependent expression as well as its concerted action with SigB in regulation of its target genes YqgZ was renamed to MgsR which stands for “modulator of the general stress response”. Activity control of MgsR is stringently controlled at multiple levels. In addition to induction by SigB these mechanisms include (i) a positive autoregulatory loop of MgsR on the transcription level of its own structural gene, (ii) a post-translational redox-sensitive activation step by the formation of an intramolecular disulfide-bond within a conserved -CXXC-motif and (iii) rapid proteolytic degradation of MgsR by the ClpCP and ClpXP proteases, resul ting in extremely short in vivo half-lifes below 6 minutes. It was demonstrated that the activation of SigB is a prerequisite but not sufficient for a full expression of all general stress genes and that the SigB-dependent expression of MgsR provides the opportunity for additional redox-sensitive signal-reception, -processing and -integration beyond the primary decision of SigB activation. Our results describe a regulatory cascade integrating secondary oxidative stress signals into a SigB mediated regulatory cascade that is aimed at a precise fine tuning of target gene expression whose products are necessary for proper management of oxidative stress. Although primary oxidative stress stimuli do not typically induce SigB, our observation of redox-sensitive control by MgsR and several other reports that pointed at the implication of the general stress proteins in oxidative stress management led to the proposal that secondary oxidative stress may be a common component of multip le severe physical stress stimuli. This assumption could be supported by the results of a comprehensive phenotype screening of 94 mutants in single general stress genes upon treatment with hydrogen peroxide and the superoxide generating agent paraquat. A substantial amount of 62 mutants (66%) displayed significantly decreased survival rates in response to oxidative stress. The information gained by this phenotypic screening analysis provides a valuable basis for more directed assays to elucidate the biochemical functions of many so far uncharacterized general stress proteins and demonstrates that the SigB response and the regulatory fine tuning by MgsR plays a pivotal role in protection from secondary oxidative stress. Furthermore, it has been intensively discussed throughout the literature of the last years that the general stress response and the process of sporulation may represent mutually exclusive survival strategies of a non-growing B. subtilis cell, but the molecular basis for this assumption was missing until recently. By the identification of a functional SigB-type promoter (PsigB) adjacent to the spo0E, this gene was newly assigned to the general stress regulon. The spo0E gene encodes a phosphatase that specifically inactivates the master regulator of sporulation Spo0A~P by dephosphorylation. The SigB dependent induction of spo0E causes a block of sporulation specific transcription and produces a sporulation deficient phenotype. This effect was overcome by a deletion of the spo0E-SigB promoter, thus clearly addresses SigB activity. This regulatory mechanism is the first example for an integration of SigB inducing stimuli into the decision making process of sporulation initiation that provides a link to interconnect these two dominant and very likely mutually exclusive responses in the regulatory network of B. subtilis. The data presented here provide deeper insights into the structure and function of the general stress regulon in stress management.
Bats are ancient mammals that evolved more than 50 million years ago. There are 1,240 different species (> 20% of mammalian species) described so far, which represent one of the most abundant, diverse and widely distributed mammalian groups. Bats are the only mammals which actively fly and therefore can migrate to different areas of the world. It has been increasingly recognized that bats are reservoirs for more than 100 virus species, and several are associated with animal and human epidemics. As natural hosts of rabies virus (RABV) and related lyssaviruses, bats have become a focus of research not only in South America and Africa, but also in Europe and North America. Bats are also considered to be unique in their potential to host emerging and re-emerging zoonotic viruses. To evaluate and reduce the potential risk of rabies transmission to humans or carnivore hosts (like fox, raccoon and dog etc.), active and passive surveillance studies of bat have been performed. Using these approaches diverse lyssaviruses have been detected in bats. However, these studies did not explain the rarely discovered epidemics and the underlying resistance or immune mechanisms in bats as natural hosts for lyssaviruses. Probably, bats are more resistant to lyssavirus infections than other animals. This hypothesis is introducing the research questions of the present thesis: (1) How do the innate immune responses protect bats from fatal outcome of lyssavirus infections? Interferon (IFN) responses which can be induced by the recognition of viruses by pattern recognition receptors act as the first line of defense against lyssavirus infections. Therefore, type I and type III IFNs from European bats were cloned and functionally characterized in this thesis (Chapter 2 and 4). (2) How do the lyssaviruses adapt to escape the host defenses by counteracting the IFN-mediated immune responses? And how do the bats control the viral replication via the IFN responses? To explore the complicated interactions and understand how European bats (Eptesicus serotinus, Myotis myotis and Nyctalus noctula) interact with European bat lyssaviruses (EBLV-1 and 2), a natural host related model for investigations of the bat´s immune system and the virus-host interactions has to be established. Since all of 52 identified European bats species are endangered and strictly protected, stable cell lines from different tissues of M. myotis for in vitro studies were developed and used for molecular and functional studies (Chapter 3 and 4). The data obtained from this thesis revealed that: (a) European bat IFNs do have similar but also distinct molecular characteristics compared with other mammalian IFNs (Chapter 2 and 4); (b) Both investigated bat type I IFNs, IFN-Kappa; and IFN-Omega; present potent anti-lyssaviral activities and display a pathogen associated pattern in the tested cell line (Chapter 2); (c) The established immortalized M. myotis cell lines are differently susceptible to lyssaviruses and contain a functional IFN-mediated signaling cascade (Chapter 3); (d) Bat type III IFN-Lambda;s display cell-type specific functions due to the distinct expression of the IFN-Lambda; receptor (Chapter 4); (e) In bat cell lines a possible evasive strategy of lyssavirus is based on the counteraction of IFN production and/or IFN-mediated defensive pathways (Chapter 3); (f) The higher resistance of brain derived cell line MmBr compared to other cell lines to lyssavirus infection indicates the natural ability of bat´s central nervous system to control the growth of neurotropic virus, which might be an essential reason for the nonclinical outcome (Chapter 3). Overall, the present thesis provides first insights into IFN-mediated innate immune responses against RABV and EBLVs infection in their natural reservoir hosts and an useful toolbox for comparative analysis of virus-host interactions.
Lyssaviruses, the causative agents of rabies, are a long-known threat for animals and humans. To date, terrestrial rabies still accounts for tens of thousands of human deaths annually, notwithstanding ambitious vaccination campaigns targeting susceptible dog and wildlife populations that act as reservoirs for the prototypic rabies virus. Moreover, the continuing discovery of newly emerging virus species in hitherto unconcerned chiropteran hosts and geographic regions drive the expansion of the Lyssavirus genus by unveiling its actual variety, host range and distribution.In this work, the genetic diversity of three distinct lyssaviruses, namely EBLV-1, KBLV and RABV, was elucidated by in-depth genomic analyses to provide further insight into lyssavirus evolution. The generation of full-genome sequences from primarily bat-associated Danish EBLV-1 samples significantly increased the number of available Danish EBLV-1 genome sequences while phylogenetic and phylogeographic analysis revealed a stronger phylogeographic structure for the cluster A1 of the sublineage EBLV-1a than it was postulated in previous studies. In addition, the acquisition of a nearly complete genome sequence for the Kotalahti bat lyssavirus provided the basis for the classification of this putative new lyssavirus species as a recognized member of the genus. Furthermore, phylogenetic analysis revealed the affiliation of KBLV to a group of Myotis-associated lyssaviruses giving a deeper insight into the shared evolutionary history of lyssaviruses co-evolving with particular bat species. Moreover, a deep-sequencing approach was utilized to assess the high genetic diversity of vaccine virus populations, uncovering three independent patterns of single nucleotide variants (SNVs) that became selected in ERA-related vaccine-induced cases. However, no apparent influence of the genetic diversity of vaccine viruses on microevolutionary processes like a potential reversion to virulence or a species-specific adaptation of the vaccine virus strains could be detected, leaving the question for the cause of rabies induction in the affected animals unanswered. Lastly, the successful implementation of a hybridization capturing system for the generation of full-genome sequences and deep-sequencing variant analyses of RABV and KBLV samples was demonstrated for a diagnostic bait set, highlighting the versatility and consistency of this approach to assess the genetic spectrum of known and novel lyssavirus species while setting the basis for its application and optimization in upcoming projects.In conclusion, as shown by the studies in this work, the investigation of lyssavirus genomes at the sub-consensus, full-genome and population level remains crucial to assess the complexity of lyssavirus evolution, as it provides an indispensable source of information to cover the diversity of the genus and understand evolutionary dynamics on a long-term and microevolutionary scale.
As the animal-to-human interface becomes increasingly narrow, transmission events of zoonotic pathogens between animals and humans become more and more probable. While SARS-CoV-2 already accomplished a spillover infection to humans and is responsible for the current pandemic, the bat H9N2 IAV with so far unknown zoonotic potential was only recently discovered. In order to identify I) the role and potential of a newly discovered, potentially pre-pandemic virus, such as the bat H9N2, or II) possible future prevailing virus mutant variants of an already known pandemic virus, such as SARS-CoV-2, it is important to characterize these emerging viruses in vivo as soon and as good as possible.
The first objective in this dissertation (Publications I and II) therefore deals with the characterization of bat H9N2 and the estimation of its zoonotic or even pandemic potential.
In Publication I, a general susceptibility of directly inoculated Egyptian fruit bats to bat H9N2 was confirmed by successful seroconversion, although exhibiting only moderate viral shedding. All three contact animals remained seronegative, though one contact bat showed slight lesions in the histopathological analysis.
Publication II further addressed the question of the zoonotic potential of this virus. Inoculation of day-old turkey hatchlings demonstrated moderate susceptibility to bat H9N2 infection with a measurable seroconversion, while day-old chicken hatchlings were not susceptible to bat H9N2. Ferrets proved to be highly susceptible to bat H9N2 with high viral shedding, a transmission efficiency rate of 100% to direct contact animals at 2 days post contact, but with only minimal clinical signs. Importantly, the virus demonstrated the ability to evade the MxA-restriction factor and to replicate efficiently in human lung tissue explants. Furthermore, seasonal IAV- and standard IAV-vaccines showed no cross reactivity against the bat-N2 protein in humans. Therefore, further research on such viruses is urgently needed in order to prevent a renewed pandemic situation in the future as caused by SARS-CoV-2.
The second objective in this dissertation dealt with the identification and characterization of emerging SARS-CoV-2 Variants of Concern (VOCs).
Therefore, in Publication III, competitive infection experiments were performed using the Syrian golden hamster, the ferret, and transgenic mouse models (K18-hACE2 and hACE2-KI). These studies revealed replicative and transmissive predominance of Alpha VOC over Beta VOC, but not over SARS-CoV-2 WT in the hamster model, although Beta VOC substantially replicated in the lungs of donor animals. In contrast, the Alpha VOC had an unambiguous replication and transmission advantage over WT SARS-CoV-2 in the ferret and both mouse models. A recombinant SARS-CoV-2 WT-SAlpha virus helped to assign the fitness advantage of this variant particularly to the spike protein-associated mutations.
In Publication IV, in vitro results inferred an early replicative fitness advantage of Omicron BA.1 over Delta VOC, although the opposite was observed in competitively inoculated hamsters, ferrets and naive hACE2-KI mice. In addition, Publication IV demonstrated a disadvantage in transmission for the VOC Omicron BA.1 over the Delta VOC and a lack of susceptibility of ferrets after a single infection with the VOC Omicron BA.1. An mRNA vaccination of K18-hACE2 mice caused a drastic reduction of infectious virus particles in organ material following an infection with a recombinant SARS-CoV-2 WT-SDelta, but not when challenged with the SARS-CoV-2 SOmicron BA.1 clone.
This dissertation includes numerous, comprehensive experimental studies that are generally important for the characterization of emerging, potentially pre-pandemic viruses and may provide crucial information about the future dominance of certain virus variants in an ongoing pandemic. Here, the need for the use of a variety of animal models becomes apparent. By characterizing and classifying potentially zoonotic strains, these methods will help to better prepare for potentially upcoming pandemics and, in the case of a zoonotic or even pandemic event, to better detect and understand the circulating strains and their evolution.
In vitro and in vivo analyses of mono- and mixed-species biofilms formed by microbial pathogens
(2022)
Microbial biofilms can be defined as multicellular clusters of microorganisms embedded in a self-produced extracellular matrix (ECM), which is primarily composed of polymeric biomolecules. Biofilms represent one of the most severe burdens in both industry and healthcare worldwide, causing billions of dollars of treatment costs annually because biofilms are inherently difficult to prevent, treat, and eradicate. In health care settings, patients suffering from cystic fibrosis, or patients with medical implants are highly susceptible to biofilm infections. Once a biofilm is formed, it is almost impossible to quantitatively eradicate it by mechanical, enzymatical, chemical, or antimicrobial treatment. Often the only remaining option to fully eradicate the biofilm is removing of the infected implant or body part. The primary reasons for the inherent resistance of biofilms against all forms of antimicrobial treatment are (I) a reduced metabolic activity of biofilm-embedded cells climaxing in the presence of metabolic inactive persister cells, as well as (II) the protective nature of the biofilm matrix acting as a (diffusion) barrier against antimicrobials and the host immune system. Consequently, there is an urgent need to better understand microbial biofilms from a structural and (patho-) physiological point of view in order to be able to develop new treatment strategies.
Therefore, the aims of this study were to investigate fundamental physiological properties of different clinically relevant single and multi-species biofilms, both in vitro and in vivo. Furthermore, the effectiveness of a novel treatment strategy using cold atmospheric pressure plasma was evaluated in vitro to treat biofilms of the pathogenic fungus C. albicans.
In article I, the intracellular and ECM protein inventory of Staphylococcus aureus during in vitro biofilm growth in a flow reactor was analyzed by liquid-chromatography coupled to tandem mass-spectrometry (LC-MS/MS) analysis combined with metabolic footprint analysis. This analysis showed that anaerobiosis within biofilms releases organic acids lowering the ECM pH. This, in turn, leads to protonation of alkaline proteins – mostly ribosomal proteins originating from cell lysis as well as actively secreted virulence factors – resulting in a positive net charge of these proteins. As a consequence, these proteins accumulate within the ECM and form an electrostatic network with negatively charged cell surfaces, eDNA, and metabolites contributing to the overall biofilm stability.
In article II, the in vivo metaproteome of the multi-species biofilm community in cystic fibrosis sputum was investigated. To this end, an innovative protocol was developed allowing the enrichment of microbial cells, the extraction of proteins from a small amount of cystic fibrosis sputum, and subsequent metaproteome analysis. This protocol also allows 16S sequencing, metabolic footprint analysis, and microscopy of the same sample to complement the metaproteome data. Applying this protocol, we were able to significantly enhance microbial protein coverage providing first insights into important physiological pathways during CF lung infection. A key finding was that the arginine deaminase pathway as well as microbial proteases play a so far underappreciated role in CF pathophysiology.
In articles III and IV, a novel treatment strategy for biofilms formed by the important fungal pathogen Candida albicans was evaluated in vitro. Biofilms were treated with two different sources of nonthermal plasma (with the Nonthermal Plasma Jet “kINPen09” as well as with the Microwave-induced plasma torch “MiniMIP”) and the effect on growth, survival, and viability was assessed by counting colony-forming units (CFU), by cell proliferation assays, as well as by live/dead staining combined with fluorescence microscopy, confocal laser scanning microscopy, (CLSM) and atomic force microscopy (AFM). These tests revealed that biofilms were effectively inactivated mostly on the bottom side of biofilms, indicating a great potential of these two plasma sources to fight biofilms.
The advances in high-throughput sequencing technologies have revolutionized the possibilities for pathogen identification in cases of unknown disease origin. Diagnostic metagenomics allows the unbiased and simultaneous detection of almost all nucleic acids in a clinical sample, with the potential to provide pivotal insights into otherwise undeterminable causes of human or animal disease.
In this thesis, possibilities, pitfalls and the suitability of Ion Torrent and Illumina sequencing platforms for comprehensive use in diagnostic metagenomics were assessed and optimized procedures developed. Clinical field samples, undiagnosable by standard diagnostics, were taken as real-life examples for the investigations. The results show that cross-contamination due to index swapping and run-to-run-carryover constitute a major issue on Illumina platforms, severely compromising the correct interpretation of results for clinical specimens. In contrast, Ion Torrent platforms did not display any form of cross-contamination, however, the commercial library preparation method is less efficient. Combining the advantages of both platforms, customized Y adapters, facilitating highly efficient library preparation, were developed for Ion Torrent sequencing and applied in further experiments. The obstacles of strongly degraded RNA in formalin-fixed paraffin-embedded samples were identified and the workflow adapted to meet the requirements of smaller fragments. Additionally, it was shown that adequate sampling is a very important step, if not the most important step, in the workflow, as well as subsequent validation of the obtained results in terms of causation. The achievements in this study allow other researchers the application of a sensitive and optimized diagnostic metagenomics workflow.
Furthermore, the investigations on the clinical samples resulted in the discovery of a novel respirovirus with putative zoonotic potential, the first description of Borna disease virus 1 in human organ transplant recipients, and the discovery of a very distantly related novel ovine picornavirus. These discoveries build a basis for further research and expand the knowledge regarding new and emerging viruses.
Gram-negative bacteria are known to naturally produce outer membrane vesicles (OMVs), which are closed nanoparticles (10 to 450 nm) containing virulence factors and pathogen associated molecular patterns (PAMPs). For over 20 years, OMVs of Neisseria meningitidis (N. meningitidis), in combination with three purified outer membrane proteins, have been successfully used as parts of human vaccines which illustrates the safety and potential of OMV based vaccines. So far only little is known about the OMVs of fish pathogenic bacteria. The production of OMVs has been described for the fish pathogenic gram-negative bacterium Aeromonas salmonicida (A. salmonicida) which is the causative agent of furunculosis resulting in high morbidity and mortality of salmonid fish. The immunostimulatory potential of OMVs derived from A. salmonicida as well as the possibility of establishing an oral vaccine model in Oncorhynchus mykiss (O.mykiss) (Rainbow trout) has been investigated in this study by conducting in vitro and in vivo experiments. Innate immune cells such as macrophages are one of the first cells to respond to pathogens once they breach the skin barrier, therefore the monocyte/macrophage cell line RTS-11 as well as leukocytes from the head kidney, consisting of a high percentage of phagocytic cells have been investigated. Additionally, leukocytes isolated from the peritoneal cavity as the main target for injectable vaccines have been studied in the in vitro experiments. These experiments indicate that OMVs derived from A. salmonicida are recognized by the monocyte/macrophage cell line RTS-11 as well as by leukocytes from the head kidney resulting in significant changes of the mRNA expression pattern of early inflammatory markers (IL-1β, IL-6, IL-8, IL-10, TGFβ). Having used the established peritoneal inflammation model of rainbow trout it could be shown that intraperitoneal (i.p.) vaccination of rainbow trout with OMVs results in a similar local immune response, especially in the recruitment of myeloid cells, compared to the injection of inactivated bacteria. The systemic cellular immune response differed between the two vaccine groups, even though a similar humoral immune response could be observed. Interestingly, i.p.vaccination with 10 µg of OMVs resulted in similar antibody titers as observed for fish, that were i.p. vaccinated with 108 CFU of inactivated A. salmonicida. The similar antibody titers after vaccination with OMVs might be explained by a stronger activation of CD8- T cells (likely CD4+ T cells) in the head kidney as well as in the blood in the OMV vaccinated group alone, which might result in an increased stimulation of B cells to produce antibodies.
Oral vaccination has been described as the ideal vaccination method for fish, but only few vaccines for oral application are licensed. Therefore, the established oral model for vaccination of rainbow trout with attenuated viral hemorrhagic septicemia virus (VHSV) was adapted to be used for inactivated A. salmonicida, even though initial trials indicated great similarities in the cellular response after i.p. and oral vaccination with inactivated strains of A. salmonicida, particularly in the response of the myeloid cells and lymphocytes in the target organs as well as the thrombocytes in the spleen. This could not be confirmed in a second oral vaccination trial. These results show how challenging the development of oral vaccines for fish is. The main challenge is the reproducibility of reliable results, since this is influenced by the difference in uptake of vaccine pellets or antigen degradation in the gut. Future oral vaccine trials should investigate different vaccination regimes, e.g., consecutive feeding, or a different composition of vaccine pellets, in order to further investigate the possibility of establishing an oral vaccine model for trout and so that future vaccine candidates, like OMVs, can be reliably tested in fish.
Die Newcastle Disease (ND) und die hochpathogene aviäre Influenza (HPAI) sind zwei der bedeutendsten Viruserkrankungen des Geflügels. Neben hohen wirtschaftlichen Verlusten stellt besonders das zoonotische Potential des hochpathogenen aviären Influenzavirus (HPAIV) auch eine Gefahr für den Menschen dar. Eine erfolgreiche Prophylaxe erfordert effektive Impfstoffe, die hohe Anforderungen wie die Verträglichkeit in sehr jungen Tieren, Massenapplizierbarkeit, eine sichere und kostengünstige Produktion sowie die Möglichkeit der Differenzierung zwischen infiziertem und vakziniertem Geflügel (DIVA) erfüllen müssen. Replikationsfähige Vektorviren sind dafür besonders geeignet. Mit Hilfe des reversen genetischen Systems konnte ein rekombinantes Newcastle Disease Virus (NDV) generiert werden, welches das Hämagglutinin H5 eines HPAIV exprimiert (rNDVH5Vm). Dieses vermittelt in SPF-Hühnern nach Immunisierung einen bivalenten Schutz vor HPAI und ND, versagt jedoch als Vakzine in Geflügel mit maternalen NDV-Antikörpern (Veits, Wiesner et al. 2006). Aufgrund der flächendeckenden NDV-Impfung in Geflügelbeständen müssen NDV-basierte Vektorvakzinen jedoch die maternale NDV-Immunität überwinden. Ein neuer Ansatz zur Entwicklung eines entsprechenden Vakzinevirus wird in dieser Arbeit gezeigt. Dazu erfolgte ausgehend von rNDVH5Vm die Generierung eines chimären rekombinanten NDV, in welchem die NDV-Oberflächenproteine F und HN durch die des aviären Paramyxovirus-8 (APMV-8) ausgetauscht wurden (chNDVFHNPMV8H5). Nach Generierung der neuen Virusrekombinante wurde sowohl die Expression und Inkorporation der drei Oberflächenproteine F, HN und H5 in das Viruspartikel, als auch eine Replikation zu hohen Endtitern nachgewiesen. Die geringe Virulenz und die damit mögliche Eignung als Vakzinevirus wurde durch einen ICPI von 0,288 bestätigt. Auch die in vivo-Charakterisierung in SPF-Hühnern zeigte eine gute Verträglichkeit, eine lokale Virusreplikation und eine detektierbare Immunantwort gegen APMV-8 und AIV. Drei Wochen nach Vakzinierung ein oder sieben Tage alter Küken, die eine maternale NDV-Immunität aufwiesen, mit chNDVFHNPMV8H5 erfolgte die Infektion mit einer letalen Dosis HPAIV. Es konnte ein vollständiger klinischer Schutz, einhergehend mit einer signifikant verringerten Virusausscheidung im Vergleich zur Kontrollgruppe detektiert werden. Die Vakzinierung mit chNDVFHNPMV8H5 ermöglicht außerdem die DIVA-Diagnostik auf Basis des Nachweises von AIV-NP Antikörpern. Aufgrund der Substitution der Oberflächenproteine des NDV ist chNDVFHNPMV8H5 nicht mehr in der Lage, einen Schutz gegen ND zu vermitteln. Die fehlende Kreuzreaktvität der Antikörper gegen die Oberflächenproteine von NDV und APMV-8 konnte auch in vitro gezeigt werden. Da die ND neben der HPAI einen hohen ökonomischen Stellenwert besitzt, wurde ein kombiniertes Vakzinierungsschema entwickelt, welches Geflügelbestände vor beiden Erkrankungen schützen soll. Dafür wurden ein oder sieben Tage alte, maternale NDV-Antikörper tragende Hühner mit chNDVFHNPMV8H5 und sieben Tage später mit einem lentogenen rekombinanten NDV (rNDVGu) immunisiert. Die Replikation des rNDVGu wurde dabei weder durch chNDVFHNPMV8H5 noch durch die Immunantwort gegen interne NDV-Proteine gestört, so dass beide Vakzinen eine Immunantwort induzierten. Diese vermittelte nach Infektion mit einer letalen Dosis HPAIV oder velogenem NDV einen klinischen Schutz und eine signifikant verringerte Virusausscheidung bei den geimpften Hühnern gegenüber den ungeimpften Kontrolltieren. Dieses erfolgreiche Vakzinierungsschema vereint zudem Massenapplizierbarkeit mit sicherer, kostengünstiger Produktion des Vakzinevirus. Von den bisher beschriebenen zwölf aviären Paramyxoviren ist NDV (APMV-1) aufgrund seiner wirtschaftlichen Bedeutung das am besten charakterisierte. APMV-8 hingegen ist bisher nur wenig untersucht. Um eine APMV-8-Infektion im Huhn zu charakterisieren, wurden drei Wochen alte SPF-Hühner mit APMV-8/goose/Delaware/1053/76 infiziert. Die Tiere zeigten nach Infektion keine klinischen Symptome, aber die Replikation des Erregers konnte bis vier Tage nach Infektion im oberen Respirationstrakt nachgewiesen werden. Sie verursachte jedoch keine histologischen Gewebeveränderungen, was die geringe Pathogenität des Erregers bestätigt. Eine Immunantwort konnte bereits sieben Tage nach Infektion detektiert werden. Um die Schutzwirkung einer APMV-8-Vakzinierung vor einer NDV- und APMV-8-Infektion zu ermitteln, erfolgte drei Wochen nach Immunisierung der Hühner eine Infektion mit homologem APMV-8 oder velogenem NDV. Dabei konnte gezeigt werden, dass nach erneuter APMV-8-Infektion die Virusausscheidung signifikant verringert war, was die Wirksamkeit der induzierten Immunantwort bestätigt. Nach Infektion mit einem velogenen NDV waren jedoch weder hinsichtlich Morbidität und Mortalität, noch Virusausscheidung signifikante Unterschiede zwischen vakzinierten und nicht vakzinierten Tieren nachweisbar. Das macht deutlich, dass eine Immunität gegen APMV-8 die Virusausscheidung nach erneuter APMV-8-Infektion zwar signifikant reduziert, jedoch nicht vor der Infektion mit einer letalen Dosis von velogenem NDV schützt.
The order of bats (Chiroptera) account for ~20% of all mammalian species and attracted immense global attention due to their identification as important viral reservoir. Bats can harbour a plethora of high-impact zoonotic viruses, such as filoviruses, lyssaviruses, and coronaviruses without displaying clinical signs of disease themselves. Given this striking diversity of the bat virome, their ability of self-powered flight, and global distribution, understanding chiropteran immunity is essential to facilitate assessment of future spillover events and risks.
However, scarcity of bat-specific or cross-reactive tools and standardized model systems impede progress until today. Furthermore, the richness of species led to generation of isolated datasets, hampering data interpretation and identification of general immune mechanisms, applicable for various chiropteran suborders/families. The key to unlocking bat immunity are coordinated research approaches that comprehensively define immunity in several species. In this work, an in-depth study of innate and adaptive immune mechanisms in the fructivorous Egyptian Rousette bat (Rousettus aegyptiacus, ERB) is presented.
Detailed stability analyses identified EEF1A1 as superior reference gene to ACTB, and GAPDH, which rendered unstable upon temperature increase or presence of type-I-IFN. Since the body core temperatures of pteropid bats reach from 35°C to 41°C and it has been postulated that bats display constitutive expression of IFNs, a suitable reference gene has to be stable under these physiologically relevant conditions. To study cellular innate immunity in detail, cell lines from the nasal epithelium, the olfactory compartment and the cerebrum were generated. To include immune responses of epithelia cells, essential for immunity at sites of primary viral infection, primary epithelia cells from the nasal epithelium, trachea, lung and small intestine were generated. Cellular identities were determined by comprehensive analyses of transcripts and proteins expressed by each cell line. The capacity of each cell line to produce type-I- and III-IFNs was assessed at 37°C and 40°C upon stimulation with viral mimetics. This revealed cell type-dependent differences is the capability to express IFNs upon stimulation. Furthermore, the constitutive expression of type-I- and III-IFNs was significantly elevated in higher temperatures and quantified at mRNA copy levels. To characterize ERB innate immunity upon infection with high-impact zoonotic viruses, cells from the nasal epithelium, the olfactory system, and the brain were infected with several lyssaviruses. This revealed striking differences in susceptibility: cells from the nasal epithelium rendered least whereas cells from the olfactory epithelium rendered most susceptible to viral infection and replication. Additionally, due to a lack of IFN expression in infected cells, it could be shown that LBV possibly possesses advanced strategies to ensure successful replication in ERB cells. Since the current SARS-CoV-2 pandemic put bats even further in the focus of zoonotic research, primary epithelial cells and animals were infected with this virus to monitor ERB-specific immune transcripts in cells and tissues. These studies revealed a notably early IFNG expression in the respiratory tract of infected individuals.
To understand immunomaturation in bats, the immune cell landscape in periphery and various tissue in adult and juvenile ERB was analyzed by flow cytometry and scRNA-seq, revealing intriguing, age-dependent variations in the abundance of granulocytes and lymphocytes. Flow cytometry revealed a significantly higher number of granulocytes in adults, as well as higher numbers of B cells in juveniles. scRNA-seq allowed detailed identification of different leukocyte subsets, uncovering the presence of highly-abundant NKT-like cells and a unique PLAC8 expressing B cell population. A functional characterization of phagocytic cells and lymphocytes derived from adult and juvenile ERB revealed no significant differences in cellular functionality.
In conclusion, the presented work demonstrated suitability of all established ERB cell lines to study bat immunity in vitro, which led to striking findings regarding IFN expression at steady state, or upon stimulation or viral infection. In addition, established qRT-PCR protocols allowed definition of constitutive and temperature-dependent elevation of IFN expression magnitudes, as well as insights into expression of immune-related transcripts in SARS-CoV-2 infected ERB. Finally, based on optimized scRNA-seq technologies and flow cytometry, frequencies and absolute cell counts could be determined in ERB of different ages, revealing e.g. age-dependent variations in leukocyte profile compositions.
Die reverse Genetik ist ein wichtiges Werkzeug in der Grundlagenforschung und Impfstoffentwicklung der Influenza-A- und -B-Viren. Oft ist der limitierende Schritt für die Erstellung eines solchen Systems der reversen Genetik, bestehend aus mehreren Plasmiden für die einzelnen Gensegmente, die Klonierung der Virusgene in den Expressionsvektor. Für eine schnellere und einfachere Klonierung wurde in dieser Arbeit das LacZa-Fragment mittels modifizierter QuikChange-Reaktion in den Klonierungsvektor pHWSccdB inseriert. Mit dem so entstandenen Vektor pHWSccdBLacZa ist es nun möglich, zusätzlich eine Blau/Weiß-Selektion durchzuführen. Beider target-primed plasmid amplification zur Insertion des viralen Gensegmentes werden hierbei die beiden Selektionsmarker ccdB und LacZa durch das virale Gen ersetzt. Bakterienkolonien mit kloniertem Gensegment können von denen ohne komplettes Insert nun leichter und frühzeitiger durch eine nicht vorhandene Blaufärbung unterschieden werden. Schweine spielen in der Influenzavirus-Transmission eine besondere Rolle, da sie als sog. „mixing vessel“ gelten. Sie können z. B. Reassortanten aus aviären und porzinen Influenzaviren auf den Menschen übertragen, die sich bei einer zeitgleichen Infektion mit beiden Viren im Schwein bilden können. In dieser Arbeit wurden die seit 1979 in Europa zirkulierenden aviären H1N1- Schweineviren betrachtet. Sie sind Schweinestämme, deren Gene von einem aviären Vorläufervirus abstammen. Unter dem Ziel der Untersuchung der molekularen Determinanten des Wirts-Tropismus dieser aviären H1N1-Schweineviren wurden Reassortanten und Zufallsressortanten hergestellt unter Verwendung des aviären Virus A/Duck/Bavaria/1/77 (H1N1) (DkBav) und des aviären Schweinevirus A/Swine/Belgium/1/79 (H1N1) (SwBelg). Zunächst wurde die Replikationseffizienz von DkBav, SwBelg und den hergestellten Reassortanten auf einer aviären und einer porzinen Zelllinie untersucht. Hierbei wurde festgestellt, dass für das aviäre Virus DkBav das HA von SwBelg ausreicht, um in porzinen Zellen das Wachstumsniveau von SwBelg zu erreichen. Das HA-Segment ist also entscheidend für den Wirtstropismus von DkBav in einer porzinen Zelllinie. Experimente im Schwein zeigten jedoch, dass DkBav nicht alleine durch das HA von SwBelg zu einem Schweinevirus wird. Für diese Experimente wurden Schweine intranasal mit den hergestellten Viren, SwBelg und DkBav infiziert. Um die Replikation im Schwein zu steigern, benötigt DkBav zusätzlich zum HA noch das NA von SwBelg und für die Transmission von Schwein zu Schwein das NP sowie eines oder mehrere der anderen Gensegmente von SwBelg. Für eine starke Virusvermehrung in der Lunge benötigt DkBav den Polymerasekomplex, HA und NA von SwBelg. Für die Transformation in ein Schweinevirus benötigt DkBav also kein bestimmtes Gensegment, sondern eine Kombination mehrerer Gensegmente. Für hochpathogene aviäre Influenzaviren ist die polybasische Spaltstelle des Oberflächenproteins HA der wichtigste Virulenzfaktor. Das HA ist u. a. für die Bindung und die Fusion der Endosomenmembran von Influenzaviren mit der Wirtszelle zuständig. Da eine polybasische HA-Spaltstelle alleine jedoch nicht ausreicht, um die Virulenz eines LPAIV deutlich zu erhöhen, wurde in dieser Arbeit nach weiteren Virulenzdeterminanten im HA des hochpathogenen Influenzavirus A/Swan/Germany/R65/2006 (H5N1) (R65wt) zusätzlich zur polybasischen Spaltstelle gesucht. Hierzu wurden von den Viren R65wt und A/Teal/Germany/Wv632/2005 (H5N1) mit eingesetzter polybasischer Spaltstelle (TG05poly) verschiedene HA-Chimären und -Mutanten hergestellt und diese in vitro und in vivo untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass die eingefügten Mutationen nicht ausreichten, um TG05poly zu einem hochpathogenen Virus zu machen. Für das hochpathogene Virus R65wt wurden die Aminosäuren HA-R123 und HAI124 als weitere Virulenzdeterminanten identifiziert. Bei HA-Sequenz- und HAStrukturanalysen wurde festgestellt, dass die Aminosäuren HA-123 und HA-124 innerhalb des niedrigpathogenen bzw. des hochpathogenen Phänotyps hoch konserviert vorliegen. Mutationen an diesen Positionen verringern nicht nur HA-Aktivierungs-pH und Virus-Inaktivierungs-pH deutlich, sondern auch die Letalität des Virus um fast 50 % (HA-I124T) oder das Virus wurde sogar avirulent (HA-R123S). Im Falle einer polybasischen Spaltstelle ist also eine erhöhte pH-Stabilität des HA vermittelt durch die Aminosäure R123 essentiell für die Entstehung eines hochpathogenen aviären H5N1-Virus aus einem niedrigpathogenen Vorläufer.
In dieser Arbeit wurden Untersuchungen zur Interaktion der Rabiesvirus Polymerase L und des Hendravirus Matrixproteins M mit zellulären Proteinen und intrazellulären Strukturen durchgeführt. Mit ASS1 und DLC1 wurden zwei zelluläre Proteine identifiziert, die direkt oder indirekt mit der Rabiesvirus Polymerase L interagieren. Zellkulturuntersuchungen zum Einfluss von ASS1 auf die Rabiesvirus Replikation lieferten bisher keinen Hinweis auf eine Beeinflussung der Polymerasefunktionen und die Diskussion möglicher Mechanismen einer Interferenz mit der NO-Synthese in infizierten Organismen blieb spekulativ. Für DLC1 wurde erstmals gezeigt, dass das L Protein des Rabiesvirus ein Konsensusmotiv für die Bindung von DLC1 enthält und die Effizienz der viralen Primärtranskription durch die Anwesenheit dieses Motivs beeinflusst wird. Vergleichende Untersuchungen mit Virusmutanten, in denen das in L identifizierte Motiv und ein bereits beschriebenes DLC1-bindendes Motiv in P mutiert waren, zeigten, dass beide Motive in vergleichbarer Weise die virale Primärtranskription beeinflussen. Die Kombination entsprechender Mutationen hatte jedoch keinen additiven Effekt auf die Polymeraseaktivität. Für die Funktionalität des Rabiesvirus Polymerasekomplexes P/L im Rahmen der viralen Primärtranskription scheint eine Interaktion mit beiden Komponenten des Komplexes erforderlich zu sein. Quantitative Analysen zur Verteilung von in die Zelle eingedrungenen Viruspartikeln zeigten, dass eine Akkumulierung viraler Ribonukleoproteine (RNP) nur in Anwesenheit des DLC1 Motivs in P erfolgte, und dass dies unabhängig von Mutationen in L war. Dies deutete darauf hin, dass die P-abhängige Akkumulierung von RNPs in frühen Phasen der Virusinfektion und die P und L abhängige Steigerung der Primärtranskription zwei funktionell voneinander trennbare Prozesse sind. Neben der DLC1 abhängigen Regulation der viralen Primärtranskription zeigten Untersuchungen zur Regulation der DLC1 Mengen in virusinfizierten Zellkulturen, dass die zelluläre DLC1 Genexpression durch die Anwesenheit der DLC1 Motive in P und in L reguliert wird. Diese Erkenntnisse und neuere Erkenntnisse zur Autoregulation der DLC1 Genexpression zeigen, dass die Bindung von DLC1 an beide Proteine des P/L Polymerasekomplexes, sowie die Retention von DLC1 in viralen Inclusion Bodies vermutlich die Verfügbarkeit an freiem DLC1 limitiert, und damit eine DLC1 abhängige Inhibition des DLC1 Genexpression regulierenden Transkriptionsfaktors ASCIZ aufhebt. Inwieweit dieses Modell einer virusabhängigen DLC1 Regulation zutrifft, weitere über einen derartigen Mechanismus regulierte Zellgene betroffen sind und diese einen Einfluss auf die Virusreplikation haben, müssen weiterführende Untersuchungen zeigen. Darüber hinaus wurde mittels Fluoreszenzprotein-markiertem L von Rabies- und verwandten Lyssaviren erstmals gezeigt, dass die virale Polymerase an Mikrotubuli akkumuliert und diese reorganisiert. Die Abhängigkeit der Mikrotubuli-Lokalisation von einem intakten DLC1 Motiv in L deutete darauf hin, dass DLC1 ein Faktor bei der Rekrutierung von L an die Mikrotubuli ist. Auch für das Hendravirus M-Protein wurden mittels Affinitätschromatographie und Analyse von M haltigen Proteinkomplexen potentielle Interaktionspartner identifiziert. Dabei zeigte sich, dass nukleäres ANP32B Hendravirus M entweder direkt oder indirekt bindet. Aufgrund einer ANP32B-abhängigen Kernretention von M und der hier gezeigten Analysen zur Interaktion dieser Proteine, kann davon ausgegangen werden, dass ANP32B eine nukleäre Zielstruktur für das Hendravirus M darstellt. Ebenso kann davon ausgegangen werden, dass die Interaktion entweder direkt die Virusreplikation oder pro oder antiviral wirkende Mechanismen der Wirtszelle beeinflusst. Im Hinblick auf Funktionen von ANP32B beim Crm1 vermittelten Kernexport von mRNAs, der Regulation der zellulären Genexpression und der Apoptoseregulation erscheint eine weiterführende funktionelle Charakterisierung der entsprechenden ANP32B abhängigen Mechanismen sinnvoll. Auch wenn die Rolle von ANP32B im Replikationszyklus von Hendraviren noch nicht geklärt ist, zeigten Untersuchungen mit M Proteinen anderer Paramyxoviren (Newcastle Disease Virus und Bovines Respiratorisches Synzytialvirus), dass die Interaktion mit ANP32B in mindestens zwei unterschiedlichen Virusgattungen innerhalb der Unterfamilie der Paramyxovirinae konserviert ist. Daher wird angenommen, dass die Interaktion mit ANP32B Teil eines bei Paramyxoviren konservierten Mechanismus ist. Zusammenfassend wurde mit den in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnissen ein wesentlicher Beitrag zur Aufklärung von wirtszellabhängigen Funktionen viraler Proteine geleistet. Mit der Identifizierung von zellulären Zielproteinen der Rabiesvirus Polymerase und paramyxoviraler Matrixproteine wurde eine wichtige Grundlage für weiterführende Arbeiten zu den involvierten molekularen Mechanismen und deren Relevanz im infizierten Wirt geschaffen.
Die nicht-konventionelle, dimorphe, asexuelle und hemiascomycetale Hefe Blastobotrys (Arxula) adeninivorans wurde in den letzten Jahren in vielfältiger Weise eingesetzt und zahlreichen interessanten biotechnologischen Anwendungen unterzogen. Ein herausragendes Merkmal dieser Hefe ist das breite Substratspektrum, welches eine Vielzahl an Zuckern, Alkoholen sowie Purinen und Alkanen umfasst. In Folge der Genomsequenzierung des Stammes A. adeninivorans LS3 wurden drei putative Cutinase-Gene identifiziert. Cutinasen sind Serinhydrolasen, die in der Lage sind, Cutin der pflanzlichen Cuticula abzubauen. Dies ermöglicht es beispielsweise pflanzenpathogenen Pilzen wie Fusarium solani f. sp. pisi, die durch Cutin geschützten Bereiche zu penetrieren, um in die Wirtspflanze einzudringen. Trotz der Isolation von A. adeninivorans Stämmen aus Holzhydrolysat in Sibirien sowie humusreichen Böden wurde diese Hefe bisher nicht als pflanzenpathogen beschrieben. Auch das Vorhandensein von Cutinasen oder Cutinase-ähnlichen Enzymen blieb bisher gänzlich unbemerkt. Cutinasen sind für ein breites Spektrum an technischen Anwendungen zum Beispiel im Bereich des Abbaus und des Recyclings von bioabbaubaren Kunststoffen interessant. Aus diesem Grund wurden die drei Gene ACUT1, ACUT2 und ACUT3 aus dem Genom von A. adeninivorans LS3 isoliert. Mittels Homologie-Modellierung und Sequenzvergleich mit bekannten und charakterisierten Cutinasen konnten die α/β-Hydrolase Struktur, die katalytisch aktive S-D-H Triade mit dem in das G-Y-S-Q-G Motiv eingebetteten nucleophilen Serin, die Substratbindeschleife sowie die sogenannte „Flap-Helix“ identifiziert werden. Außerdem wies Acut3p eine einzigartige C-terminale Glycin-Threonin-Serin reiche Sequenz (GTS-Sequenz) auf, die unabhängig von der katalytisch aktiven Domäne gefaltet ist. Unter Verwendung des Xplor®2 Transformations/Expressionssystems wurden rekombinante Varianten der drei putativen Cutinasen Acut1-6hp, Acut2-6hp und Acut3-6hp mit A. adeninivorans G1212 synthetisiert, im Kulturüberstand lokalisiert sowie über den 6xHistidin-Tag gereinigt. Die anschließende biochemische Charakterisierung ergab ein nahezu uniformes Verhalten bezüglich pH-Optimum (pH 5,0 – 5,5) und Temperatur-Optimum (20 – 30 °C). Darüber hinaus wurde eine Instabilität der drei Cutinasen unter optimalen pH Bedingungen festgestellt. Diese konnte jedoch durch Zugabe von Osmolyten wie PEG200 vollständig behoben werden. Das Substratspektrum wurde als entscheidender Parameter für die Einordnung der putativen Arxula-Cutinasen untersucht. Die höchste Aktivität bei Substraten mit vier bis acht C-Atomen in der Acylkette entsprach dem Verhalten bereits bekannter Cutinasen. Weiterhin konnte der Abbau des Modellpolyesters Polycaprolacton sowie die Degradation von Apfelcutin erfolgreich durchgeführt werden, womit A. adeninivorans LS3 die erste ascomycetale Hefe mit nachgewiesenen cutinolytischen Enzymen ist. Zusätzlich konnte die im Vergleich zu Acut1-6hp und Acut2-6hp erhöhte Temperaturstabilität von Acut3-6hp auf die GTS-Sequenz zurückgeführt werden. Als mögliche Ursache für diesen Effekt wurde eine starke Glykosylierung der GTS-Sequenz angenommen. Durch Übertragung der GTS-Sequenz auf Acut1-6hp konnte die Temperaturstabilität dieses Enzyms erhöht werden. Eine Übertragung auf die bereits stark glykosylierte Tannase 1 führte dagegen nicht zu einer Erhöhung der Stabilität gegenüber der Temperatur. Weiterhin wurden in zwei verschiedenen Fermentationsverfahren mit Fed-Batch-Betriebsweise bis zu 1.000.000 U L-1 (Acut2-6hp) im Medium akkumuliert. Dies stellte bereits einen ersten Hinweis auf das Potenzial für eine Anwendung im technischen Bereich dar. Dieses Potenzial konnte durch den erfolgreichen Abbau von Polyestern wie Polycaprolacton, Polybutylensuccinat, Polylactid, Poly[3-Hydroxybutyrat] sowie Poly[3-Hydroxybutyrat-Co-3-Hydroxyvalerat] verstärkt werden. In weiteren Schritten müssen nun konkrete Anwendungsfelder für die in dieser Arbeit untersuchten Arxula-Cutinasen erschlossen werden. Der Abbau von real anfallenden Kunststoffabfällen aus bioabbaubaren und nicht-abbaubaren Folien oder Behältern sowie die Rückgewinnung der aus der Hydrolyse erhaltenen Monomere sollten dabei überprüft werden. Auf der anderen Seite wäre eine Anpassung der Kultivierungsmedien für die Gewinnung der Cutinasen im Pilot-Maßstab angebracht, um eine Produktionskostenreduktion zu erreichen.
Wie andere Vertreter der Paramyxoviridae vergrößert das NDV durch Editierung von Transkripten seine Kodierungskapazität. Durch co-transkriptionelle mRNA-Editierung kodiert das P-Gen beim NDV sowohl für das P-, das V-, als auch das W-Protein. Die drei Proteine gleichen sich N-terminal, wohingegen die C-Termini in Länge und AS-Zusammensetzung variieren. Während sowohl Expression als auch Inkorporation des P- und V-Proteins in das NDV-Partikel nachgewiesen wurde, gab es bisher keinen Beweis für die Existenz des W-Proteins.
Für den Nachweis der Expression des NDV W-Proteins wurden W-spezifische Seren auf Grundlage von Peptiden generiert, welche im spezifischen C-Terminus lokalisiert waren und vorhersagbare antigene Regionen beinhalteten. Je eines der Kaninchenseren ermöglichte die Detektion von Plasmid-exprimiertem NDV W-Protein, sowie W-Protein in infizierten Zellen mittels indirekter IF und WB-Analyse.
Eine Inkorporation des W-Proteins in NDV-Virionen deuteten WB- und massen-spektrometrische Analysen an, während die Abwesenheit des Proteins für rekombinante NDV deren W-Protein Expression durch unterschiedliche Mutations-ansätze unterbunden wurde, in infizierten Zellen und Viruspartikeln bestätigt werden konnte.
Untersuchungen infizierter Zellen mit Hilfe konfokaler Mikroskopie zeigten eine Akkumulation des W-Proteins im Zellkern. Diese Lokalisation wurde auf eine zweigliedrige NLS im spezifischen C-Terminus zurückgeführt und die Funktionalität der NLS anhand der zytoplasmatischen Verteilung des Proteins in transfizierten bzw. infizierten Zellen nach Mutation der zwei basischen Cluster bestätigt.
Vergleichende Untersuchungen rekombinanter und WT-NDV zeigten keinen Einfluss der NLS bzw. der Expression des W-Proteins auf die Virusreplikation in vitro.
Bei der Analyse wirtsspezifischer, IFN-antagonistischer Funktionen des NDV W-Proteins in der späten Phase der Typ-I-IFN-Antwort mit Hilfe eines Hühnerzell-basierten IFN signaling Assays konnte sowohl für das W-Protein eines lentogenen (NDV Cl30), als auch eines velogenen NDV-Stammes (NDV Herts_I) kein inhibierender Effekt auf den untersuchten Signalweg gezeigt werden. Stattdessen deutete sich für das NDV Cl30 W-Protein ein aktivierender Effekt an.
Sequenzanalysen zur Vorhersagbarkeit von W-Proteinen bzw. C-terminal kodierten NLS in NDV-Stämme unterschiedlicher Virulenz und Genotypen ließen keinen Rückschluss auf einen Einfluss des W-Proteins auf die Pathogenität von NDV zu.
Im Gegensatz zum W-Protein war die Expression des NDV V-Proteins essentiell für die Replikation von NDV in vitro und in ovo.
Für die Analyse des Einflusses von V-Proteinen unterschiedlicher Herkunft auf die Replikation eines lentogenen NDV in vitro wurden diese in verschiedenen rekombinanten Viren von einem zusätzlich inserierten ORF exprimiert und die Expression der homo- und heterologen V-Proteine durch stammspezifische Seren überprüft, wofür im Vorfeld ein NDV R75/95 V-spezifisches Peptidserum generiert wurde. Keines dieser rekombinanten Viren zeigte Replikationsvorteile in vitro im Vergleich zum parentalen Virus.
Ein Hinweis auf einen Einfluss der Herkunft des V-Proteins konnte mit Hilfe des Hühnerzell-IFN signaling Assays erhalten werden. Während das V-Protein eines lentogenen NDV (NDV Cl30) keinen inhibierenden Effekt zeigte, deutete sich ein leicht inhibierender Effekt für das velogene NDV Herts_I V-Protein in einer Zelllinie an.
Pilotstudien zur potenziellen IFN-antagonistischen Funktion des V-Proteins wurden nach vorheriger Transfektion und Überexpression von V-Proteinen unterschiedlicher Pathotypen bzw. nach Vorbehandlung von Zellen mit Hühner-IFN-α vor Infektion durchgeführt. Die Replikation des korrespondierenden WT-Viruses bzw. rekombinanten Virus mit homo- oder heterologer V-Proteinexpression war in vitro in beiden Fällen nicht verändert.
Herpesviruses are a fascinating group of enveloped DNA viruses, which rely on membrane fusion for infectious entry and direct cell-to-cell spread. Compared with many other enveloped viruses, they utilize a remarkably complex fusion machinery. Three conserved virion proteins, the bona fide fusion protein gB, and the presumably gB activating gH/gL heterodimer constitute the conserved core fusion machinery and are believed to drive membrane fusion in a cascade-like fashion. Activation of this cascade in most alphaherpesviruses is proposed to be triggered by binding of gD to specific host cell receptors. The molecular details of this fusion process, however, remain largely elusive. Yet, a detailed mechanistic knowledge of this process would be greatly beneficial for the development of efficient countermeasures against a variety of diseases. In this thesis, the functional relevance of individual components of the essential gH/gL complex of the alphaherpesvirus PrV has been assessed by two different approaches: by reversion analysis (paper II) and site-directed mutagenesis (papers III-V). In contrast to other herpesviruses, gL-deleted PrV is able to perform limited cell-to-cell spread, providing the unique opportunity to passage the entry-deficient virus in cell culture to select for PrV revertants capable of infecting cells gL-independently. This approach already resulted in an infectious gL-negative PrV mutant (PrV-ΔgLPass), in which the function of gL was compensated by formation of a gDgH hybrid protein. Here, the requirements for gL-independent infectivity of a second independent revertant (PrV-ΔgLPassB4.1), were analyzed. Sequencing of the genes encoding for gB, gH and gD, revealed mutations in each of them. By means of a robust infection-free, transfection-based cell-cell fusion assay (paper I), we identified two amino acid substitutions in the gL-binding domain I of gHB4.1 (L70P, W103R) as sufficient to compensate for lack of gL. Two mutations in gB (G672R, ΔK883) were found to enhance fusogenicity, probably by lowering the energy, required for gB refolding from pre- to postfusion conformation. Coexpression of gHB4.1 and gBB4.1 led to an excess fusion, which was completely suppressed by gDB4.1 in the fusion assays. This was surprising since PrV gD is normally not required for in vitro fusion or direct viral cell-to-cell spread, clearly separating this process from fusion during entry, for which PrV gD is essential. The fusion inhibiting effect of gDB4.1 could be attributed to a single point mutation resulting in an amino acid substitution within the ectodomain (A106V). In conclusion, these results indicated that gL is not central to the fusion process, as its function can be compensated for. As found so far, gL-independent infectivity can be realized by compensatory mutations in gH (as in PrV-ΔgLPass) or in gH plus gB (as in PrV-ΔgLPassB4.1). Excessive fusion induced by gHB4.1 and gBB4.1 was counter-regulated by gDB4.1, indicating that the interplay between these proteins is precisely regulated and further implies that gL and gD, despite being not absolutely essential for the fusion process, have important regulatory functions on gH and/or gB.
Both PrV-ΔgLPass mutants had acquired compensatory mutations in gH affecting the predicted gL-binding domain I in gH. By construction of an artificial gH32/98, which lacked the predicted gL-binding domain and was similar to the recently crystallized gH-core fragment present in the gDgH hybrid protein, we identified the N-terminal part of PrV gH as essential for gH function during fusion (paper III). gH32/98 was unable to promote fusion of wild-type gB in fusion assays and led to a total loss of function in the viral context. These results indicated that the gD moiety, present in gDgH, is critical for proper function of the gH-core fragment. We hypothesize that the gD moiety may adopt a stabilizing or modulating influence on the gH structure, which is normally executed by gL and important for interaction of gH with wild-type gB. Remarkably, substitution of wild-type gB by gBB4.1 rescued function of gH32/98 in the cellular and viral contexts. These findings suggest that gBB4.1 has been selected for interaction with “gL-less” gH. In conclusion, these results demonstrated that gL and the gL-binding domain are not strictly required for membrane fusion during virus entry and spread but that compensatory mutations must be present in gB to restore a fully functional fusion machinery. These results strongly support the notion of a functional gH-gB interaction as a prerequisite for membrane fusion.
In addition to the N-terminal domain, we identified the transmembrane domain of PrV gH as an essential component of the fusion machinery, while the cytoplasmic domain was demonstrated to play a modulatory but nonessential role (paper IV). Whereas truncation or substitution of the PrV gH TMD by a gpi-anchor or the analogous sequence from PrV gD rendered gH non-functional, the HSV-1 gH TMD was found to functionally substitute for the PrV gH TMD in cell-cell fusion and complementation assays. Since residues in the TMD which are conserved between HSV and PrV gH but absent in PrV gD, are placed on one face of an α-helical wheel plot, we hypothesize that the gH TMD has an intrinsic property to interact with membrane components such as lipids or other molecules as a requirement for promoting membrane fusion.
In a final study focusing on the function of gH, we identified the N-glycosylation sites utilized by PrV gH, and determined their individual role in viral infection (paper V). PrV gH was found to be modified by N-glycans at five potential glycosylation sites. N-glycans at PrV specific N77 and the highly conserved site N627 were found to be critical for efficient membrane fusion in the fusion assays, and during viral entry and cell-to-cell spread. N627 was further shown to be crucial for proper gH transport and maturation. In contrast, inactivation of N604, conserved in the Varicellovirus genus, enhanced in vitro fusion activity and viral cell-to-cell spread. These findings demonstrated a role of the N-glycans in proper localization and function of PrV gH.
Hepeviruses are small viruses with a RNA-genome of positive polarity that form the family Hepeviridae. The family includes two genera: members of the genus Piscihepevirus were detected in fish species and members of the genus Orthohepevirus were found in different mammal and bird species. The genus Orthohepevirus contains four different species, namely Orthohepevirus A, B, C and D. The species Orthohepevirus A contains five human pathogenic genotypes, with three of them being zoonotic. The species Orthohepevirus C contains mammal-associated pathogens, which were identified in rats and carnivores. The human pathogenic genotypes are responsible for a self-limiting acute hepatitis in humans, which could become chronically in immunocompromised individuals. The main route of transmission is the consumption of undercooked meat and direct contact with HEV-positive excreta or blood. In Germany, hepatitis E is a notifiable disease since 2001 with an increased number of cases per year. Rats are the reservoir of rat-associated HEV (ratHEV), but also the zoonotic HEV-3 genotype was detected in rats. The European rabbit (Oryctolagus cuniculus) was identified as a reservoir host of a subgenotype of human pathogenic HEV-3 (HEV-3ra).
For the development of small mammal animal models, the objective of this study was to evaluate different small mammal populations for novel hepeviruses and to study the presence of HEV and sequence divergence of ratHEV and rabbitHEV in rat and rabbit populations from Europe.
Approximately 3000 rodents from Germany and the Czech Republic were screened by broad spectrum HEV-RT-PCR. As a result, 13 common voles (Microtus arvalis) and one bank vole (Myodes glareolus) were detected to be HEV-RNA positive. Comparison of the obtained sequences, complete genome determination and phylogenetic analysis indicated the finding of a novel common vole-associated HEV (cvHEV), which shows a high sequence divergence towards other members of the species Orthohepevirus C, but shares a high sequence similarity to a HEV-genome derived from a kestrel (Falco tinnunculus). The finding of cvHEV-RNA in a bank vole might be caused by a spillover infection. The cvHEV genome shares the hepevirus-typical open reading frames, but also has unique cvHEV-specific attributes in its genome.
The investigation of 420 Norway rats (Rattus norvegicus) and 88 Black rats (Rattus rattus) identified HEV-RNA in Norway rats from eight of nine and Black rats from two of four European countries. In a single Norway rat from Belgium, a HEV-3-strain with high sequence similarities to rabbitHEV (HEV-3ra), was detected. The investigation of zoo animals revealed a ratHEV spillover infection in a Syrian brown bear (Ursus arctos syriacus). This infection was most likely caused by ratHEV-infected free-living, wild rats from the same zoo.
Investigation of wild rabbit populations trapped in and around Frankfurt am Main, Germany, showed anti-HEV antibodies (34.7%) and rabbitHEV-RNA (25%). A high sequence similarity of rabbitHEV in the animals trapped at the urban site was observed, whereas a high sequence divergence was seen for the animals trapped at the rural trapping sites.
In conclusion, hepeviruses are widespread among different small mammal populations in Europe. The broad geographical distribution of these hepeviruses should be taken into account in further public health risk assessments. Further investigations are needed to characterize the presence of cvHEV in more detail, especially by taking the population dynamics of common voles into account. The detected HEV-strains could be taken as basis for the establishment of novel HEV-animal models, which might replace the so far used swine and non-human primate models.
Primary producers, alongside heterotrophic bacteria and viruses, modulate the essential global carbon cycle. About half of the Earth’s net primary production originates in the marine environment. By effecting these systems and the burial of carbon, bacteria play a significant role in the world’s climate, especially with regard to rising temperatures and increasing anthropogenic carbon dioxide production.
Particles present substrate-rich niches for particle-associated bacteria, but are rare in the marine system. Particle-associated bacteria, comprising of chemotactic motile free-living and particle-attached bacteria, were shown to have higher respiration rates, were larger in cell and genome size and showed a higher hydrolytic activity of extracellular enzymes compared to the free-living fraction.
Understanding the contribution of particle-associated bacteria to the degradation of algal biomass is essential to understand the marine carbon cycle. However, the identification of this group is difficult and required refinement.
Sequential filtration, the most commonly used technique for the separation of bacterial fractions, provides only access to a part of the particle-associated microbiome, and includes with large and clustered bacteria undesired false-positives. To overcome these limitations, separation by gravity in Imhoff sedimentation cones was explored in this thesis to access, identify and define particle-associated microbiomes, in comparison and conjunction with the established separation techniques like sequential filtration and centrifugation.
The cultivability on agar plates was assessed, aiming at the question which portion of the colony-forming bacteria belong to free-living non-motile or motile bacteria or to particle-attached bacteria. As continuous cultivation on plates often involves loss of cultures, colonies of the original plate were used to obtain partial 16S rRNA sequences of individual colonies and of plate microbiomes.
For future studies on particle-associated bacteria, a representative strain collection was established from particle-attached bacteria retained on 3 μm filters and from particle-associated bacteria collected together with settled algae in sedimentation cones.
To understand the contribution of top-down selection to a yearly recurring bacterioplankton bloom at our sampling site Helgoland, particle-associated strains were included in isolation experiments for flavophages, since Flavobacteriia are among the most important responder to the yearly observed blooms.
Overall, this thesis provides new insights into the isolation and cultivation of particle-associated bacteria – an important, but currently not fully understood fraction of organisms within the marine system.
Phenolics and its derivatives are aromatic compounds with a wide range of industrial applications. Gallic acid, protocatechuic acid, catechol or pyrogallol are only a few examples of industrially relevant aromatics. The production of bulk fine chemicals primarily for chemical and pharmaceutical industry has put a strong emphasis on optimizing manufacturing conditions. Commercial production of many chemicals is still based on organic chemical synthesis using petroleum derivatives as starting material. Since these processes are considered environmentally unfriendly and posing an irresponsible strain on limited fossil resources, much attention is paid to the development of new microbial factories for the bioproduction of industrially relevant chemicals using renewable sources or organic pollutants as starting material. Arxula adeninivoras is a non-conventional yeast possessing attractive properties for industrial application such as thermo- and osmotolerance. Another major advantage of this organism is its broad substrate spectrum with tannin at the forefront. The present project is dedicated to the study of the tannic acid degradation pathway in A. adeninivorans. Two genes encoding enzymes annotated as gallic acid decarboxylase (AGDC1) and catechol-1,2-dioxygenase (ACDO1) have been selected and investigated. Both enzymes were characterized and their function in tannin catabolism analyzed.
Infectious diseases remain a significant threat to the wellbeing of humans and animals
worldwide. Thus, infectious disease outbreaks should be investigated to understand the
emergence of these pathogens, leading to prevention and mitigation strategies for future
outbreaks. High-throughput sequencing (HTS) and bioinformatic analysis tools are reshaping
the surveillance of viral infectious diseases through genome-based outbreak investigations. In
particular, analyzing generic HTS datasets using a metagenomic analysis pipeline enable
simultaneous identification, characterization, and discovery of pathogens.
In this thesis, generic HTS datasets derived from the 2018-19 WNV epidemic and USUV
epizooty in Germany were evaluated using a unified pipeline for outbreak investigation and an
early warning system (EWS). This pipeline obtained 34 West Nile virus (WNV) whole-genome
sequences and detected several sequences of Usutu virus (USUV) and other potential
pathogens. A few WNV and USUV genome sequences were completed using targeted HTS
approaches. Phylogenetic and phylogeographic inferences, reconstructed using WNV wholegenome sequences, revealed that Germany experienced at least six WNV introduction events.
The majority of WNV German variants clustered into the so-called “Eastern German clade
(EGC),” consisting of variants derived from birds, mosquitoes, a horse, and human cases. The
progenitors of the EGC subclade probably circulated within Eastern Europe around 2011. These
flavivirus genome sequences also provided substantial evidence for the first reported cases of
WNV and USUV co-infection in birds. Phylogenetic inferences of USUV genome sequences
showed the further spread of the USUV lineage Africa 3 and might indicate the overwintering
of the USUV lineage Europe 2 in Germany. Among viral sequences reported in the EWS, Hedwig
virus (HEDV; a novel peribunyavirus) and Umatilla virus (UMAV; detected in Europe for the
first time) were investigated using genome characterization, molecular-based screening, and
virus cultivation since these viruses were suspected of causing co-infections in WNV-infected
birds. The EWS detected overall 8 HEDV-positive and 15 UMAV-positive birds in small sets of
samples, and UMAV could be propagated in a mosquito cell culture Future studies are necessary
to investigate the pathogenicity of these viruses and their role in the health of wild and captive
birds.
In conclusion, this study provided a proof-of-concept that the developed unified and
generic pipeline is an effective tool for outbreak investigation and pathogen discovery using the
same generic HTS datasets derived from outbreak and surveillance samples. Therefore, this
thesis recommends incorporating the unified pipeline in the key response to viral outbreaks to
enhance outbreak preparedness and response.
Trotz der Verfügbarkeit von verschiedenen Impfstoffen zählen Influenza-A-Viren (IAV) nach wie vor zu den gefährlichsten humanpathogenen Krankheitserregern weltweit. Ebenso verursachen einige animale IAV-Stämme bei zahlreichen Wild- und Nutztierarten schwerwiegende und teilweise tödlich verlaufende Infektionen. Daher ist die Entwicklung moderner und effektiver Impfstoffe gegen IAV für die Tier- und Humanmedizin von größter Wichtigkeit. Im ersten Teil der Arbeit wurde auf Basis des IAV-Stamms A/Bayern/74/2009 (pH1N1) eine doppelt-attenuierte IAV-Mutante, genannt BY74-NS1-99-E, mit einem Elastase-sensitiven HA-Spaltmotiv und einer C-terminalen Verkürzung des Interferon-Antagonisten NS1 generiert und hinsichtlich ihrer Eignung als IAV-Lebendimpfstoff untersucht. In vitro zeigte sich BY74-NS1-99-E streng Elastase-abhängig und replizierte ausschließlich unter dessen Zugabe zu ähnlich hohen Titern wie der Wildtyp unter Zugabe von Trypsin. Aufgrund der geringen Elastase-Verfügbarkeit in vivo war die Mutante in ihrer Replikationsfähigkeit stark eingeschränkt und zeigte sich im Gegensatz zum Wildtyp sowohl im Mausmodell als auch im Schwein vollkommen apathogen. In der Maus führte die einmalige intranasale Applikation von BY74-NS1-99-E zu einer deutlichen Bildung von H1-spezifischen Serumantikörpern. Ihr Auftreten korrelierte mit dem Schutz der Mäuse gegen eine Belastungsinfektion mit dem homologen Wildtyp-Virus. Während eine singuläre Immunisierung mit einer Dosis von 106 TCID50 BY74-NS1-99-E komplett vor einer Replikation des homologen Belastungsvirus schützte, verhinderten Dosen ab 104 TCID50 die Ausbildung klinischer Symptome, einen Gewichtverlust und reduzierten die pulmonale Viruslast. Im Schwein erwies sich die Mutante als wenig immuogen. So ließ sich selbst nach zweifacher intranasaler Applikation mit der Mutante keine H1- oder NP- spezifische Antikörper-Antwort nachweisen. Um künftig leichter Fragen zum Zelltropismus und zur Virusausbreitung auch in Echtzeit sowohl in vitro als auch in vivo untersuchen zu können, wurde im Rahmen des zweiten Teils der Arbeit ein replikationsfähiges IAV mit einem membranständigen eGFP generiert. Die Strategie zur Herstellung des rekombinanten, Fremdgen exprimierenden Virus, basierte auf einer Veröffentlichung von Gao et al. (2010), in welcher ein IAV mit einem zusätzlichen neunten Gen-Segment beschrieben wird. Bei den in vitro Untersuchungen zum Wachstumsverhalten der mittels reverser Genetik hergestellten Mutante BY74-eGFP, wurde eine im Vergleich zum parentalen Wildtyp verminderte Replikationseffizienz festgestellt. Genetisch zeigte sich BY74-eGFP weitgehend stabil. Die Ergebnisse der Western-Blots sowie die Immunfärbungen zur konfokalmikroskopischen Auswertung deuteten stark auf eine Inkorporation des NA-eGFP-Fusionsproteins in die virale Membran der Mutante hin. Ein solches Reportergen-exprimierendes Virus könnte zukünftig als molekulares Werkzeug bei der Untersuchung und Aufklärung der genauen Verläufe einer IAV-Infektion in vitro und in vivo dienen. Ziel des dritten Teils dieser Arbeit war es, auf Grundlage der Arbeiten von Gao et al. (2010) und Stech et al. (2005), ein Elastase-abhängiges IAV, welches zwei verschiedene Hämagglutinine (H1 und H3) exprimiert, zu generieren und auf seine Eignung als LAIV im Mausmodell zu untersuchen. Als Basis für das generierte Neunsegmentvirus BY74-H1H3-E diente der Stamm A/Bayern/74/09 (pH1N1). Das zusätzlich bereitgestellte neunte Gensegment codierte für das H3-HA des Stammes A/Swine/Bissendorf/IDT1864/2003 (H3N2) (SB03). Bei den In-Vitro-Untersuchungen zur Expressions-Stabilität konnte zwar zunächst eine schwache H3-HA-Expression in den infizierten Zellen beobachtet werden, jedoch reduzierte sich diese von Passage zu Passage und verschwand letztendlich. Die Genomanalyse zeigte, dass das H3-tragende Gensegment letztlich verloren ging. Im Vergleich zum Wildtyp wies das potentielle Impfvirus in vitro eine stark verringerte Replikationsfähigkeit auf. Im Mausmodell erwies sich die BY74-H1H3-E-Mutante im Gegensatz zu A/Bayern/74/09 (pH1N1) und A/Swine/Bissendorf/IDT1864/2003 (H3N2) als vollkommen apathogen. Eine zweifache intranasale Immunisierung mit 103 TCID50 der dualen Virusmutante induzierte eine deutliche H1-spezifische und zum Teil eine moderate H3-spezifische Antikörper-Antwort. Sie schützte die Tiere bei einer homologen Belastungsinfektion BY74-Wildtyp (H1N1) komplett vor einem Gewichtsverlust und der Ausbildung klinischer Symptome. Bei einer heterosubtypischen Belastungsinfektion mit SB03-Wildtyp (H3N2) reduzierte sie den Gewichtsverlust und die klinischen Symptome. Die Doppelimmunisierung führte sowohl bei den Tieren, die einer homologen als auch bei den Tieren die einer heterologen Belastungsinfektion unterzogen worden waren zu einer Reduktion der pulmonalen Viruslast. Insgesamt erfüllte BY74-H1H3-E die Anforderungen eines potentiellen dualen LAIV-Kandidaten nur bedingt.
Herstellung sicherer und wirksamer Lebendvakzine gegen die Koi Herpesvirus Infektion von Karpfen
(2019)
Das Koi Herpesvirus (KHV, Cyprinid herpesvirus 3) verursacht eine tödliche Erkrankung bei Kois und Karpfen. Um sichere und wirksame Lebendvirusimpfstoffe zu erhalten, haben wir Einzel- und Doppeldeletionsmutanten von KHV erzeugt, aus deren Genom die für die beiden Nukleotidstoffwechselenzyme Thymidinkinase (TK, ORF55) und Desoxyuridin-Triphosphatase (DUT, ORF123) codierenden Leserahmen gezielt entfernt worden waren. Die Mutationen wurden durch homologe Rekombination in den zellkulturadaptierten aber noch virulenten Stamm KHV-T eingeführt. Umfangreiche in vitro Tests zeigten, dass die Deletion der TK- und DUT- Gene die KHV-Replikation in Zellkultur (CCB Zellen) nicht erkennbar beeinträchtigt. In vivo Tests an Jungkarpfen zeigten jedoch eine im Vergleich zum Ausgangsvirus signifikant reduzierte Virulenz der Einzelgen-Deletionsmutanten eine fast vollständige Attenuierung der Doppelmutante. Dennoch waren alle immunisierten Karpfen gegen eine letale Belastungsinfektion mit virulentem KHV geschützt. Mittels einer neu entwickelten Triplex-Real-Time-PCR und aus Kiementupferproben isolierter DNA war es möglich, mit TK-negativem KHV immunisierte und Wildtyp- infizierte Karpfen zu differenzieren. Daher könnte die Doppelmutante KHV- TΔDUT/TK als genetischer Marker-Impfstoff geeignet sein.
In einer zweiten Studie wurde die Funktion von vier immunogenen Hüllglykoproteinen der ORF25-Genfamilie (ORF25, ORF65, ORF148 und ORF149) von KHV untersucht. Hierbei wurde festgestellt, dass alle vier Gene für die Virusreplikation in Zellkultur entbehrlich sind. Während die Deletion von ORF65 keinen erkennbaren Einfluss auf die Virusvermehrung hatte, führte die Deletion von ORF148 sogar zu einer leicht erhöhten Replikationsrate. Im Gegensatz dazu bewirkten Deletionen von ORF25 oder ORF149 einen verzögerten Eintritt in die Wirtszellen und damit auch eine verlangsamte Vermehrung und Ausbreitung der Viren. Interessanterweise führte die gemeinsame Deletion der Gene ORF148 und
ORF149 zu einem wildtypähnlichen Wachstumsverhalten, das auf gegensätzlicher Funktionen der beiden Proteine hindeutete. Elektronenmikroskopische Untersuchungen von CCB-Zellen, die mit den verschiedenen Glykoproteindeletionsmutanten infiziert waren, zeigten keine Auswirkungen auf die Bildung und Reifung der Virionen im Zellkern oder im Zytoplasma, oder die Virusfreisetzung. Im Tierversuch erwiesen sich KHV-Mutanten mit Deletionen der Gene ORF148 und/oder ORF149 als geringfügig, aber für eine Verwendung als Lebendvirus-Impfstoff nicht ausreichend abgeschwächt. Überlebende Fische waren jedoch gegen Belastungsinfektionen ebenso gut geschützt wie Wildtyp-infizierte Karpfen, so dass die Deletion dieser antikörperinduzierenden Proteine zur Entwicklung von KHV-Markerimpfstoffen beitragen könnte, die eine serologische Differenzierung von Wildtyp-infizierten und geimpften Fischen erlauben (DIVA- Prinzip). In einer dritten Studie wurden durch serielle Zellkulturpassage von virulentem KHV und anschließende in vivo Infektionsversuche Hinweise darauf gefunden, dass das bislang nicht näher charakterisierte, neben dem ORF149 Gen lokalisierte ORF150 für einen weiteren Virulenzfaktor von KHV codiert. Möglicherweise könnte also durch eine kombinierte Deletion der im Rahmen dieser Arbeit untersuchten KHV-Gene ein sicherer und wirksamer, genetisch und serologisch differenzierbarer Markerimpfstoff hergestellt werden.
Herpesviruses are enveloped DNA viruses which are dependent on two fusion steps for efficient replication in the host cell. First, they have to fuse their envelope with the cellular plasma membrane or with the vesicle membrane after endocytic uptake to enter the host cell and second, they have to export the newly generated nucleocapsids from the site of assembly to the cytoplasm by fusion of the primary virion envelope with the outer nuclear membrane (ONM). The main goal of this project was to provide a better understanding of how herpesvirus capsids exit the nucleus. On the one hand this thesis aimed at finding cellular proteins involved in nuclear egress (Paper I), while on the other the focus was on further characterization of the viral nuclear egress complex (NEC, Paper II) and its interaction with the capsid (Paper III).
It is the hallmark of viruses, including herpesviruses, to hijack host cell proteins for their efficient replication. Some of those interactions are well characterized, while others might not yet have been discovered. In the last step of the nuclear egress, where the primary virion membrane fuses with the ONM, most likely a cellular machinery is involved. The presented work focused on Torsin, the only known AAA+ ATPase localizing in the endoplasmic reticulum and the perinuclear space (PNS). For this, the effect of overexpression of WT and mutant proteins, as well as CRISPR/Cas9 generated knock-out cell lines, on PrV replication was analyzed. Neither single overexpression nor single knockouts of TorA or TorB had any significant effects on virus titers. However, infection of TorA/B double knockout cells revealed reduced viral titers and an accumulation of primary virions in the PNS at early infection times, indicating a delay in nuclear egress.
The process of nuclear egress has been intensively investigated without revealing all its details. To address some of the missing aspects we generated monoclonal antibodies (mAbs) against the NEC and its components (pUL31 and pUL34) for a better visualization of the process in transfected as well as infected cells. These mAbs provide a useful tool for future analyses.
The publication of the NEC crystal structure formed the basis for intensive research on the molecular details of the NEC formation and its interaction with the nucleocapsid. Recently, our lab showed that lysine (K) at position 242 in the membrane-distal part of pUL31 is crucial for incorporation of the nucleocapsid into budding vesicles. Replacing K by alanine (A) resulted in accumulations of vesicles in the PNS, while mature capsids were not incorporated. To test whether this is due to electrostatic interference or structural restrictions we substituted K242 by different aa to determine the requirements for nucleocapsid uptake into the nascent primary particles. To analyze whether the defect of pUL31-K242A can be compensated by second-site mutations, PrV-UL31-K242A was passaged and mutations in revertants were analyzed. Different mutations have been identified compensating for the K242A defect. A considerable number of mutations indicates that the NEC is much more flexible than previously thought. Further, we gained information that the K at position 242 is not directly involved in capsid interaction, while it is more likely involved in rearrangements within the NEC coat.
Die Analyse bakterieller Phosphoproteome rückt durch die Einflussnahme von Phosphorylierungsereignissen im Virulenzgeschehen pathogener Mikroorganismen immer weiter in den Vordergrund. Der Fokus dieser Arbeit lag auf der globalen Analyse bakterieller Phosphoproteome unter Anwendung verschiedener Techniken der Proteomforschung. Ziel war es, einen möglichst umfassenden Überblick über das cytosolische Phosphoproteom zu gewinnen, die Dynamik der Protein-Phosphorylierungen unter verschiedenen physiologischen Bedingungen zu analysieren und daraus folgend Hinweise auf regulatorische Mechanismen zu erhalten. Im Zuge der Untersuchungen zum Phosphoproteom von Bacillus subtilis wurde das auf den phosphosensitiven Pro-Q® Diamond-Farbstoff basierende 2D-Gel-Färbeprotokoll optimiert und validiert. Ferner wurde dieses Protokoll erfolgreich für die Untersuchungen des Phosphoproteoms von Mycoplasma pneumoniae und Staphylococcus aureus eingesetzt. Durch die Etablierung einer Methode zur Phosphopeptidanreicherung konnte der Blick auf das Gesamtphosphoproteom von S. aureus komplementiert werden. Insgesamt war es dadurch möglich, 103 phosphorylierte Proteine und 68 verschiedene Phosphorylierungsstellen von S. aureus zu identifizieren, darunter z. B. den Virulenzregulator SarA, dessen Phosphorylierung einen Hinweis auf seine mögliche Regulation aufzeigt. Zusätzlich konnten die Phosphorylierungsergebnisse der Fruktose-1,6-Bisphosphataldolase erste Hinweise auf eine Regulation der Substratbindung liefern und einen Erklärungsansatz enstehen lassen, der die Wirkungslosigkeit einiger in der Literatur beschriebenen Enzyminhibitoren (potentielle antimikrobielle Wirkstoffe) in in vivo Studien darlegt. In einem auf der Pro-Q® Diamond-Färbung beruhenden Quantifizierungsansatz konnten 10 signifikante Veränderungen in der Signalintensität der phosphorylierten Proteine unter Glukosehunger, nitrosativem, oxidativem und osmotischem Stress festgestellt werden. Diese liefern erste Indizien auf durch Phosphorylierungsereignisse gesteuerte Regulationsmechanismen. Besonders die unter nitrosativen Stress neu auftretenden putativ phosphorylierten Proteinspots der Proteine FdaB (Fruktose-Bisphosphataldolase) und HchA (molekulares Chaperon Hsp31/Glyoxalase 3) lassen Spekulationen über neue Stoffwechselwege, wie z. B. einen Methylglyoxal detoxifizierenden Mechanismus, zu. Darüber hinaus konnten durch die Glukosehungerexperimente und die Spezifizierung der Phosphorylierungsstelle T537 der Pyruvatkinase von S. aureus ein Regulationsmechanismus vorgeschlagen werden, der das "Finetuning" des Energieladungszustandes der Zelle über einen Phosphorylierungs- und Dephosphorylierungsmechanismus beschreibt. Von weiterem Interesse war die Identifizierung von am Arginin phosphorylierten Peptiden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde hierfür das Phosphopeptid-anreicherungsprotokoll optimiert, so dass in Zusammenarbeit mit A. Elsholz (Inst. f. Mikrobiologie, EMAU Greifswald) die Identifizierung von phosphorylierten Argininresten der Argininkinase McsB und der ATPase ClpC in B. subtilis möglich wurde. Darüber hinaus wurde die Methode in globalen Untersuchungen einer Phosphatasemutante (∆ywlE, B. subtilis) angewandt. Mittels der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten massenspektrometrischen Analyse der angereicherten Peptide konnten 111 Arginin-Phosphorylierungsstellen identifiziert werden. Zur Verbesserung der Quantifizierung von phosphorylierten Proteinen in B. subtilis wurde ein Protokoll entwickelt, indem das Auftrennungspotential des 2D-Gels, die Identifizierung phosphorylierter Proteine anhand des Pro-Q® Diamond-Farbstoffs und die auf die metabolische Markierung beruhende Quantifizierung miteinander kombiniert wurde. Im Ergebnis konnte anhand dieser Methode eine bessere Reproduzierbarkeit und eine höhere Sensitivität bei geringeren Veränderungen im Vergleich zu dem Pro Q® Diamond basierten Quantifizierungsansatz erzielt werden.
The Gram-positive bacterium Bacillus licheniformis is an important industrial host for the production of enzymes. Genomic DNA arrays and proteomics are being used to investigate the physiology of this bacterium. A genome-wide transcriptional profiling analysis of the adaptation of B. licheniformis to phosphate starvation shows more than 100 induced genes. Most of strongly induced genes belong to the putative Pho regulon. The data of the transcriptome analysis have been verified by the analysis of the extracellular and cytoplasmic proteome. The main response of B. licheniformis to glucose starvation was a switch to the usage of alternative carbon sources. In addition, B. licheniformis seems to be using other organic substances like amino acids and lipids as carbon sources when subjected to glucose starvation. This was indicated by the induction of a high number of genes the proteins of which are involved in amino acid and lipid degradation. During nitrogen starvation genes necessary for the recruitment of nitrogen from alternative sources were induced, e.g. genes for nitrate and nitrite assimilation, several proteases and peptidases. Both starvation conditions led to a down-regulation of the transcription of most vegetative genes and subsequently to a reduced synthesis of the corresponding proteins. Only a few genes were induced by both starvation conditions like yvyD, citA and the methylcitrate shunt genes mmgD, mmgE and yqiQ. Data of this study use to better understand the physiology of this bacterium during fermentation processes and thus to identify and circumvent bottlenecks of B. licheniformis based bioprocesses. In addition, the phytase promoter was tested for the construction of an alternative phosphate regulated expression system for B. licheniformis.
Die Spezies Kuhpockenvirus (CPXV), ein Mitglied des Genus Orthopoxvirus, ist endemisch in weiten Teilen Europas und Asien verbreitet. CPXV besitzt ein sehr breites Wirtsspektrum und zählt zu den zoonotischen Erregern. Phylogenetische Analysen deuten darauf hin, dass CPXV polyphyletisch ist. Die bisher definierten Kladen wurden in vorliegender Arbeit bestätigt. Die 20 neu gewonnenen CPXV-Stämme verschiedenster Wirtsspezies gruppieren vorrangig in die CPXV-like 1 und CPXV-like 2 Kladen. Ein CPXV-Stamm, isoliert von einem Neuweltaffen, erscheint jedoch als single branch und lässt sich keiner bisher bekannten Klade zuordnen.
Gegenwärtig ist über die Rolle der Wühlmäuse, die als Reservoirwirt der Kuhpockenviren betrachtet werden, wenig bekannt. In vorliegender Arbeit sollte deshalb das aus einer Feldmaus (Microtus arvalis) stammende CPXV-Isolat FM2292 eingehend charakterisiert werden. CPXV FM2292 weist das bisher längste CPXV-Genom auf, das in die CPXV-like 1 Klade clustert. Neben der Sequenzanalyse sollten vergleichende experimentelle Infektionsstudien in Feldmäusen und Wistar-Ratten durchgeführt werden. Der Krankheitsverlauf nach intranasaler CPXV FM2292-Infektion bei Feldmäusen verlief subklinisch; Wistar-Ratten hingegen zeigten ausgeprägte klinische Symptome. Im Gegensatz dazu verursachte die Infektion mit einem aus einer Schmuseratte isolierten CPXV-Stamm bei den Feldmäusen eine starke Klinik. Daraus lässt sich schließen, dass Feldmäuse gegenüber Wühlmaus-assoziierten Stämmen, wie CPXV FM2292, eine Adaptation entwickelt haben. Die nachgewiesene Virusausscheidung weist auf eine Tröpfchen-basierte Übertragung hin.
Neben Feldmäusen sollten auch Rötelmäuse im Tierversuch näher betrachtet werden. Unabhängig vom eingesetzten CPXV-Stamm resultierten die experimentellen CPXV-Infektionsstudien in Rötelmäusen (Myodes glaerolus) in subklinischen Verläufen. Eine nasale Virusausscheidung konnte nicht detektiert werden, was im starken Kontrast zu den Ergebnissen aus experimentell infizierten Feldmäusen steht. Dennoch deuteten die Serokonversionsraten der Rötelmäuse darauf hin, dass eine Replikation im Wirt stattgefunden hat. Zudem entwickelten zwei Kontakttiere ebenfalls OPV-spezifische Antikörper, was auf eine Übertragung des Virus schließen lässt.
Wühlmäuse als Reservoirwirt dienen der Übertragung des Kuhpockenvirus auf akzidentielle Wirtsspezies wie Hauskatzen oder Nutztiere. Der in dieser Arbeit betrachtete Fallbericht eines mit CPXV-infizierten Fohlens zeigt, dass CPXV-Infektionen bei akzidentiellen Wirten mit stark ausgeprägter Klinik verbunden sein können. Zudem wird die wachsende Gefahr der Übertragung von CPXV auf Nutztiere und Menschen deutlich.
Zusammenfassend unterstreicht die in der vorliegenden Arbeit verwendete phylogenetische Betrachtung die genetische Variabilität der Spezies CPXV. Zudem konnten neue Erkenntnisse zu Feldmäusen und Rötelmäusen als Reservoirwirtsspezies gewonnen werden. CPXV-Infektionen von Wühlmäusen verlaufen subklinisch, im Gegensatz zu dem hier ebenfalls beschriebenen, lethal endenden CPXV-Infektionsverlauf eines akzidentiellen Wirts, eines abortierten Fohlens.
LPAIV H9N2 and HPAIV H5N8 clade 2.3.4.4 viruses have been frequently isolated from domestic and wild birds in Germany and they are endemic in poultry worldwide. H9N2 is known to donate gene segments to other AIV with high case fatality rate in humans (e.g. H5N1, H7N9). Similarly, H5N8 devastated poultry worldwide since 2014 and has been recently isolated from humans. Therefore, it is important to understand the genetic predisposition for adaptation of H9N2 and H5N8 AIV in poultry and mammals. In the first publication, we focused on the variable hemagglutinin cleavage site (HACS) of European and Non-European H9N2 viruses, since the HACS is a main virulence determinant of AIV in birds. We found a preferential substitution of non-basic amino acids (G, A, N, S, D, K) in the HACS at position 319 of European H9N2 viruses compared to non-European H9N2 viruses. Recombinant viruses carrying different non-basic amino acids in the HACS modulated replication in vitro. While these non-basic amino acids did not affect virulence or transmission in chickens, they modulated virulence and replication in turkeys. Moreover, H9N2 viruses with non-basic amino acids in the HACS were able to replicate in mammalian brain cells for multiple cycles even without trypsin. In the second publication, we addressed the question whether reassortment between two recent German H9N2 and H5N8 clade 2.3.4.4. B viruses is possible and analysed the impact on virus fitness in mammals and birds. We found that H9N2 PB1 and NP segments were not compatible to generate infectious H5N8 viruses and this incompatibility was due to mutations outside the packaging region. However, H9N2 NS alone or in combination with PB2 and PA significantly increased replication of H5N8 in human cells. Moreover, H9N2 PB2, PA and/or NS segments increased virulence of H5N8 in mice. Interestingly, in chickens, reassortment with H9N2 gene segments, particularly NS, partially or fully impaired chicken-to-chicken transmission. These results indicate that the evolution of H9N2/H5N8 reassortants showing high virulence for mammals is unlikely to occur in chickens. In the third publication, we focused on the NS1 protein of different HPAIV H5N8 clade 2.3.4.4 viruses from 2013 to 2019 and studied the impact of its C-terminus (CTE) variation on virus fitness in chickens and ducks. Our findings revealed a preferential selection for a certain NS1 CTE length in 2.3.4.4. H5N8 clade A (237 aa) and B (217 aa) viruses over the common length of 230 aa. Indeed, the NS1 CTE can affect virus virulence and pathogenesis in a species and virus clade dependent manner. In chickens, although there was no impact on virulence, NS1 CTE of H5N8-A and H5N8-B, regardless of the length, have evolved towards higher efficiency to block the IFN response. In ducks, NS1 CTE contributed to efficient transmission, replication and high virulence of H5N8-B. In the fourth publication, we assessed the impact of variable length of NS1 on H5N8 virus replication in human cells and virulence in mice. We showed that NS1 of H5N8-B virus unlike the vast majority of NS1 of AIV, shared preferences for short NS1 similar to human and zoonotic influenza viruses. This virus (i) was able to efficiently block IFN and apoptosis induction which might be the first steps for efficient adaptation to human cells and (ii) without prior adaptation replicated at higher levels and was more virulent in mice than H5N8-A. The virulence of the latter virus increased after shortening the NS1 similar to H5N8-B virus. Therefore, it is conceivable that truncation in NS1 is a determinant for adaptation of H5N8 in mammals irrespective of its impact on virus fitness in poultry. Findings in this dissertation indicated that HA mutations in the European H9N2 and NS1 variations in H5N8 viruses play a role in virus fitness in poultry and/or mammals. These results improve our current understanding for AIV adaptation and are useful to assess the potential of these viruses to infect mammals.
Avian influenza viruses (AIVs) have their natural reservoir in wild aquatic birds but occasionally
spread to terrestrial poultry. While AIVs of subtypes H5 and H7 are well known to evolve highly
pathogenic avian influenza viruses (HPAIVs) during circulation in domestic birds, non-H5/H7
subtypes exhibit only a low to moderate pathogenicity. Furthermore, spillover events to a broad
range of mammalian hosts, including humans, with self-limiting to severe illness or even fatal
outcomes, were reported for non-H5/H7 AIVs and pose a pandemic risk. The evolution of high
virulent phenotypes in poultry and the adaptation of AIVs to mammalian hosts are predominantly
linked to genetic determinants in the hemagglutinin (HA). The acquisition of a polybasic cleavage
site (pCS) is a prerequisite for the evolution of HPAIVs in poultry, while changes in the receptor
binding preference and virus stability are essential for adaptation of AIVs to mammals.
In August 2012, an H4N2 virus with the pCS motif 322PEKRRTR/G329 but preserved trypsin
dependend replication and low pathogenicity in chickens was isolated on a quail farm in California.
In the first two publications, we followed different approaches to investigate virulence factors and
the potential risk for the transition of H4N2 to high virulence in chickens. The loss of N-terminal
glycosylations in the vicinity of the pCS resulted in decreased binding to avian-like receptors and
dramatically decreased virus stability. On the other hand, one deglycosylation increased virus
replication and tissue tropism in chicken embryos but did not alter virulence or excretion in
chickens. Furthermore, additional basic amino acids in the natural pCS motif improved the trypsin-independent
cleavage of HA and caused slightly increased tissue tropism in chickens. However,
the engineered motifs alone did not affect virulence in chickens. Intriguingly, they even had a
detrimental effect on virus fitness, which was restored after reassortment with segments of HPAIV
H5N1. Together, the results show the importance of HA glycosylations on the stability of H4N2 and
reveal the important role of non-HA segments in the transition of this virus to high virulence in
poultry.
The transmission of another non-H5/H7 AIV of subtype H10N7 from birds to seals resulted in mass
deaths in harbor seals in 2014 in northern Europe. The third publication describes nine mutations
in the HA1 subunit of seal isolates compared to avian H10Nx viruses. We found that some of these
mutations conferred a dual specificity for avian and mammalian receptors and altered
thermostability. Nevertheless, the H10N7seal remained more adapted to avian host cells, despite
of the alteration in the receptor binding specificity.
Altogether, this thesis demonstrates that naturally evolved AIVs beside H5 and H7 subtypes
support a highly pathogenic phenotype in the appropriate viral background and alter virulence and
host receptor specificity by few amino acid substitutions in the HA. These findings improve our
knowledge of the potential of non-H5/H7 AIVs to shift to high virulence in birds and the adaptation
in mammals.