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The aquaculture industry has been consistently and successfully growing over the years, supplying over 50% of the fish humans consume. A large part of this success is due to the implementation of vaccination, which is by far the most reliable prophylactic method in large-scale fish farming. Nonetheless, although recent fish vaccines have greatly contributed to the development and sustainability of the aquaculture industry, they not always offer sufficient protection to provide acceptable survival rates when infectious diseases outbreaks occur. Therefore, infectious diseases and effective vaccines still constitute major problems for aquaculture. Different practical aspects and biological factors of fish have also contributed to the unsuccessful outcome of fish vaccines. To date, many of the most effective vaccines for fish are injectable, and their formulation includes aluminum or oil emulsion adjuvants. Both facts constitute a major issue for animal welfare due to the stress and side effects they trigger. Great strides have been made in innovative technologies for fish vaccines. However, as of today, they are not available on the market. Thus, improvements in vaccine formulations and delivery routes remain an open topic and leads the to-do list of science with the aquaculture of the future. Vaccination provides immunity against a determined pathogen, and this is inherent to the immune system. Therefore, thorough knowledge about the fish immune system and how it is influenced by internal and external factors will certainly support rational vaccine design. Thereby, the immune responses triggered by a vaccine can be exhaustively characterized, and the formulations improved in case it is needed. Hence, the goal of this PhD thesis, is to provide knowledge to improve fish vaccination, both in its formulation and in its efficacy, aiming to promote the rational design of fish vaccines. Additionally, this work proposes a holistic view of fish, where the physiology and culture conditions of the fish are the starting points for the development and application of vaccines. Thus, concepts and considerations for rational vaccine design specific for fish are presented here. Article I of this thesis offers a comprehensive review on the current situation in Chile, but also worldwide aquaculture and the challenges it must face in the future. Namely, recurrent pathogenic outbreaks and sub-optimal levels of protection due to inefficient vaccination. This article established an open and flexible ground upon which to reflect on how and what to improve in fish vaccines, leading the efforts towards rational vaccine design. In Article II, we investigated whether the current most used vaccination route, intraperitoneal, can be improved by reducing the side effects of adjuvants, replacing them with in the vaccine formulations with Poly-(D,L-lactic-co-glycolic) acid (PLGA) microparticles, that serve simultaneously as vaccine vehicle and adjuvants. Article III summarizes the scientific literature about what is known about the teleost thymus. From this, it became clear how external factors such as photoperiod and seasonality can modulate this primary lymphatic organ, and probably, immune responses. These are essential factors to consider if effective and protective vaccines are needed in species highly influenced by the environment such as fish. As discussed in Article III, fish are poikilotherm animals, highly sensitive to environmental factors like light. In Article IV, we reported for the first time, light generates daily rhythms in cells’ circulation and gene expression, entraining the trout immune response. Therefore, “when” (time of the day) we stimulate fish matters in order to get optimal immune responses. Article V provides valuable knowledge about what happens with fish immune responses, against a bacterial agent, under constant cues like light/dark cycles and temperature. Once again, “when” we stimulate fish (season), influences the fish immune status and therefore, their immune responses. Finally, Article VI reports, for the first time, leukocytes extracted from fins of trout directly respond to a parasitic infection. This article supports the idea that further research must be done on fish mucosal surfaces, since they are key to stimulating/vaccinating fish, as they are a natural entry route for pathogens and modulate the immune responses mounted. Overall, the information provided by these articles is highly relevant for the aquaculture industry. Firstly, because the vaccine platform based on PLGA microparticles is promising for the future of fish vaccination, harmful adjuvants can be avoided, while still providing enhanced stimulation thanks to the timed-released capacity of the particles. Additionally, they offer the possibility to adapt them to in-feed vaccine pellets, which is the ideal delivery route for fish. Secondly, accurate vaccination protocols can be established; vaccination should be done during daytime, and preferably during the morning, where the physiological status of fish provide optimal conditions for induction of an ultimately protective immune response after vaccination. Furthermore, vaccination should be done during warm months, spring, or summertime, as apparently fish have free-run internal clocks that negatively modulate adaptive immune responses during wintertime. In summary, the present thesis provides a novel concept for vaccination of aquacultured species based on new data for rational vaccine design, with optimal application procedures based on the optimal timing (season and daytime), reduced stress by oral application and considerations about improving “first-line defenses” by vaccination via mucosal surfaces of gut or skin.

Laccases are regarded as versatile green biocatalysts, and recent scientific research has focused on improving their redox potential for broader industrial and environmental applications. The density functional theory (DFT) quantum mechanics approach, sufficiently rigorous and efficient for the calculation of electronic structures, is conducted to better comprehend the connection between the redox potential and the atomic structural feature of laccases. According to the crystal structure of wild type laccase CueO and its variant, a truncated miniature cluster model method was established in this research. On the basic of thermodynamic cycle, the overall Gibbs free energy variations before and after the one-electron reduction were calculated. It turned out that the trends of redox potentials to increase after variant predicted by the theoretical calculations correlated well with those obtained by experiments, thereby validating the feasibility of this cluster model method for simulating the redox potentials of laccases.

Bloodstream infections caused by Streptococcus pneumoniae induce strong inflammatory and procoagulant cellular responses and affect the endothelial barrier of the vascular system. Bacterial virulence determinants, such as the cytotoxic pore-forming pneumolysin, increase the endothelial barrier permeability by inducing cell apoptosis and cell damage. As life-threatening consequences, disseminated intravascular coagulation followed by consumption coagulopathy and low blood pressure is described. With the aim to decipher the role of pneumolysin in endothelial damage and leakage of the vascular barrier in more detail, we established a chamber-separation cell migration assay (CSMA) used to illustrate endothelial wound healing upon bacterial infections. We used chambered inlets for cell cultivation, which, after removal, provide a cell-free area of 500 μm in diameter as a defined gap in primary endothelial cell layers. During the process of wound healing, the size of the cell-free area is decreasing due to cell migration and proliferation, which we quantitatively determined by microscopic live cell monitoring. In addition, differential immunofluorescence staining combined with confocal microscopy was used to morphologically characterize the effect of bacterial attachment on cell migration and the velocity of gap closure. In all assays, the presence of wild-type pneumococci significantly inhibited endothelial gap closure. Remarkably, even in the presence of pneumolysin-deficient pneumococci, cell migration was significantly retarded. Moreover, the inhibitory effect of pneumococci on the proportion of cell proliferation versus cell migration within the process of endothelial gap closure was assessed by implementation of a fluorescence-conjugated nucleoside analogon. We further combined the endothelial CSMA with a microfluidic pump system, which for the first time enabled the microscopic visualization and monitoring of endothelial gap closure in the presence of circulating bacteria at defined vascular shear stress values for up to 48 h. In accordance with our CSMA results under static conditions, the gap remained cell free in the presence of circulating pneumococci in flow. Hence, our combined endothelial cultivation technique represents a complex in vitro system, which mimics the vascular physiology as close as possible by providing essential parameters of the blood flow to gain new insights into the effect of pneumococcal infection on endothelial barrier integrity in flow.

Background: Klebsiella pneumoniae causes severe diseases including sepsis, pneumonia and wound infections and is differentiated into hypervirulent (hvKp) and classic (cKp) pathotypes. hvKp isolates are characterized clinically by invasive and multiple site infection and phenotypically in particular through hypermucoviscosity and increased siderophore production, enabled by the presence of the respective virulence genes, which are partly carried on plasmids. Methods: Here, we analyzed two K. pneumoniae isolates of a human patient that caused severe multiple site infection. By applying both genomic and phenotypic experiments and combining basic science with clinical approaches, we aimed at characterizing the clinical background as well as the two isolates in-depth. This also included bioinformatics analysis of a chromosomal virulence plasmid integration event. Results: Our genomic analysis revealed that the two isolates were clonal and belonged to sequence type 420, which is not only the first description of this K. pneumoniae subtype in Germany but also suggests belonging to the hvKp pathotype. The latter was supported by the clinical appearance and our phenotypic findings revealing increased siderophore production and hypermucoviscosity similar to an archetypical, hypervirulent K. pneumoniae strain. In addition, our in-depth bioinformatics analysis suggested the insertion of a hypervirulence plasmid in the bacterial chromosome, mediated by a new IS5 family sub-group IS903 insertion sequence designated ISKpn74. Conclusion: Our study contributes not only to the understanding of hvKp and the association between hypervirulence and clinical outcomes but reveals the chromosomal integration of a virulence plasmid, which might lead to tremendous public health implications.

Four aerobic bacteria with bacteriolytic capabilities were isolated from the brackish water site Strait Uzynaral of Lake Balkhash in Kazakhstan. The morphology and physiology of the bacterial isolates have subsequently been analyzed. Using matrix assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrum and partial 16S rRNA gene sequence analyses, three of the isolates have been identified as Pseudomonas veronii and one as Paenibacillus apiarius. We determined the capability of both species to lyse pre-grown cells of the Gram-negative strains Pseudomonas putida SBUG 24 and Escherichia coli SBUG 13 as well as the Gram-positive strains Micrococcus luteus SBUG 16 and Arthrobacter citreus SBUG 321 on solid media. The bacteriolysis process was analyzed by creating growth curves and electron micrographs of co-cultures with the bacteriolytic isolates and the lysis sensitive strain Arthrobacter citreus SBUG 321 in nutrient-poor liquid media. One metabolite of Paenibacillus apiarius was isolated and structurally characterized by various chemical structure determination methods. It is a novel antibiotic substance.

The main goal of this contribution was to determine the effect of predation of the often abundant to dominant doliolid Dolioletta gegenbauri (Tunicata, Thaliacea) on the abundance of co-occurring planktonic copepods by feeding on their eggs. Previous oceanographic investigations revealed that doliolids had ingested eggs of small calanoid copepods. The ecological significance of such feeding could not be quantified completely because the environmental abundance of such eggs was not known. In this study, the eggs and nauplii of the neritic calanoid Paracalanus quasimodo (Crustacea, Copepoda) were offered to gonozooids and phorozooids of D. gegenbauri with a 6–6.5 mm length together with three species of phytoplankton; i.e., simulating diet conditions on the shelf. We hypothesized that copepod eggs of a similar size as food particles would be readily ingested whereas small nauplii, which could escape, would hardly be eaten by the doliolids. Our results revealed that doliolids have the potential to control small calanoids by ingesting their eggs at high rates but not their nauplii or later stages. Late copepodid stages and adults of co-occurring calanoid species could cause less mortality because they prey less on such eggs than doliolids of a similar weight. However, certain abundant omnivorous calanoid species with pronounced perception and/or capture abilities can prey successfully on the nauplii of small calanoids.

Multidrug-resistant (MDR) Enterobacterales, including extended-spectrum β-lactamase (ESBL)-producing Escherichia coli and Klebsiella pneumoniae, not only emerge in healthcare settings but also in other habitats, such as livestock and wildlife. The spread of these pathogens, which often combine resistance with high-level virulence, is a growing problem, as infections have become increasingly difficult to treat. Here, we investigated the occurrence of ESBL-producing E. coli and K. pneumoniae in fecal samples from two black-headed gull colonies breeding on two nature conservation islands in Western Pomerania, Germany. In addition to cloacal samples from adult birds (n = 211) and their nestlings (n = 99) during the 2021 breeding season, collective fecal samples (n = 29) were obtained. All samples were screened for ESBL producers, which were then subjected to whole-genome sequencing. We found a total of 12 ESBL-producing E. coli and K. pneumoniae consisting of 11 E. coli and 1 K. pneumoniae, and including the international high-risk E. coli sequence types (ST)131, ST38, and ST58. Eight of the investigated strains had a MDR genotype and carried a large repertoire of virulence-associated genes, including the pap operon, which is important for urinary tract infections. In addition, we identified many genes associated with adherence, biofilm formation, iron uptake, and toxin production. Finally, our analysis revealed the close phylogenetic relationship of ST38 strains with genomes originating from human sources, underlining their zoonotic and pathogenic character. This study highlights the importance of the One Health approach, and thus the interdependence between human and animal health and their surrounding environment.

The full genome of a Methanomassiliicoccales strain, U3.2.1, was obtained from enrichment cultures of percolation fen peat soil under methanogenic conditions, with methanol and hydrogen as the electron acceptor and donor, respectively. Metagenomic assembly of combined long-read and short-read sequences resulted in a 1.51-Mbp circular genome.

Re-establishment of submerged macrophytes and especially charophyte vegetation is a common aim in lake management. If revegetation does not happen spontaneously, transplantations may be a suitable option. Only rarely have transplantations been used as a tool to support threatened submerged macrophytes and, to a much lesser extent, charophytes. Such actions have to consider species-specific life strategies. K-strategists mainly inhabit permanent habitats, are perennial, have low fertility and poor dispersal ability, but are strong competitors and often form dense vegetation. R-strategists are annual species, inhabit shallow water and/or temporary habitats, and are richly fertile. They disperse easily but are weak competitors. While K-strategists easily can be planted as green biomass taken from another site, rare R-strategists often must be reproduced in cultures before they can be planted on-site. In Sweden, several charophyte species are extremely rare and fail to (re)establish, though apparently suitable habitats are available. Limited dispersal and/or lack of diaspore reservoirs are probable explanations. Transplantations are planned to secure the occurrences of these species in the country. This contribution reviews the knowledge on life forms, dispersal, establishment, and transplantations of submerged macrophytes with focus on charophytes and gives recommendations for the Swedish project.

The function and mode of action of small regulatory RNAs is currently still understudied in archaea. In the halophilic archaeon Haloferax volcanii, a plethora of sRNAs have been identified; however, in-depth functional analysis is missing for most of them. We selected a small RNA (s479) from Haloferax volcanii for detailed characterization. The sRNA gene is encoded between a CRISPR RNA locus and the Cas protein gene cluster, and the s479 deletion strain is viable and was characterized in detail. Transcriptome studies of wild-type Haloferax cells and the deletion mutant revealed upregulation of six genes in the deletion strain, showing that this sRNA has a clearly defined function. Three of the six upregulated genes encode potential zinc transporter proteins (ZnuA1, ZnuB1, and ZnuC1) suggesting the involvement of s479 in the regulation of zinc transport. Upregulation of these genes in the deletion strain was confirmed by northern blot and proteome analyses. Furthermore, electrophoretic mobility shift assays demonstrate a direct interaction of s479 with the target znuC1 mRNA. Proteome comparison of wild-type and deletion strains further expanded the regulon of s479 deeply rooting this sRNA within the metabolism of H. volcanii especially the regulation of transporter abundance. Interestingly, s479 is not only encoded next to CRISPR–cas genes, but the mature s479 contains a crRNA-like 5′ handle, and experiments with Cas protein deletion strains indicate maturation by Cas6 and interaction with Cas proteins. Together, this might suggest that the CRISPR–Cas system is involved in s479 function.

Lichens represent self-supporting symbioses, which occur in a wide range of terrestrial habitats and which contribute significantly to mineral cycling and energy flow at a global scale. Lichens usually grow much slower than higher plants. Nevertheless, lichens can contribute substantially to biomass production. This review focuses on the lichen symbiosis in general and especially on the model species Lobaria pulmonaria L. Hoffm., which is a large foliose lichen that occurs worldwide on tree trunks in undisturbed forests with long ecological continuity. In comparison to many other lichens, L. pulmonaria is less tolerant to desiccation and highly sensitive to air pollution. The name-giving mycobiont (belonging to the Ascomycota), provides a protective layer covering a layer of the green-algal photobiont (Dictyochloropsis reticulata) and interspersed cyanobacterial cell clusters (Nostoc spec.). Recently performed metaproteome analyses confirm the partition of functions in lichen partnerships. The ample functional diversity of the mycobiont contrasts the predominant function of the photobiont in production (and secretion) of energy-rich carbohydrates, and the cyanobiont’s contribution by nitrogen fixation. In addition, high throughput and state-of-the-art metagenomics and community fingerprinting, metatranscriptomics, and MS-based metaproteomics identify the bacterial community present on L. pulmonaria as a surprisingly abundant and structurally integrated element of the lichen symbiosis. Comparative metaproteome analyses of lichens from different sampling sites suggest the presence of a relatively stable core microbiome and a sampling site-specific portion of the microbiome. Moreover, these studies indicate how the microbiota may contribute to the symbiotic system, to improve its health, growth and fitness.

Glutathione (GSH) was initially identified and characterized for its redox properties andlater for its contributions to detoxification reactions. Over the past decade, however, the essentialcontributions of glutathione to cellular iron metabolism have come more and more into focus. GSH isindispensable in mitochondrial iron-sulfur (FeS) cluster biosynthesis, primarily by co-ligating FeSclusters as a cofactor of the CGFS-type (class II) glutaredoxins (Grxs). GSH is required for the exportof the yet to be defined FeS precursor from the mitochondria to the cytosol. In the cytosol, it is anessential cofactor, again of the multi-domain CGFS-type Grxs, master players in cellular iron and FeStrafficking. In this review, we summarize the recent advances and progress in this field. The mosturgent open questions are discussed, such as the role of GSH in the export of FeS precursors frommitochondria, the physiological roles of the CGFS-type Grx interactions with BolA-like proteins andthe cluster transfer between Grxs and recipient proteins

Regulated ATP-dependent proteolysis is a common feature of developmental processes and plays also a crucial role during environmental perturbations such as stress and starvation. The Bacillus subtilis MgsR regulator controls a subregulon within the stress- and stationary phase σB regulon. After ethanol exposition and a short time-window of activity, MgsR is ClpXP-dependently degraded with a half-life of approximately 6 min. Surprisingly, a protein interaction analysis with MgsR revealed an association with the McsB arginine kinase and an in vivo degradation assay confirmed a strong impact of McsB on MgsR degradation. In vitro phosphorylation experiments with arginine (R) by lysine (K) substitutions in McsB and its activator McsA unraveled all R residues, which are essentially needed for the arginine kinase reaction. Subsequently, site directed mutagenesis of the MgsR substrate was used to substitute all arginine residues with glutamate (R-E) to mimic arginine phosphorylation and to test their influence on MgsR degradation in vivo. It turned out, that especially the R33E and R94/95E residues (RRPI motif), the latter are adjacently located to the two redox-sensitive cysteines in a 3D model, have the potential to accelerate MgsR degradation. These results imply that selective arginine phosphorylation may have favorable effects for Clp dependent degradation of short-living regulatory proteins. We speculate that in addition to its kinase activity and adaptor function for the ClpC ATPase, McsB might also serve as a proteolytic adaptor for the ClpX ATPase in the degradation mechanism of MgsR.

Invasion of the bacterial pathogen Listeria monocytogenes into human host cells requires specialized surface molecules for attachment and induction of phagocytosis. However, efficient invasion is also dependent on factors with house-keeping functions, such as SecA2-dependent secretion of autolysins for post-divisional segregation of daughter cells. Mutations in this pathway prevent degradation of peptidoglycan cross-walls, so that long cell chains are formed that cannot be phagocytosed. The extreme chaining of such mutants manifests as rough colony phenotype. One rough clone was isolated from a transposon library with a transposon insertion in the uncharacterized lmo0720 gene (lftS) together with a spontaneous point mutation in the secA2 gene. We separated both mutations and demonstrated that this point mutation in the intramolecular regulator 2 domain of SecA2 was sufficient to inactivate the protein. In contrast, lftS deletion did not cause a ΔsecA2-like phenotype. lftS is located in an operon with lftR (lmo0719), encoding a PadR-like transcriptional regulator, and lftR deletion affected growth, invasion and day-light dependent coordination of swarming. Inactivation of lftS partially suppressed these phenotypes, suggesting a functional relationship between LftR and LftS. However, the invasion defect of the ΔlftR mutant was only marginally suppressed by lftS removal. LftR regulates expression of the lmo0979–0980 (lieAB) operon, encoding a putative multidrug resistance transporter and lieAB transcription was strongly upregulated in the absence of LftR. Deletion of lieAB in the ΔlftR background restores wild type-like invasion levels. Hence, we conclude that tight transcriptional repression of the lieAB operon is essential for efficient listerial host cell invasion.

Certain pathogenic bacteria adopt an intracellular lifestyle and proliferate in eukaryotic host cells. The intracellular niche protects the bacteria from cellular and humoral components of the mammalian immune system, and at the same time, allows the bacteria to gain access to otherwise restricted nutrient sources. Yet, intracellular protection and access to nutrients comes with a price, i.e., the bacteria need to overcome cell-autonomous defense mechanisms, such as the bactericidal endocytic pathway. While a few bacteria rupture the early phagosome and escape into the host cytoplasm, most intracellular pathogens form a distinct, degradation-resistant and replication-permissive membranous compartment. Intracellular bacteria that form unique pathogen vacuoles include Legionella, Mycobacterium, Chlamydia, Simkania, and Salmonella species. In order to understand the formation of these pathogen niches on a global scale and in a comprehensive and quantitative manner, an inventory of compartment-associated host factors is required. To this end, the intact pathogen compartments need to be isolated, purified and biochemically characterized. Here, we review recent progress on the isolation and purification of pathogen-modified vacuoles and membranes, as well as their proteomic characterization by mass spectrometry and different validation approaches. These studies provide the basis for further investigations on the specific mechanisms of pathogen-driven compartment formation.

Hyperuricemia and its symptoms are becoming increasingly common worldwide. Elevated serum uric acid levels are caused by increased uric acid synthesis from food constituents and reduced renal excretion. Treatment in most cases involves reducing alcohol intake and consumption of meat and fish or treatment with pharmaceuticals. Another approach could be to reduce uric acid level in food, either during production or consumption. This work reports the production of recombinant urate oxidase by Arxula adeninivorans and its application to reduce uric acid in a food product. The A. adeninivorans urate oxidase amino acid sequence was found to be similar to urate oxidases from other fungi (61-65% identity). In media supplemented with adenine, hypoxanthine or uric acid, induction of the urate oxidase (AUOX) gene and intracellular accumulation of urate oxidase (Auoxp) was observed. The enzyme characteristics were analyzed from isolates of the wild-type strain A. adeninivorans LS3, as well as from those of transgenic strains expressing the AUOX gene under control of the strong constitutive TEF1 promoter or the inducible AYNI1 promoter. The enzyme showed high substrate specificity for uric acid, a broad temperature and pH range, high thermostability and the ability to reduce uric acid content in food.

Die Maul- und Klauenseuche (MKS) stellt eine Tierseuche dar, die bei Ausbruch zu dramatischen wirtschaftlichen Verlusten durch Beeinträchtigung der anfälligen Tiere führt. Das verursachende Agens der Krankheit ist das Maul- und Klauenseuche Virus (MKSV), welches der Familie der Picornaviren und der Gattung der Aphthoviren angehört. Ausbrüche der MKS weltweit sind selten, jedoch sollte der Erreger weiterhin erforscht werden, um ablaufende Prozesse besser verstehen, sichere und effiziente Impfstoffe entwickeln und im Falle eines Ausbruches angemessene Gegenmaßnahmen ausüben zu können. Das aus in etwa 8500 Basenpaaren bestehende Genom des Virus codiert unter anderem für die Leader Protease, ein wichtiger Virulenzfaktor, welcher unter anderem die Expression der Wirtsproteine durch die Spaltung des eukaryotischen Initiationsfaktors 4G (eIF4G) beeinträchtigt und ebenfalls die Immunantwort des Wirtes beeinflusst. In dieser Arbeit sollten verschiedene Systeme zur Untersuchung und Differenzierung der Funktionen der Leader Protease analysiert werden. Unter Zuhilfenahme unterschiedlich komplexer Systeme (Infektionssystem, Replikonsystem und Einzelexpressionssystem) erfolgte die Untersuchung der Translationsinhibierung, vermittelt über die eIF4G-Spaltung und der damit einhergehende Einfluss auf die Analyse auf andere Funktionen der Leader Protease. Sowohl im Infektionssystem als auch im hier etablierten Replikonsystem konnte die MKSV-induzierte Spaltung des eukaryotischen Initiationsfaktors 4G verifiziert werden. Hingegen konnte im Einzelexpressionssystem die Spaltung erst nach Lyse der Zellen nachgewiesen werden. Diese bisher noch nicht beschriebene Problematik lässt die bisher veröffentlichten Resultate und Schlussfolgerungen aus Einzelexpressionssystemen in Frage stellen. Die mit Hilfe des Einzelexpressionssystems durchgeführten Studien dieser Arbeit weisen darauf hin, dass ein zusätzlicher translationsinhibierender Mechanismus der Leader Protease, unabhängig von der proteolytischen eIF4G-Spaltung, ausgeübt wird. Dementsprechend sind die Möglichkeiten der Untersuchung zur Leader Protease mittels Einzelexpressionssystem sehr eingeschränkt, da eine Analyse spezifischer Leader Protease-Effekte unabhängig von einer Translationsinhibierung, dem „host-shut-off“, experimentell kaum möglich ist. Dies betrifft insbesondere die durchgeführten InterferonReportergenversuche. Somit konnten unter Verwendung verschiedener Untersuchungssysteme experimentelle Möglichkeiten, aber auch entscheidende experimentelle Limitierungen für die proteinbiochemische Analyse der Leader Protease-vermittelten eIF4G-Spaltung aufgezeigt werden.

Microbial cell factories have been largely exploited for the controlled production of recombinant proteins, including industrial enzymes and biopharmaceuticals. The advent of high-throughput ‘-omics’ techniques have boosted the design of these production systems due to their valuable contribution to the field of systems metabolic engineering, a discipline integrating metabolic engineering with systems and synthetic biology. In order to thrive, the field of systems metabolic engineering needs absolute proteomics data to be generated, as proteins are the central players in the complex metabolic and adaptational networks. Due to advent of mass spectrometry-based proteomics, a substantial amount of absolute proteomic data became available in the past decade. However, membrane proteins remained inaccessible to these efforts. Nonetheless, comparative studies targeting the membrane proteome have been quite successful in characterizing physiological processes. Hence, label-free proteomics was used in a study (Quesada-Ganuza et al, 2019 – Article I) to identify and optimize PrsA in Bacillus subtilis, for improved yield of amylase. Amylase is one of the most relevant enzymes in the biotechnological sector. By employing a label-free mass spectrometry approach targeting the membrane proteome of this bacterium, relative changes in heterologous and native levels of PrsA could be quantified. The results of this study evidenced that each PrsA shows different relative abundancies, but with no relevant impact in the yield of amylase. Even though relative protein quantification can already provide a good visualization of the physiological changes occurring between different conditions, they are not sufficient to understand how resources are allocated in the cell under certain physiological conditions. Therefore, a global method for absolute membrane protein quantification remains the biggest requirement for systems metabolic engineering. Hence, with this work, we successfully developed a mass spectrometry-based approach enabling the absolute quantification of membrane proteins (Antelo-Varela et al, 2019 – Article II). This study was also performed in the Gram-positive model organism Bacillus subtilis, regarded as a prolific microbial cell factory. The method developed in this work combines the comprehensiveness of shotgun proteomics with the sensitivity and accuracy of targeted mass spectrometry. Fundamental to the method is that it relies on the application of a correction and an enrichment factor to calibrate absolute membrane protein abundances derived from shotgun mass spectrometry. This has permitted, for the first time reported, the calculation of absolute membrane protein abundances in a living organism. The newly developed approach enabled to accurately quantify ~40% of the predicted proteome of this bacterium, offering a clear visualization of the physiological rearrangements occurring upon the onset of osmotic stress. In addition, this work also provides evidence for new membrane protein stoichiometries. Overall, this study enabled the development of a straightforward methodology long-needed in the scientific and biotechnological community and, for the first time reported, providing absolute abundances of one of the most puzzling fractions of the cell – the membrane proteome. The next step of the work summarized here was to implement the afore described method to a biotechnological relevant strain, as absolute membrane protein abundances are essential to understand the fundamental principles of protein secretion and production stress. Hence, this work was applied in a genome-reduced B. subtilis strain, ‘midiBacillus’, expressing the major staphylococcal antigen IsaA (Antelo-Varela et al, submitted – Article III). The employed absolute membrane protein quantification methodology enabled the analysis of physiological rearrangements occurring upon the induction of heterologous protein production. This work showed that, even though IsaA was successfully secreted into the growth medium, one of the main requirements for the biotechnological sector, it was still partly accumulated in the cell membrane of this bacterium. This led to an exacerbated physiological response where membrane proteins involved in the management of secretion stress were activated. In addition, this study also showed that a rearrangement of the cell’s translocation machinery occurs upon induction of production, where a ‘game’ of in- and decrease of transporters takes place. Anticipating the impact of genetic and environmental insults, such as the ones caused by production stress, is essential for the field of systems metabolic engineering. Thus, the highly accurate and comprehensive dataset generated during this work can be implemented in predictive mathematical models, thereby contributing in the rational design of next-generation secretion systems.

Currently, plastic materials are an integral part of our lives, but their production mostly bases on fossil fuels or derivatives, which resources are decreasing. Extraction and processing of non-renewable resources have also negative impact on environment. One of the most promising and environmentally friendly approaches is use of microorganism. This PhD dissertation presents the non-conventional yeast Arxula adeninivorans as a host for production of bio-based and biodegradable poly(hydroxyalkanoates) plastics poly(hydroxybutyrate) and co-polymer poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate). Additionally, the constructed yeast strain was able to secrete enantiomerically pure (R)-3-hydroxybutyric acid. The production of PHAs requires three enzymes: β-ketothiolase, acetoacetyl-CoA reductase and PHA synthase. The strategy followed in this project was divided into two parts. While all three enzymes are responsible for intracellular production of PHA polymer, first two only lead to secretion of (R)-3-HB into culture media, which was used in a first stage of work to establish and optimize polymer production. Both, different bacterial strains and yeast A. adeninivorans were taken into account in screening of the genes encoding aforementioned enzymes. Bacterial genes were chemically synthesized using codon optimization pattern and endogenous genes were obtained using PCR and genomic DNA template from A. adeninivorans LS3 wild-type strain. Each gene was cloned into Xplor2 vector between TEF1 constitutive promoter and PHO5 terminator. Vector containing both thiolase and reductase genes was used for A. adeninivorans transformation. The best combination of heterologous genes was overexpression of β-ketothiolase gene from Clostridium acetobutylicum and acetoacetyl-CoA reductase gene from Cupriavidus necator which led to secretion of 4.84 g L−1 (R)-3-HB, at a rate of 0.023 g L−1 h−1 over 214 h in shaking flask cultivation. Further optimization by fed-batch culturing with glucose as a carbon source did not improve (R)-3-HB secretion, but the rate of production was doubled to 0.043 g L−1 h−1 [3.78 g L−1 of (R)-3-HB at 89 h]. The product of acetoacetyl-CoA reductase is (R)-3-HB-CoA and further removing of CoA moiety is needed for acid secretion into culture media. A. adeninivorans is able to conduct this process without any additional modification but the conversion rate is unknown. Two thioesterases, cytosolic TesBp encoded by TesB gene from E. coli and mitochondrial ATes1p encoded by ATES1 gene from A. adeninivorans, were analysed to enhance secretion process. Additionally, a cytosolic version of ATES1 gene (ATES1cyt) was tested. All three genes were expressed in A. adeninivorans cells under TEF1 constitutive promoter together with thiolase and reductase genes. Despite detected enzymatic activity the yield of (R)-3-HB synthesis and secretion was not increased. Moreover, overexpressed thioesterases negatively influenced cell growth, indicating that they act on other metabolic components. The results provided two sets of information, first, the endogenous secretion system is sufficient for (R)-3-HB production; second, further screening of suitable genes needs to be performed. Based on optimization of (R)-3-HB synthesis, thiolase gene (thl) from C. acetobutylicum and reductase gene (phaB) from C. necator were chosen to combine with PHA synthase gene (phaC) for creating the PHB-V producing strain. The PHA synthase expression module, containing TEF1 promoter and PHO5 terminator, was cloned into Xplor2 vector together with thiolase and reductase expression modules and used for A. adeninivorans transformation. The engineered strain accumulated up to 7.47% PHB of dcw. During the set of cells passaging A. adeninivorans lost the ability to accumulate polymer with maximal 23.1 % of primary accumulation level. Additionally, use of a vector including hygromycin B antibiotic resistance marker (instead of auxotrophic marker in Xplor2) did not improve polymer accumulation and stability. To counteract the effect of loss of accumulation stability, phasin gene (phaP1), originated from C. necator, was introduce together with PHA pathway genes. First screening cultivations resulted in stabilizing of polymer production reaching 9.58 % PHB of dcw and only 12.0 % loss of production ability. Further experiments increased PHB content with 19.9% PHB of dcw (3.85 g L-1) after 180 h of cultivation using rich medium. Use of another thiolase gene, the second thiolase from C. necator (bktB), which theoretically should induce production of PHBV copolymer, led to accumulation only 11.4% PHB of dcw after 139 h and no PHV fraction was detected. Variation of the ratio between flask volume and amount of media influences the level of aeration. Importantly, decrease of aeration level significantly increased polymer synthesis. Additionally, PHB-V copolymer accumulation has been induced by use of different carbon source co-substrates. Use of rich media supplemented with ethanol allow the strain with thl thiolase to accumulate up to 42.9 % PHB of dcw without PHV fraction and with bktB thiolase to 30.5 % PHB of dcw. Nevertheless, despite of lower total amount of polymer, supplementation with 1-propanol allow both strains to accumulate PHB-V copolymer with 7.30 %mol and 22.5 %mol of PHV for thl and bktB strains, respectively. Optimization based on genetic engineering further enhanced polymer production yield led to exceeding of 50 % PHB-V of dcw. For doubling the gene dosage, PHA synthesizing strains of A. adeninivorans were again transformed with Xplor2 vector containing PHA pathway genes. Resulting strains exhibited twice the level of enzymatic activities of thiolase and reductase compared with strains transformed once with expression vector. In a shaking flask experiment the strain transformed twice with vector containing bktB thiolase reached after 240 h 52.1% PHB-V of dcw (10.8 g L-1) with 12.3 %mol of PHV fraction which is the highest level found in yeast. As another genetic approach, a fusion strain has been created. Two different strains have been established and merged using protoplast fusion technique. Doubling of genetic material resulted in similar level of copolymer produced by Arxula as in former experiments (50.2% of dcw, 10.7 g L-1). Culture conditions were optimized in controllable cultivation using fed-batch mode. Although optimal oxygen and pH level and continuous carbon source and nitrogen feeding were maintained, final polymer level in % of dry mass was around three times lower than for shaking flask experiment. Nevertheless, efficient growth of Arxula in fed-batch mode led to increase of total copolymer level in g L-1 (16.5 g L-1 compare to 10.8 g L-1 for shaking flasks) showing the feasibility of using Arxula strain for up-scaling production of copolymer. Acetyl-CoA is a main precursor in synthesis of PHB-V copolymer and change of its pool was investigated. ATP citrate lyase is a cytosolic enzyme converting citrate into oxaloacetate and acetyl-CoA, supporting the biosynthesis of fatty acids. Two genes encoding Acl subunits from Aspergillus nidulans (AnAcl1 and AnAcl2) were again cloned into Xplor2 vector and transformed into A. adeninivorans PHA producing strain. Despite of higher enzymatic activity of AnAclp, accumulation of polymer was around three times higher for control without expression of lyase genes. Expectedly, the strain expressing AnAcl1/2 genes accumulated larger amount of each stearic, palmitic and oleic acid in both standard and fatty acid inducing conditions (lower nitrogen level). Thus, overexpression of AnAcl1/2 genes in A. adeninevorans cells may improve biosynthesis of fatty acids but is ineffective for PHB polymer accumulation. The aim of the project was use of starch-based media, manufactured as by-products, for polymer production. Genetically engineered Arxula strains were cultivated using these media instead of glucose-based media. Although yeast cells were both able to secrete (R)-3-HB and to accumulate PHB, the yield was lower than for previous media. Additionally, only trace of PHV was found at the end of cultivation time when 1-propanol was supplemented. Obtained results showed that use of cheaper media is a promising approach to decrease production costs but further optimization needs to be performed especially for extended scale of production. Determination of produced copolymer has been done based on microscopic analysis and studies of physical and chemical properties. Results revealed that Arxula accumulated PHA polymer in cytosolic granules with a similar size range compared to the ones produced by bacteria. The physicochemical study showed that produced polymer exhibited slightly different properties in comparison to bacterial polymer with similar content of PHV, i.e. very-low molecular mass, higher melting and glass transition temperature. All above results showed that A. adeninivorans is a promising host for PHB-V production. Expression of phasin greatly increased production and stability of polymer, which led to an accumulation level never found before in yeast. Further optimization in higher production scale using cheap starch-based media may establish Arxula strain as a valuable tool for industrial production of PHB-V copolymer.

The highly oncogenic alphaherpesvirus Marek’s disease virus (MDV) causes immense economic losses in the poultry industry. The main targets of in vivo MDV infection are primary B and T lymphocytes. The cytolytic infection of B cells leads to depletion of lymphoid cells results in severe immunosuppression. Infected B cells recruit and activate T cells. The close interaction between B cells and T cells enables efficient intercellular transfer of MDV. During infection of T cells, the virus enters a latent state. Infection of T cells can lead to transformation of these cells and formation of lymphoma, which manifest in various visceral organs. This study aimed at the characterization of the proteomes of MDV-infected lymphocytes during the lytic and latent phases of infection. Previous in vitro studies concerning the MDV pathogenesis and host-virus interactions have been mainly conducted with primary fibroblasts or kidney cells, due to the short lifespan of primary lymphocytes in cell culture. Recently, a cultivation system has been established that extents the lifespan of primary lymphocytes through the addition of cytokines to the growth medium. This allowed the infection of B cells in vitro and to conduct quantitative proteomic analysis of primary lymphocytes. Infection with GFP labelled virus recombinants allowed the isolation of infected cells by FACS for the proteome analysis of MDV infected B lymphocytes. An efficient quantitative proteomic workflow was developed, which consisted of a filter-aided (FASP) digest of the extracted proteins, followed by differential dimethyl chemical labeling of the peptides for quantitative evaluation prior to LC-MALDI TOF/TOF mass spectrometry. Only few alterations of the protein and transcript expression profiles were observed after infection of primary B cells with the very virulent RB-1B and the live-attenuated vaccine strain CVI988/Rispens. Relevant changes in relative protein levels were found for only twelve and six interesting host proteins after RB1B and CVI988 infection, respectively. However, the regulations were confirmed by inspection of the spectra from all experiments. The identified candidates play a role in immune response, translation and inflammatory response. To confirm the potential infection markers, RNA-seq analysis of three biological replicates of each RB-1B -, CVI988- and mock-infected B cells was performed. Eighty expressed MDV transcripts could be identified, which were associated with lytic infection. The same MDV proteins were identified after infection with RB-1B or CVI988. However, transcriptome and proteome analysis of MDV-infected primary B cells showed only poor correlation. This indicates that the changes in protein expression profiles are mostly due to posttranscriptional events. Infection marker candidates were identified by the RNA-seq analysis, for which the gene expression was altered by MDV infection. Although almost 12,000 transcripts were identified, only few transcript levels changed markedly after MDV infection. The biological processes immune response, apoptotic process, signal transduction, cell migration and response to virus were enriched after MDV infection. The RNA-seq results confirm the observation that alterations of protein levels early after MDV infection are rare. Most notably, MDV induces transformation of lymphocytes leading to malignant T-cell lymphomas in visceral organs with mortalities of up to 100 %. While several factors involved in MDV tumorigenesis have been identified, the transformation process is not fully understood. Therefore, we set out to fill this knowledge gap using proteome analysis of transformed T-cells ex vivo. In addition, the role of the viral telomerase RNA during transformation was assessed by comparison of tumors that had formed after infection with WT-virus or a telomerase RNA negative mutant. A major obstacle for tumor proteome analyses is the preparation of sufficient amounts of homogenous tumor tissue, as tumors appear with a dispersed morphology in the affected organs. The quantitation of cell types within the tumors indicated varying portions of hepatocytes, connective tissue, and CD3+ lymphocytes even with the same virus strain in different animals. However, the ∆vTR-induced tumors contained lower levels of hepatocytes and higher levels of CD3+ lymphocytes compared to WT tumors in all tested tumor samples. Thus, ∆vTR tumors were chosen for determination of differences in protein expression profiles of tumors and naïve T cells for their lower content of liver cells. We developed a workflow for the proteome analysis of T cell tumors from livers of MDV-infected chickens. Samples included laser capture micro-dissected tissue cuts from tumors and surrounding healthy liver tissue as well as naïve T-cells prepared from thymus. To enable quantitative proteome analysis, samples were digested using the FASP protocol and peptides were isotope-coded by differential dimethyl labeling. To improve proteome analysis peptides were fractionated by preparative isoelectric focusing prior to nano-HPLC MALDI/TOF-TOF mass- spectrometric analysis. Proteomic analyses of LCM dissected ΔvTR tumor compared to naïve T cells, the main targets of transformation, identified nineteen potential transformation markers but again only minor changes in relative levels were observed. Several of the identified markers could also be verified by RT-qPCR on transcript level. The identified transformation candidates were associated with nucleosome assembly, regulation of transcription, inflammatory response, immune response and oxidation-reduction process. However, further functional analyses are necessary to fully elucidate the role of the identified markers during MDV infection and transformation.

Natürliche Hormone und Substanzen mit einer hormonellen Wirkung werden als organischen Spurenstoffen oder Mikroschadstoffe bezeichnet und werden über verschiedene Quellen in die Umwelt eingetragen. Dies führt insbesondere bei aquatischen Lebewesen zu Veränderungen im endokrinen System. Um die Belastung der Gewässer mit hormonell aktiven Substanzen zu verringern und einen guten chemischen und ökologischen Status nach europäischer Wasserrahmenrichtlinie zu erreichen, wird eine Reduktion des Eintrags hormonell aktiver Substanzen angestrebt. Die meisten Abwässer werden in Kläranlagen gesammelt, die somit Punktquellen für den Eintrag von hormonell aktiven Substanzen in die Umwelt darstellen. Zur Untersuchung neuer Methoden zur Abwasserreinigung sind zuverlässige und sensitive analytische Messtechniken notwendig. Da aktuelle instrumentelle Messmethoden nicht in der Lage sind hormonell aktive Substanzen im wirkungsrelevanten Konzentrationsbereich zu messen, wurden Hefezellenassays zur Detektion der östrogenen (A-YES) und androgenen (A-YAS) Aktivitäten für eine Anwendung in Oberflächengewässern und Abwässern evaluiert. Im Anschluss wurden diese Assays zur Beurteilung und Optimierung der Eliminationsleistung einer großtechnischen Ozonung auf einer kommunalen und einer Krankenhaus Kläranlage eingesetzt. Die untersuchten Abwassermatrices zeigten keine Effekte auf die Enzym Substrat Reaktion und die optische Dichte der A-YES Hefezellensuspension. Proben eines Oberflächengewässers sowie von Kläranlagen Zuläufen verursachten im A-YAS eine erhöhte optische Dichte der Zellsuspension im Vergleich zur Referenz. Eine verringerte optische Dichte der A-YAS Hefezellsuspension konnte in Extrakten von Zulaufproben bestimmt werden. Durch die Dotierung unterschiedlicher Konzentrationen der Referenzsubstanzen zu Oberflächengewässer- und Abwasserproben konnten Dosis Wirkungskurven mittels A-YES und A-YAS Assays abgebildet werden. Dabei konnte gezeigt werden, dass insbesondere in Kläranlagen-Zulaufproben sowohl eine östrogene als auch eine androgene Aktivität bereits in der undotierten Ausgangsprobe vorhanden war. Des Weiteren konnten inhibierende Effekte in den Proben detektiert werden, die auf antagonistische Substanzen hindeuten. Die Analyse von Kläranlagen Abläufen zeigte östrogene Aktivitäten zwischen 0,035 und 5,5 ng EEQ/L sowie androgene Aktivitäten zwischen < 0,31 und 6,1 ng DHTEQ/L. Während der großtechnischen Ozonung konnte die östrogene Aktivität in einer kommunalen sowie einer Krankenhaus Kläranlage um bis zu 97% bzw. 83% reduziert werden. Die Reduktion der androgenen Aktivität lag bei 80% und 66%. Für zwei Verfahren zur bedarfsabhängigen Steuerung der Ozonung basierend auf der östrogenen Aktivität und auf dem DOC Gehalt konnte die Machbarkeit gezeigt werden. Allerdings stellten sich beide Methoden zum jetzigen Zeitpunkt als nicht wirtschaftlich heraus. Antagonistische Aktivitäten konnten in einem Konzentrationsbereich von 330 - 2.700 µg OHTEQ/L (anti-östrogene Aktivität) und 550 - 730 µg FEQ/L (anti-androgene Aktivität) mittels anti A-YES und anti A-YAS detektiert werden. Während der einzelnen Reinigungsstufen konnte keine Reduktion der antagonistischen Aktivitäten nachgewiesen werden. Sowohl A-YES als auch A-YAS sind für die Analyse von Abwasserproben geeignet und ermöglichen so erstmals die Beurteilung von Verfahren zur Abwasserreinigung im wirkungsrelevanten Konzentrationsbereich.

Das Genus Pestivirus gehört zur Familie der Flaviviridae und enthält eine Reihe von tierpathogenen Erregern, welche (fast) ausschließlich Paarhufer befallen. Das bei Pestiviren vorkommende Strukturprotein ERNS ist einzigartig in der Familie Flaviviridae, es finden sich keine homologen Proteine in den anderen Genera dieser Familie. ERNS ist ein sehr ungewöhnliches Protein, da es für ein virales Strukturprotein verschiedene untypische Eigenschaften aufweist. Neben einer intrinsischen RNase-Aktivität findet sich am C Terminus eine sehr ungewöhnliche Signalpeptidase-Spaltstelle. Während die RNase Aktivität einen wichtigen Virulenzfaktor darstellt, sorgt die ungewöhnliche Spaltstelle mutmaßlich für die verlangsamte Prozessierung des ERNS-E1-Vorläuferproteins. Inwieweit die verlangsamte Spaltung des Vorläuferproteins für das Virus wichtig sein könnte, ist bis dato noch ungeklärt. Auch ist die Ausbildung von Dimeren wichtig für die Virulenz von ERNS. Darüber hinaus erfolgt eine partielle Sekretion von ERNS in den extrazellulären Raum, während ein Großteil in der Zelle verbleibt. Zusätzlich verfügt ERNS über eine untypische Membranverankerung, die durch eine lange, C-terminale amphipathische Helix vermittelt wird. Innerhalb dieser amphipathischen Helix findet sich eine Reihe geladener Aminosäuren, deren Lokalisation und Anordnung zu zwei spiegelsymmetrisch komplementären Gruppen bei Pestiviren konserviert ist. Es stellte sich die Frage, welche biologische Relevanz dieses Muster an geladenen Aminosäuren haben könnte. Ausgehend von der vorgeschlagenen Ausbildung eines „Charge Zippers“ – durch Rückfaltung und Ausbildung von Salzbrücken zwischen den komplementären Ladungen –, wurden mittels transienten Expressionsexperimenten die sechs hoch konservierten Ladungen im „Inneren“ des möglichen „Reißverschlusses“ untersucht, und es zeigte sich, dass der postulierte Charge-Zipper-Mechanismus bei ERNS vermutlich keine Rolle spielt. Für einige der betrachteten Aminosäuren konnten Hinweise erhalten werden, dass sie eine Rolle bei der Prozessierung, der Retention und bei der Dimerisierung von ERNS spielen. Vor allem ein Austausch der Ladung an der Position 194 im ERNS zeigte einen signifikanten Einfluss auf die Prozessierung und Retention von ERNS. Auch bei der Dimerisierung stach diese Position hervor, da entgegen anderer Mutationen ein Austausch hier zu einer vermehrten Dimerbildung führte. Weiterführend wurden diese Mutationen in rekombinante Viren eingeführt, und es zeigte sich, dass vor allem die spezifischen Ladungen an den Positionen 184 und 191 im ERNS wichtig für die effiziente Virusvermehrung sind. Ladungsaustausche an diesen Positionen sorgten für nicht lebensfähige Virusmutanten, während Alaninsubstitutionen im Lauf von Passagen zur ursprünglichen Ladung revertierten. Diese Ergebnisse zeigen die elementare Bedeutung der Ladungen für die Generierung von infektiösen Viren. Die molekularen Mechanismen, in denen diese Reste von Bedeutung sind, müssen in weiteren Arbeiten noch aufgeklärt werden.

Die Hefe Saccharomyces cerevisiae reagiert auf die sich ständig ändernden Umweltbedingungen durch eine präzise Regulation der Genexpression. Möglich wird dies durch ein komplexes Netzwerk aus spezifischen Regulatoren und pleiotropen Faktoren. Aktivatorproteine binden an Aktivierungssequenzen (UAS-Elemente) in ihren Zielpromotoren und rekrutieren basale Transkriptionsfaktoren sowie Coaktiva¬toren. Dadurch erhöhen sich Wahrscheinlichkeit und Häufigkeit der Transkriptions¬initiation und die DNA im Promotorbereich wird durch die Aktivität von Komplexen der Chromatinremodellierung und -modifizierung für die Transkriptionsmaschinerie zugänglich gemacht. Dagegen binden spezifische Repressor¬proteine an ihre Regula¬tionssequenzen (URS-Elemente) oder an Aktivatorproteine, inhibieren deren Wirkung oder rekrutieren Histondeacetylase-Komplexe wie den Sin3-Corepressor, die eine Verdichtung des Chromatins bewirken. Der Sin3-Corepressorkomplex ist an einer Vielzahl von Regulationsprozessen beteiligt. In Hefe existieren zwei Sin3-Varianten, die als Rpd3L bzw. Rpd3S bezeichnet werden und sich in ihrer Zusammensetzung unterscheiden. Neben Sin3 als zentralem Gerüst¬protein in beiden Komplexen sind im Rpd3L strukturelle Untereinheiten wie Sds3, Sap30 und Pho23 sowie die Histondeacetylase (HDAC) Rpd3 als enzymatische Komponenten enthal¬ten. Durch Funktionsanalysen von Mutanten einzelner Unterein¬heiten wurde festge¬stellt, dass zusätzlich zu Rpd3 weitere HDACs an der Repression ICRE-abhängiger Gene der Phospholipid-biosynthese Gene beteiligt sind. Interaktionsstudien zeigten, dass auch die HDACs Hda1 und Hos1 an Sin3 binden. Die Bindung erfolgt über drei sogenannte HDAC-Interaktionsdomänen (HID1-3), wobei Hda1 und Hos1 an HID2 und HID3 binden, Rpd3 dagegen an HID1 und HID3. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die HDACs direkt an ihre jeweiligen HIDs binden. Außerdem inter¬agieren Hda1 und Hos1 auch in vivo mit Sin3. Die HID1 wurde auf die Aminosäuren 801-950 verkürzt und es wurde nachge¬wiesen, dass eine funktionsfähige katalyti¬sche Domäne von Rpd3 nicht für die Wechselwirkung mit Sin3 notwendig ist. Außerdem wurden die Interaktionsdomänen von Sds3 und Sin3 kartiert. Die erhaltenen Befunde ergänzen die Daten zu Protein-Protein-Inter¬aktionen im Sin3-Corepressorkomplex und komplettieren funktionelle Aspekte der HDAC-Rekrutierung. Eine weitere Zielstellung dieser Arbeit war die Erstellung eines Interaktionsnetzwerks zwischen spezifischen Aktivatoren und allgemeinen Faktoren der Transkription. Eukaryotische Aktivatorproteine sind modular aufgebaut und besitzen voneinander separierbare Funktionsdomänen. Die Erkennung und Bindung von UAS-Elementen in den Zielpromotoren erfolgt über die DNA-Bindedomäne (DBD), während Tran¬skriptions¬¬aktivierungs¬domänen (TADs) basale Transkriptionsfaktoren und Co¬aktiva¬toren rekrutieren und somit die aktivierende Wirkung vermitteln. Im Gegensatz zu den DBDs folgen TADs meist keinen durch Sequenzanalysen vorhersagbaren Strukturmotiven und müssen manuell eingegrenzt werden. Für die Kartierung funktioneller TADs wurden Längenvarianten von über 30 Aktiva-toren aus verschiedenen Familien DNA-bindender Proteine an die Gal4DBD fusioniert und auf ihre Fähigkeit überprüft, ein UASGAL-abhängiges Reportergen zu aktivieren. Dabei konnten 15 neue TADs eingegrenzt werden. Weiterhin wurden die bisher nicht charakterisierten Zinkcluster¬proteine Yjl206c, Yer184c, Yll054c und Ylr278c als Aktivatoren bestätigt. Dadurch stand eine Samm¬lung aus 20 bekannten und neukartierten TADs zur Verfügung, die nach Konstruktion von GST-Fusionen für in vitro-Interaktionsexperimente mit Unter¬einheiten des Mediators, des TFIID- und des SWI/SNF-Komplexes eingesetzt wurden. Es konnten direkte Wechselwirkungen von Aktivatoren (u. a. Aft2, Aro80, Mac1 und Zap1) mit den TFIID-Komponenten TBP, Taf1, Taf4 und Taf5 detektiert werden. Die Bindung an Taf1 erfolgte im Bereich von aa 1-250, der zwei Aktivator¬interaktions-domänen (AID) enthält und in vorangegangenen Experimenten auch mit Ino2 und Adr1 interagierte. Die Rap1-Bindedomäne (RBD) von Taf4 (aa 253-344) interagierte auch mit Mac1, Aft2 und Ino2. Daher wurde dieser Bereich als allgemeine AID klassifiziert. Für die Aktivatorinteraktion essentielle Aminosäuren konnten allerdings nicht identi¬fiziert werden. 17 von 20 TADs interagierten direkt mit der Mediator-Untereinheit Med15, während für Med17 10 Kontakte zu Aktivatoren detektiert wurden, was die Relevanz des Mediators für die Aktivatorfunktion unterstreicht. Die katalytische Untereinheit des SWI/SNF-Komplexes Swi2 zeigte ähnlich viele TAD-Interaktionen wie Med15. Der N-terminale Bereich von Swi2 (aa 1-450) stellte sich als ausreichend für die Bindung der Aktivatoren heraus und enthält demnach eine oder mehrere AIDs. Damit konnte das Interaktionsnetzwerk zwischen Aktivatoren und allgemeinen transkriptionalen Cofaktoren substantiell erweitert werden.

Die ADHs aus Rhodococcus ruber (RrADH) und Lactobacillus brevis (LbADH) wurden erstmals in der Hefe Arxula adeninivorans (Blastobotrys adeninivorans) hergestellt und zur Synthese von enantiomerenreinen 1-Phenylethanol eingesetzt. Die entsprechenden Gene wurden hierfür mit dem starken konstitutiven TEF1-Promotor und dem PHO5-Terminator flankiert und unter Nutzung der etablierten Xplor2®-Transformations-/Expressionsplattform in der Hefe exprimiert. Die erhaltenen selektierten Transformanden wiesen dabei ADH-Aktivitäten von 21 bzw. 320 U g-1 dcw für die Reduktion von Acetophenon zu 1-Phenylethanol in Schüttelkultur auf. RrADH und LbADH sind für die Reduktion von Acetophenon und Acetophenon-Derivaten, alpha-Ketoestern und aliphatischen Ketonen geeignet. Die RrADH synthetisiert (S)-konfigurierte Alkohole und ist NAD+/NADH-abhängig, während die LbADH die Reduktion von Acetophenon zu 1-(R)-Phenylethanol mithilfe des Cofaktors NADPH katalysiert. Rohextrakt des RrADH produzierenden Hefestamms konnte erfolgreich für die Synthese von enantiomerenreinem 1-(S)-Phenylethanol mit einer Ausbeute von 90 % und einem Enantiomerenüberschuss (ee) von >99 % über Substrat-gekoppelte Regeneration mit Isopropanol eingesetzt werden. Die Erhöhung der Ausbeute auf 100 % gelang durch Enzym-gekoppelte Regenerierung des Cofaktors NADH mit der GDH aus Bacillus megaterium (Bm) für RrADH bzw. NADPH mit der BmGDH und G6PDH aus Bacillus pumilus (Bp) für LbADH katalysierte Reaktionen. ADHs und Cofaktor-regenerierende Enzyme wurden simultan durch die konstitutive Coexpression der entsprechenden Gene in A. adeninivorans für die Synthese von enantiomerenreinem 1-Phenylethanol hergestellt. Die Enzymrohextrakte der RrADH-BmGDH, LbADH-BmGDH und LbADH-BpG6PDH produzierenden Hefestämme katalysieren ohne Ausnahme die Synthese des jeweiligen Enantiomers von 1-Phenylethanol mit ee >99 % und Ausbeuten von 100 % für Substratkonzentrationen bis 40 mM. Nach der Extraktion des 1-Phenylethanols liegt dieses chemisch rein vor, sodass aufwendige Aufarbeitungs- und Reinigungsschritte erspart bleiben. GDH bzw. G6PDH sind hervorragend für die Regeneration von NADH und NADPH bzw. ausschließlich letzterem geeignet. Dabei wurden standardmäßig 40 mol 1-Phenylethanol pro Mol NAD+ oder NADP+ erreicht. Auch intakte Hefezellen der rekombinanten ADH und BmGDH bzw. BpG6PDH synthetisierenden Stämme wurden für die Synthese von 1-(S)- bzw. 1-(R)-Phenylethanol verwendet. Nach Permeabilisierung mit Triton X-100 wiesen sie vergleichbare Aktivitäten zu den entsprechenden Rohextrakten auf. Der RrADH-BmGDH produzierende Stamm synthetisiert 1-(S)-Phenylethanol mit einer Aktivität von 20 U g-1 dcw, während die LbADH-BmGDH und LbADH-BpG6PDH Hefestämme sogar 45,6 und 87,9 U g-1 dcw lieferten. Die Ausbeuten und ee waren im Vergleich zu den Rohextrakten ähnlich. Die Erhöhung der Konzentration des Ausgangsstoffs Acetophenon reduzierte unabhängig von den verwendeten Enzymen die erhaltene Ausbeute. Die katalytische Produktivität der Biokatalysatoren wurde durch ihre Wiederverwendung erhöht. Hierfür wurden permeabilisierte Zellen, die einfach aus der Syntheselösung abzentrifugiert werden können, genutzt. Außerdem konnten der Rohextrakt und die Zellen nach ihrem Einschluss in unlösliches Calciumalginat in Form von kleinen Kügelchen aus der Synthese abfiltriert und wiederverwendet werden. Permeabilisierte Zellen und Immobilisate wurden wiederholt für die Reduktion von Acetophenon zu 1-Phenylethanol eingesetzt, wobei immobilisierter Rohextrakt und Zellen für drei bis maximal sechs Synthesezyklen verwendet werden konnten. Immobilisierte und permeabilisierte Zellen sind wesentlich stabiler. Sie können ohne erhebliche Aktivitätsverluste 14 (LbADH-BpG6PDH), 29 (RrADH-BmGDH) bzw. mehr als 50 Mal (LbADH-BmGDH) wiederholt zur Acetophenon-Reduktion eingesetzt werden. Auf ihrer Grundlage wurde ein erster Reaktor für die semi-kontinuierliche Synthese von 1-(R)-Phenylethanol im Labormaßstab konstruiert und in Betrieb genommen. Es konnten 206 mol 1-(R)-Phenylethanol pro Mol NADP+ und 12,78 g 1-(R)-Phenylethanol mit einem ee von 100 % und einer Raum-Zeit-Ausbeute von 9,74 g L-1 d-1 oder 406 g kg-1 dcw d-1 erhalten werden. Weitere Optimierungen der Hefestämme, Reaktionsbedingungen und Reaktionsführung sind zur Erhöhung der Ausbeute und zum Erreichen vergleichbarer Produktivität mit derzeitigen Syntheseprozessen für 1-Phenylethanol nötig. Der ee ist bereits optimal. Zusammenfassend ist A. adeninivorans ein hervorragender Wirt zur Herstellung von ADHs für die Synthese enantiomerenreiner Alkohole wie 1-(S)- und 1-(R)-Phenylethanol. Nach Extraktion liegt das Produkt rein und mit optimalen ee vor. Durch die in dieser Arbeit gezeigten Untersuchungen können bisher chemische Synthesen durch enzymatische Reaktionen unter Einsatz von ADHs, deren Produktion in A. adeninivorans erfolgte, ersetzt werden, was Kosten und natürlichen Ressourcen spart.

Streptococcus pneumoniae (pneumococci) are lancet-shaped, Gram-positive, alpha-hemolytic, facultative anaerobic human specific commensals of the upper and lower respiratory tract. Pneumococci may convert to pathogenic bacteria and spread to the lungs and blood. In different population groups, such as children, the elderly and immunocompromised individuals, pneumococci can cause local infections such as bronchitis, rhinitis, acute sinusitis, and otitis media as well as life-threatening invasive diseases such as community-acquired pneumonia, sepsis and meningitis. Pneumococci are surrounded by a rigid and complex exoskeleton, the peptidoglycan, also referred to as murein sacculus. The peptidoglycan (PNG) protects the cells from rupture by osmotic pressure and maintains their characteristic shape. The PNG is a heteropolymer made up of glycan strands that are cross-linked by short peptides and during growth the existing murein is continuously hydrolyzed by specific lytic enzymes to enable the insertion of new peptidoglycan. Bacterial cell-wall hydrolases are essential for peptidoglycan turnover and crucial to preserve cell shape. The D,D-carboxypeptidase DacA and L,D-carboxypeptidase DacB of Streptococcus pneumoniae function in a sequential manner. This study determined the crystal structure of the surface-exposed lipoprotein DacB, which differs considerably from the DacA structure. DacB contains a Zn2+ ion in its catalytic center located in the middle of a fully exposed, large groove. Two different conformations with differently arranged active site topology were identified. In addition the critical residues for catalysis and substrate specificity were identified. Deficiency in DacA or DacB resulted in a modified peptidoglycan peptide composition and led to an altered cell shape of the dac-mutants. In contrast, lgt-mutant lacking lipoprotein diacylglyceryl transferase activity required for proper lipoprotein maturation retained L,D-carboxypeptidase activity and showed an intact murein sacculus. Furthermore, this study demonstrated the pathophysiological effects of disordered DacA or DacB activities. Real-time bioimaging of intranasally infected mice indicated a substantially attenuated virulence of dacB- and dacAdacB-mutants pneumococci, while loss of function of DacA had no significant effect. In addition, uptake of these mutants by professional phagocytes was enhanced, while their adherence to lung epithelial cells was decreased. The second part of this study focused on the functional and structure determination of the soluble dimeric pneumococcal lipoprotein PccL. Because of its calycin fold and structural homology with the lipocalin YxeF from Bacillus subtilis, PccL was introduced as the first member of the lipocalin protein family in pneumococci and named “PccL” (Pneumococcal calycin fold containing Lipoprotein). Similar to other lipocalins, the distinct beta-barrel, which is open at one end, is significantly conserved in PccL. Moreover, the application of the in vivo acute pneumonia mouse infection model and the in vitro phagocytosis as well as adherence invasion studies revealed considerable differences in colonization and invasive infection between the wild-type D39 and the pccL-mutant. In conclusion, this study characterized the crucial role of pneumococcal carboxypeptidases DacA and DacB for PGN architecture, bacterial shape and pathogenesis. By applying in vivo and in vitro approaches, a close relationship between PGN metabolism and pathophysiological effects was discovered. In addition, the high resolution structure of DacB has been solved and analyzed and a structure model with a resolution of 2.0 Å is provided. Furthermore, analysis of the PGN composition was applied to indicate the impact of an impaired lipoprotein biogenesis pathway on localization and activity of DacB. The major impact of carboxypeptidases on cell shape and virulence proposes DacB as a promising target for the development of novel drugs or due to its surface exposition also as a promising vaccine candidate. PccL is the first pneumococcal lipocalin-like protein and this study indicated its contribution to pneumococcal virulence. However, the mechanism and the mode of action of PccL are still unknown and have to be deciphered in further studies.

Transcriptional repression of regulated structural genes in eukaryotes often depends on pleiotropic corepressor complexes. A well-known corepressor conserved from yeast to mammalian systems is Sin3. In addition to Sin3, yeast Cyc8/Tup1 corepressor complex also regulates a diverse set of genes. Both corepressors can be recruited to target genes via interaction with specific DNA-binding proteins, leading to down-regulation of a large number of unrelated structural genes by associated histone deacetylases (HDACs). In vitro interaction studies performed in this work by GST pull-down assays showed that various repressor proteins (such as Whi5, Stb1, Gal80, Rfx1, Ure2, Rdr1, Xbp1, Yhp1, Rox1, Yox1, Dal80 and Mot3) are indeed able to bind pleiotropic corepressors Sin3 and/or Cyc8/Tup1. All repressors interacting with Sin3 contact its paired amphipathic helix domains PAH1 and/or PAH2. Mapping experiments allowed the characterization of minimum repressor domains and to derive a sequence pattern which may be important for repressor interaction with Cyc8 or Sin3. Interactions for some pathway-specific repressors such as Cti6 and Fkh1 have been studied comprehensively; minimal domains of Cti6 and Fkh1 required for interaction with Sin3 have been mapped and subsequently investigated by mutational analysis. In vitro interaction studies could show that amino acids 350-506 of Cti6 bind PAH2 of Sin3. To analyze this Cti6-Sin3 interaction domain (CSID) in more detail, selected amino acids within CSID were replaced by alanine. It turned out that hydrophobic amino acids V467, L481 and L491 L492 L493 are important for Cti6-Sin3 binding. The results of this work also suggest that repression is not executed entirely via Sin3, but rather CSID is also important for contacting pleiotropic corepressor Cyc8. In addition to PAH2 of Sin3, CSID also binds to tetratricopeptide repeats (TPR) of Cyc8. Furthermore, in vitro mapping studies revealed that Fkh1 also binds PAH2 of corepressor Sin3 via its N-terminal domain (aa 51-125). Binding studies with mutagenized Fkh1-Sin3 interaction domain (FSID) showed that Fkh151-125 variants L74A and I78A were unable to bind PAH2 of Sin3. Confirming in vitro studies, Cti6350-506 and Fkh151-125 also displayed in vivo interaction with PAH2 of Sin3 by using the “yeast two -hybrid” system. Chromatin immunoprecipitation (ChIP) analyses have demonstrated Cti6 recruitment to promoters of genes such as RNR3 and SMF3 containing iron responsive elements (IRE). Importantly, Sin3 was also recruited to these promoters but only in the presence of functional Cti6. Similarly, recruitment of Fkh1 and Sin3 to promoters of cell-cycle regulated genes CLB2 and SWI5 was shown. Recruitment of Sin3 was completely Fkh1-dependent. Additional findings of this work shed light on the fact that not only repressor proteins may contact Sin3 but also activator proteins not yet considered for interaction, e. g. specific activators such as Pho4 and Ino2. These findings indicate that Sin3 may fulfill functions beyond acting as a corepressor. In vitro studies on Sin3-Pho4 interaction showed that aa 156-208 of Pho4 are able to bind both PAH1 and PAH2 of Sin3, while an internal region of Ino2 comprising amino acids 119-212 binds to both Sin3 and Cyc8.

Gout was described by Hippocrates in the 5th century BC as a disease of rich people and linked with excess food and alcohol. It is caused by long-lasting hyperuricemia, which is a result of an imbalance between excretion and production of uric acid. The surplus of uric acid leads to deposition of monosodium urate crystals in the joints, which can initiate a painful inflammation called a gout attack. Despite various pharmacological treatments for this disease, a low purine diet remains the basis of all gout therapies. Since food is rich in purines, the aim of this project was to develop a novel enzyme system to decrease the purine content of food, what should result in reduced serum urate concentration in patients with hyperuricemia. The system consists of five degrading enzymes (adenine deaminase, guanine deaminase, xanthine oxidoreductase, urate oxidase and purine nucleoside phosphorylase) that combined in one product are able to hydrolyse all purines to a highly soluble allantoin, which can be easily removed from the body. This approach provides the patients a possibility to reduce the symptoms and frequency of gout attacks or even doses of prescribed drugs. In order to obtain necessary system components, yeast Arxula adeninivorans LS3 was screened for enzyme activities. A. adeninivorans is known to utilise various purines and this ability is a result of activity of desired enzymes, two of which, adenine deaminase and xanthine oxidoreductase, are in focus of this thesis. The analysis of growth of A. adeninivorans on various carbon and nitrogen sources gave the first insight into the cells’ nutrient preferences indicating the presence of purine degrading enzymes, such as adenine deaminase and xanthine oxidoreductase. Purines, such as adenine and hypoxanthine, could be utilised by this yeast as sole carbon and nitrogen sources and were shown to trigger the gene expression of the purine degradation pathway. Enzyme activity tests and quantitative real-time PCR method allowed for identification of the best inducers for adenine deaminase and xanthine oxidoreductase, as well as their concentration and time of induction. The adenine deaminase (AADA) and the xanthine oxidoreductase (AXOR) genes were isolated and subjected to homologous expression in A. adeninivorans cells using Xplor®2 transformation/expression platform. The selected transgenic strains accumulated the recombinant adenine deaminase in very high concentrations. The expression of AXOR gene posed difficulties and remained a challenge. Additional expression of both proteins in alternative E. coli system was undertaken but failed for AXOR gene. The recombinant adenine deaminase and wild-type xanthine oxidoreductase were purified and characterized biochemically. The characterization included determination of optimal pH and temperature, stability in different buffers and temperatures, molecular weight, substrate spectrum, enzyme activators and inhibitors, kinetics and intracellular localisation. The determination of these parameters was necessary to ensure optimal conditions for application of these enzymes in the industry. At the final stage, the enzymes were combined in one mix with provided guanine deaminase and urate oxidase and used to degrade purines in selected food constituents. The application was successful and demonstrated the potential of this approach for the production of food with lower purine concentration.

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

Ziel dieses Projektes war die Entwicklung eines neuen Ansatzes zur Senkung der Harnsäurekonzentration im Blutserum von Patienten mit Hyperurikämie und der damit verbundenen Verringerung der Anzahl von schmerzhaften Gichtanfällen. Dafür sollten Purine in Lebensmitteln mit einem Gemisch aus purinabbauenden Enzymen zu dem gut löslichen Allantoin abgebaut werden. Durch diesen neuen Ansatz ist eine abwechslungsreiche Ernährung von Hyperurikämiepatienten ohne oder mit reduzierter zusätzlicher medikamentöser Behandlung zur Senkung der Harnsäurebildung, Erhöhung der Harnsäureausscheidung bzw. enzymatischen Reduktion von Harnsäure möglich. Die Analyse des Wachstumsverhaltens von Arxula adeninivorans LS3 zeigte die Vermehrung des Zellmaterials in einer Kultivierung mit Adenin als Kohlenstoff- und Stickstoffquelle bzw. mit Hypoxanthin und Harnsäure als alleiniger Stickstoffquelle. Die Fähigkeit des Wachstums mit Adenin, Hypoxanthin oder Harnsäure als alleiniger Stickstoffquelle bestätigte das Vorhandensein des Purinabbauweges in der nicht-konventionellen Hefe A. adeninivorans LS3. Das Guanin-Deaminase-Gen (AGDA) aus A. adeninivorans LS3 kodierte für ein Protein aus 475 Aminosäuren, das in der Zelle als Dimer vorlag (55 kDa je Untereinheit). Das Guanin-Deaminase-Protein (Agdap) zeigte eine Homologie auf Aminosäureebene zwischen 44 und 55 % zu anderen pilzlichen Guanin-Deaminasen. Beim Wachstum auf Medien mit Adenin, Hypoxanthin oder Guanin als alleiniger Stickstoffquelle erfolgten eine Induktion der Genexpression des AGDA-Gens sowie eine intrazelluläre Akkumulation des Guanin-Deaminase-Proteins in der Vakuole wie auch dem Zytoplasma der Hefezelle. Einen weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit bildete die biochemische Charakterisierung der Uratoxidase. Das Uratoxidase-Gen (AUOX) aus A. adeninivorans LS3 lag auf Chromosom 4 und kodierte für das Uratoxidase-Protein (Auoxp) mit 306 Aminosäuren. Bei dem Auoxp handelte es sich um ein 35 kDa großes Protein, das als Dimer in der Zelle vorlag. Ein Vergleich mit anderen pilzlichen Uratoxidasen ergab eine Homologie von 61 bis 65 % auf der Ebene der Aminosäuresequenz. Das Enzym zeigte konservierte Sequenzmotive, die in den Uratoxidasen einer Vielzahl von Organismen beschrieben wurden. Die AUOX-mRNA-Konzentration stieg bei Wachstum auf Medien mit Harnsäure, Adenin und Hypoxanthin als alleiniger Stickstoffquelle. Die Akkumulation von Auoxp zeigte einen Maximalwert nach achtstündiger Kultivierung im Medium mit Harnsäure und zeitlich verschoben mit den Stickstoffquellen Adenin bzw. Hypoxanthin (nach 12 Stunden). Der biotechnologische Einsatz der purinabbauenden Enzyme der Hefe A. adeninivorans erforderte eine Überexpression der Uratoxidase- bzw. der Guanin-Deaminase-Gene in transgenen A. adeninivorans-Stämmen aufgrund zu niedriger, natürlicher Expressionshöhe im Wildtypstamm LS3. Als Transformations-/Expressionssystem fand das etablierte Xplor®2-Vektorsystem Verwendung. Diese Plattform bietet den Vorteil, dass keine Resistenzgene in die Hefe übertragen werden. Die Hefen wurden mit unterschiedlichen Expressionsmodulen transformiert, um die optimalen Expressionsbedingungen für die Guanin-Deaminase bzw. die Uratoxidase zu ermitteln. Vergleichende Untersuchungen bezüglich der Integrationshäufigkeit, dem Wirtsorganismus (homolog/heterolog) und der optimalen Expression (konstitutiv/induziert) zeigten, dass A. adeninivorans ein geeigneter Organismus für die Expression des Guanin-Deaminase- bzw. Uratoxidase-Gens darstellte. Für weiterführende Analysen erfolgte die nähere Untersuchung der Hefetransformanden mit der höchsten Guanin-Deaminase-Aktivität bzw. der über einen längeren Zeitraum konstant hohen Uratoxidase-Aktivität. Das über den C-terminalen His-Tag gereinigte rekombinante Protein zeigte eine hohe Übereinstimmung der biochemischen Eigenschaften (Substratspektrum, intrazelluläre Lokalisation, usw.) im Vergleich zum endogenen Protein der Hefe A. adeninivorans LS3 (nach induzierter Genexpression). Die rekombinanten Enzyme des Purinabbauweges (Uratoxidase, Guanin-Deaminase, Adenin-Deaminase und Xanthin-Oxidoreduktase) bewirkten nach deren Zugabe zu einem reinen Puringemisch aus Adenin, Guanin, Xanthin, Hypoxanthin und Harnsäure eine Reduktion der Konzentration sämtlicher Purine. Das Gemisch aus purinabbauenden Enzymen der Hefe A. adeninivorans belegte bei ersten Anwendungen in einem Lebensmittel (Rinderbrühe) die abbauende Wirkung auf sämtliche, im Lebensmittel befindlichen, Purine. Es gelang in dieser Arbeit, den Puringehalt eines Lebensmittels mit in transgenen A. adeninivorans-Stämmen hergestellten Proteinen enzymatisch abzubauen.

Staphylococcus aureus (S. aureus) ist einer der meist gefürchtetsten pathogenen Mikroorganismen, der verantwortlich ist für eine Vielzahl von nosokomialen Infektionen und Krankheiten. S. aureus ist in der Lage, sich an verändernde Umweltbedingungen auf Ebene der Genexpression anzupassen, was zu unterschiedlichen Proteinzusammensetzungen und somit zu Veränderungen in der Metabolitenkomposition und metabolischen Aktivität führt. Außerdem stellt die Fähigkeit, Resistenzen gegen gegenwärtig genutzte Antibiotika zu entwickeln, eine Gefahr dar und macht diesen Keim in seiner Behandlung so schwierig. Für ein vollständiges Verstehen der Proteom-, Transkriptom- und Metabolomdaten ist die Untersuchung der Enzymaktivitäten ein entscheidendes Hilfsmittel. In der vorliegenden Arbeit wurden die enzymkatalytischen Eigenschaften sowie die spezifischen Enzymaktivitäten der Enzyme des Intermediär- und Fermentationsstoffwechsels untersucht. Aus Zellen der logarithmischen, transienten und stationären Wachstumsphase unter aeroben wie auch anaeroben Bedingungen wurden für die Enzyme das pH-Optimum, die maximale Reaktionsgeschwindigkeit (vmax) und die Substratkonzentration der halbmaximalen Reaktionsgeschwindigkeit (Km) bestimmt. In S. aureus COL wird die Glucose unter aeroben Bedingungen hauptsächlich über die Glycolyse metabolisiert. Glucose-6-phosphat wird weiter zu Pyruvat umgesetzt, welches wiederum durch die Pyruvat-Oxidase zu Acetylphosphat oder durch den Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex zu Acetyl-CoA verstoffwechselt wird. Durch die Phosphatacetyl-Transferase wird das Acetyl-CoA im Folgenden ebenfalls zu Acetylphosphat umgesetzt und nicht dem Citrat-Zyklus zugeführt. Die Acetat-Kinase nutzt das Acetylphosphat zur Generierung von ATP. Geringe extrazelluläre Lactat-Konzentrationen weisen auf eine geringere Bedeutung der Lactat-Dehydrogenase unter aeroben Wachstumsbedingungen hin. Gleichwohl wird ein kleiner Teil des Pyruvates zur Regeneration von NAD+ durch die Lactat-Dehydrogenase genutzt. In der transienten und stationären Wachstumsphase werden die Gene der Enzyme für Gluconeogenese und Citrat-Zyklus vermehrt exprimiert. Lactat und Acetat werden als Kohlenstoff- und Energiequelle wieder aufgenommen und dienen der Bildung unterschiedlicher Intermediate, wie beispielsweise der Bildung von NADPH über Glucose-6-phosphat im Pentose-Phosphat-Weg. Lediglich die Citrat-Synthase, Isocitrat-Dehydrogenase und Fumarat-Hydratase des Citrat-Zyklus konnten enzymologisch untersucht werden, was auf eine geringe metabolische Aktivität im Citrat-Zyklus hinweist. Möglicherweise dient der erste Teil des Citrat-Zyklus nur der Einführung von Aminosäuren als Kohlen- und Stickstoffquelle in den Metabolismus. Unter anaeroben Bedingungen wird die Glucose in der Glycolyse und der gemischten Säuregärung zu Lactat und Ethanol umgesetzt. Hohe spezifische Enzymaktivitäten der Lactat- und Alkohol-Dehydrogenase konnten nachgewiesen werden. Die Energie in Form von ATP wird auch in dieser Phase des Wachstums durch Substratkettenphosphorylierung generiert. Bacillus subtilis 168 (B. subtilis 168) ist ein grampositives apathogenes Bakterium, das durch die Zugabe von Pyruvat auch zum Wachstum unter sauerstofffreien Bedingungen befähigt ist. Es exprimiert Enzyme der 2,3-Butandiol- und Lactatfermentation. In der hier vorliegenden Arbeit wurden die enzymkatalytischen Eigenschaften von Enzymen des Intermediär- und Fermentationsstoffwechsels untersucht. In der logarithmischen Wachstumsphase wird die Glucose über die Glycolyse verstoffwechselt. Wie bei S. aureus COL ist der Eintritt des Glucose-6-phosphates in den Pentose-Phosphat-Weg aufgrund einer höheren spezifischen Enzymaktivität der Glucose-6-phosphat-Isomerase limitiert. Die Energie in Form von ATP wird auch hier hauptsächlich über Substratkettenphosphorylierungsreaktionen generiert. Die Bedeutung der Lactat-Dehydrogenase-Aktivität unter aeroben Bedingungen ist noch nicht eindeutig geklärt, jedoch kann davon ausgegangen werden, dass auch hier ein Teil des Pyruvates zur Regeneration von NAD+ durch die Lactat-Dehydrogenase umgesetzt wird. Unter anaeroben Bedingungen wurden hohe Lactat-Dehydrogenasen-Aktivitäten gemessen. Außerdem wird die Glucose zur Regeneration von NAD+ zu D-2,3-Butandiol fermentiert. Zusammenfassend ist zu sagen, dass enzymologische Untersuchungen und die Erforschung der spezifischen Enzymaktivitäten unter bestimmten Bedingungen ein gutes Hilfsmittel für metabolische Studien ist und diese gut mit vorhandenen Proteom- und Metabolomdaten verglichen werden können. Enzymanalysen sind nicht einfach handhabbar, bieten aber die Möglichkeit, einen Blick in die Physiologie von Mikroorganismen zu werfen. Für ein allumfassendes Verständnis ist es wichtig, Enzymaktivitäten zu untersuchen.

The leading hypothesis of why organisms age is the “Free Radical Theory of Aging”, which states that the accumulation of reactive oxygen species (ROS), such as superoxide (O2•-) and hydrogen peroxide (H2O2), causes protein, lipid and DNA damage and leads to the observed age-related decline of cells and tissues. A major obstacle in analyzing the role of oxidative stress in aging organisms is the inability to precisely localize and quantify the oxidants, to identify proteins and pathways that might be affected, and ultimately, to correlate changes in oxidant levels with the lifespan of the organism. To directly monitor the onset and extent of oxidative stress during the lifespan of Caenorhabditis elegans, we utilized the fluorescent H2O2 sensor protein HyPer, which enabled us to quantify endogenous peroxide levels in different tissues of living animals in real time. We made the surprising observation that wildtype C. elegans is exposed to very high peroxide levels during development. Peroxide levels drop rapidly as the animals mature, and low peroxide levels then prevail throughout the reproductive age, after which an age-accompanying increase of peroxide level is observed. These results were in excellent agreement with findings obtained by using the highly quantitative redox proteomic technique OxICAT, which monitors the oxidation status of redox-sensitive proteins as read-out for onset, localization, and protein targets of oxidative stress. By using OxICAT, we detected increased protein thiol oxidation during the development of C. elegans and in aging animals. Many processes in C. elegans might potentially contribute to the elevated peroxide levels observed during development, including cuticle formation, apoptosis, proliferation, gametogenesis, or ROS signaling. The finding that all investigated C. elegans mutants regardless of their lifespan are exposed to high developmental peroxide levels argues for ROS accumulation to be a universal and necessary event. Yet, recovery from the early oxidative boost might determine the subsequent adult lifespan, as we found that long-lived daf-2 mutants transition faster to reducing conditions than short-lived daf-16 mutants, which retain higher peroxide levels throughout their mature life. These results suggest that changes in the cellular oxidant homeostasis, encountered at a very early stage in life, might determine subsequent redox levels and potentially the lifespan of organisms. Manipulation of developmental oxidant levels using glucose restriction or a short bolus of superoxide caused a disruption in developmental growth, a delay in reproduction, and a shortened lifespan. These results suggest that developmental oxidant levels are fine-tuned and optimized. Future experiments are aimed to investigate the sources of developmental hydrogen peroxide, and to elucidate whether active down-regulation of antioxidant enzymes during the larval period might foster peroxide accumulation. Preliminary results indicate that this might indeed be the case for peroxiredoxin 2, whose expression was significantly lower during development than at later stages in life. Finally, we investigated whether the observed variances in the developmental peroxide levels of individual worms within a synchronized wildtype population might be responsible for the observed significant variances in lifespan, and hence could serve as a predictor for adult lifespan. Preliminary results revealed that neither too low nor too high peroxide levels during development are beneficial for the lifespan of wildtype worms, suggesting that ROS level during development might be optimized for maximized lifespan. Future experiments aim to reveal the processes that are affected by ROS and which might influence the individual’s lifespan early in life.

The arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) interaction with plants has a major impact on the soil ecosystem. However, so far, only a few studies on AMF genetics have been performed and molecular information on the genetic diversity of AMF is limited. In this study a fundamental genetic characterization of the industrial isolate, Glomus sp. AMykor (AMykor GmbH, Bitterfeld, Germany) has been undertaken to increase the understanding of AMF genetic diversity. Based on phylogenetic analysis of partial rDNA sequences, Glomus sp. AMykor isolate was proposed to belong to the G. irregulare species together with the reference isolate, DAOM197198. To investigate if both isolates differ in their ploidy level, fluorescence in situ hybridization (FISH) was performed and mainly one or two hybridization signals per nucleus were observed in both isolates. It is suggested that they harbour at least two major rDNA sites and possibly two minor sites. The DNA content was estimated by means of flow cytometry (FC) and confirmed by Feulgen densitometry (FD). The calculated average DNA content per nucleus is 153.0 ± 3.6 Mb for the G. irregulare AMykor isolate and 154.8 ± 6.2 Mb for the DAOM197198 isolate. Since there are plenty criticisms coming recently of using rDNA sequence for fungal barcoding there is necessity of development other system for the identification to species level of Glomeromycotan fungi. The focus of this part of the study was the GiFRD gene encoding fumarate reductase enzyme for use as a potential candidate for AMP species determination. Unfortunately, observed sequence variations do not allow the discrimination of Glomeromycotan species. However, further analysis of enzyme encoded by GiFRD showed a possible role of fumarate reductase in AMF redox balance maintaining under oxygen deficient conditions. Using a yeast expression system, it has been demonstrated that the protein encoded by GiFRD has fumarate reductase activity. The functional expression of GiFRD in the S. cerevisiae fumarate reductase deletion mutant restored the ability of growth under anaerobiosis which indicated that Gifrdp is able to functionally complement the S. cerevisiae missing genes. The fact that GiFRD expression was present only in the asymbiotic stage confirmed existence of at least one metabolic pathway involved in anaerobic metabolism and suggested that AMF behave as a facultative anaerobe in asymbiotic stage.

Streptococcus pneumoniae, more commonly known as the pneumococcus, is a Gram-positive bacterium colonizing the human upper respiratory tract as a commensal. However, these apparently harmless bacteria have also a high virulence potential and are known as the etiologic agent of respiratory and life-threatening invasive diseases. Dissemination of pneumococci from the nasopharynx into the lungs or bloodstream leads to community-acquired pneumonia, septicaemia and meningitis. Pneumococcal diseases are treated with antibiotics and prevented with polysaccharide-based vaccines. However, due to the increase of antibiotic resistance and limitations of the current vaccines, the burden of diseases remains high. Interactions of pneumococci with soluble host proteins or cellular receptors are crucial for adherence, colonization, transmigration of host barriers and immune evasion. The pneumococcal surface-exposed proteins are the main players involved in this host-pathogen interaction. Therefore, combating pneumococcal transmission and infections has emphasized the need for a new generation of immunogenic and highly protective pneumococcal vaccines, based on surface-exposed adhesins virtually expressed by all pneumococcal strains and serotypes. The genomic analysis of S. pneumoniae strains helped to identify pneumococcal virulence factors such as pili, PsrP and PavB, which have been demonstrated to interact with human proteins playing an important role during the pathogenic process of pneumococci, and are currently considered as new potential vaccine candidates against S. pneumoniae. A subclass of pneumococcal strains produces pili that are encoded by the pathogenicity islet pilus islet-1 (rlrA islet) and/or the pilus islet-2. Both types of pili are implicated in bacterial adherence to host cells. A further pathogenicity islet encoded protein is PsrP. The presence of the psrP-secY2A2 islet correlated positively with the ability of pneumococci to cause invasive pneumococcal diseases. Recent studies indicated that PsrP is a protective adhesin interacting with keratin 10 on lung epithelial cells. In this study, the genomic loci of the pneumococcal virulence factors pili, PsrP and PavB were molecularly analyzed and used as molecular markers for molecular epidemiology studies of S. pneumoniae. The genotyping results obtained here showed the impact of the PCV7 immunization of children, started in July 2006, on the distribution of these pneumococcal virulence factors among clinical isolates in Germany. These findings gave more insights into the role of pili, PsrP and PavB in pneumococcal pathogenesis and may strongly support the idea of including these pneumococcal constituents in a broad coverage protein-based vaccine against pneumococcal infections produced by invasive serotypes in the future. The mature PavB protein contains a variable number of repetitive sequences referred to as the Streptococcal Surface Repeats (SSURE). PavB has been demonstrated to interact with fibronectin and plasminogen in a dose-dependent manner and it was identified as a surface-exposed adhesin with immunogenic properties, which contributes to pneumococcal colonization and respiratory airways infections. The complete molecular analysis performed here for PavB, allowed to know more accurately its structure and to estimate the real number of SSURE units in different pneumococcal strains. With these findings, a new primary sequence-based structural model was constructed for the PavB protein and its SSURE domain, and, at least for TIGR4, the complete pavB gene and PavB protein sequences with five SSURE units was reported in the GenBank database of the NCBI website. Due to its immediate neighborhood on the pneumococcal genome with the tcs08 genes, PavB is likely linked with this pneumococcal TCS. Here, a significant reduction of the PavB protein expression was observed in delta-tcs08-mutant strains, which may strongly suggest that the TCS08 does play a role in pneumococcal virulence and metabolisme, as further observed in growth behaviour experiments carried out with the TCS08-deficient mutants, cultured in chemically defined medium. Despite several studies suggest that the molecular mechanism underlying the bacterial signal transduction is very sophisticated, the majority of reports in prokaryotic TCS, including those for S. pneumoniae, are still focused in single cognate pairs. The pneumococcal genome encodes 14 TCSs and an orphan response regulator. It is obvious that TCS pathways are often arranged into complex circuits with extensive cross-regulation at a variety of levels, thereby endowing cells with the ability to perform sophisticated information processing tasks. This study established also the experimental and molecular bases for the construction of a comprehensive genome-wide interaction map of the complex TCS pathways for its application in the gene regulation of pneumococcal virulence factors.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ausgehend vom nicht zytopathogenen (nzp) Wildtypvirus BVDV-2 Stamm 890 (v890WT) erstmalig ein infektiöser cDNA Volllängenklon (p890FL) konstruiert. In vitro synthetisierte RNA des Volllängenklons p890FL replizierte nach Transfektion in bovine Zellen autonom und aus dem Überstand transfizierter Zellkulturen konnte infektiöses Virus (v890FL) isoliert werden. Die in vitro Charakterisierung ergab ein ähnliches Wachstumsverhalten des rekombinanten Virus v890FL im Vergleich zum Wildtypvirus v890WT. Im Tierexperiment zeigte v890FL jedoch einen geringfügig attenuierter Phänotyp gegenüber dem Wildtypvirus v890WT. Mit Hilfe des nzp Volllängenklons p890FL konnte zudem gezeigt werden, dass auch ein nzp BVDV-2 -Stamm stabil messbare Mengen an freiem NS3-Proteins bilden kann, wie es bisher nur für zytopathogene (zp) BVDV Stämme beschrieben worden ist. Der Volllängenklon p890FL diente weiterhin als Basis für die Etablierung zweier Deletionsmutanten, p890dNpro und p890dC, welche sich jeweils durch eine partielle Deletion des Nichtstrukturproteins Npro bzw. durch eine partielle Deletion des Kapsidproteins C auszeichnen. Die Deletion der Autoprotease Npro resultierte in einem verminderten viralen Wachstum auf Interferon-kompetenten bovinen Zellen, auf Interferon-inkompetenten Zellen können jedoch mit dem rekombinanten Virus v890FL vergleichbare Titer erreicht werden. Die Deletion des Strukturproteins C resultierte in der Bildung eines sogenannten Replikons, die in vitro synthetisierte virale RNA von p890dC war zwar in der Lage nach Transfektion in bovinen Zellen autonom zu replizieren, jedoch können keine Virusnachkommen isoliert werden. Für die Generierung infektiöser Virusnachkommen (sogenannter „Pseudovirionen“) wurde das Replikon p890dC unter Verwendung der Helferzelllinie WT-R2 in trans komplementiert und zu (einmal infektiösen) Pseudovirionen verpackt. Beide Deletionsmutanten offerieren einen neuartigen Ansatz in der Etablierung von sicheren und effizienten BVDV-2 Vakzinen und stellen einen wichtigen Schritt bei der Entwicklung neuer BVDV-Impfstoffe dar. Der infektiöse cDNA Volllängenklon p890FL ist mit seiner 228 nt großen Insertion im NS2-kodierenden Bereich zudem ein wichtiges Werkzeug für die Untersuchung von Insertionen im NS2/3 und dem Verständnis für die Ursachen der Zytopathogenität von Pestiviren.

Die Transkription von Genen der Phospholipidbiosynthese in S. cerevisiae wird durch ein ICRE (inositol/choline responsive element) genanntes UAS-Element aktiviert, welches durch die Phospholipid-Vorstufen Inositol und Cholin (IC) gesteuert wird. ICRE-Motive werden durch ein Heterodimer der bHLH-Proteine Ino2 und Ino4 erkannt, wobei Ino2 über zwei Transkriptionsaktivierungsdomänen (TAD) die Expression vermittelt, während Ino4 dem Kernimport des Komplexes dient. Negativer Regulator ist Opi1, der mit Ino2 interagiert. SUA7 (TFIIB) wird durch die Interaktion mit Ino2 an den Promotor rekrutiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Untersuchungen durchgeführt, um ein Heterodimer aus heterolog exprimiertem Ino2 und Ino4 über chromatographische Methoden zu reinigen. Es wurde eine affinitätschromatographische Strategie entwickelt, die es gestattet, epitopmarkiertes Ino2 und Ino4 von einem Großteil der Fremdproteine abzutrennen. Mit größeren Zellmengen könnte es künftig gelingen, ein Ino2/Ino4-Heterodimer zu reinigen und es nach Kristallisierung zusammen mit einem ICRE-Motiv einer Röntgenstrukturanalyse zugänglich zu machen. Unter Verwendung genomischer Sequenzdaten von S. cerevisiae wurden in dieser Arbeit weitere Gene identifiziert, die ICRE-Motive in ihrer Promotorregion tragen, aber keine offensichtliche Rolle bei der Phospholipidbiosynthese spielen. Untersuchungen zeigten, dass die ICRE-tragenden Gene FAR8, RSF1, YEL073C und URA8 relativ stark, die Gene ARG4, ERG20, GPD2 und VHT1 nur moderat durch IC beeinflusst werden. Für das in S. cerevisiae stark IC-abhängige INO1 Gen (50-fache Derepression bei IC-Mangel) wurde gezeigt, dass drei distinkte ICRE-Motive für diese Regulation verantwortlich sind. Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden mit Transkriptomanalysen anderer Gruppen verglichen und die Aussagekraft von in silico-Recherchen bewertet. Candida albicans ist eine opportunistisch pathogene Hefe. Auch C. albicans ist in der Lage, Inositol, Cholin und Fettsäuren de novo zu synthetisieren. Ein Funktionshomolog zu INO1, das CaINO1, vermag eine entsprechende Nullmutation in S. cerevisiae zu komplementieren. Ebenso wurden in C. albicans die Gene CaCHO1, CaFAS1 und CaFAS2 für die Synthese von Cholin bzw. Fettsäuren identifiziert. Ferner besitzt C. albicans das dem Opi1-Protein strukturell und funktionell ähnelnde CaOpi1, welches ebenfalls in der Lage ist, eine IC-abhängige Genregulation in S. cerevisiae zu vermitteln. Die in silico Identifikation potentieller C. albicans Orthologer zu INO2 sowie zu INO4 gab Anlass zu der Annahme, dass die Regulation der Phospholipidbiosynthese in S. cerevisiae und C. albicans konserviert vorliegt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein unkonventionelles Intron im mutmaßlichen CaINO4 Gen identifiziert und durch RT-PCR eine intronfreie cDNA des CaINO4 Gens erhalten. Mit den Produkten der mu tmaßlichen Gene CaINO2 und CaINO4 wurden Protein/DNA- und Protein/Protein-Interaktionen untersucht und mit der Situation in S. cerevisiae verglichen. CaIno2 und CaIno4 sind in der Lage zu heterodimerisieren und an ICRE-Motive aus S. cerevisiae zu binden, jedoch konnte keine Bindung an den CaINO1 Promotor gezeigt werden. Weiterhin ist das Heterodimer der C. albicans-Proteine in der Lage, einer S. cerevisiae ino2 ino4 Doppelmutante ein Wachstum auf IC-freiem Medium zu ermöglichen. Keines der Gene kann jedoch allein die jeweils entsprechende ino2 oder ino4 Einfachmutation komplementieren. Weder CaIno2 noch CaIno4 interagieren mit CaOpi1, hingegen interagiert CaIno2 mit Opi1, ebenso CaOpi1 mit Ino2. Ferner interagiert CaIno2 wie auch CaIno4 mit CaSua7, nicht jedoch mit Sua7. Es konnte keine Interaktion zwischen Ino2 bzw. Ino4 mit CaIno4 bzw. CaIno2 festgestellt werden, ebensowenig eine Homodimerisierung der Proteine. Ähnlich wie Ino2 enthält auch CaIno2 zwei Transkriptionsaktivi erungsdomänen an entsprechenden Positionen und vergleichbarer Aktivierungsleistung. Es gelang im Rahmen dieser Arbeit nicht, homozygote Mutationen der Gene CaINO2 und CaINO4 durch Gendisruption in die diploide Hefe C. albicans einzuführen, es konnten lediglich heteroallele Mutanten hergestellt werden. Dieser Befund ist ein Hinweis auf eine Rolle von CaIno2 und CaIno4 bei der Aktivierung essentieller Gene in C. albicans. Daher wurde mit Genaktivierungstests nach der CaIno2/CaIno4-Konsensusbindesequenz gesucht und diese dann verwendet, um potentielle Zielgene in silico zu identifizieren. Als Konsensussequenz wurde das Motiv BWTCASRTG erhalten. Dieses Motiv wurde weder vor CaINO1, CaFAS1 oder CaCHO1 gefunden, jedoch zeigte sich eine deutliche Häufung des UAS-Elements vor mitochondrialen Genen, vor Genen der Ergosterolbiosynthese und besonders vor einer Vielzahl von Genen ribosomaler Proteine. Es kann aus diesen Daten gefolgert werden, dass CaIno2 und CaIno4 für die Aktivierung anderer, vermutlich essentieller Zielgene erforderlich sind als ihre Orthologen aus S. cerevisiae, während CaINO1 durch bisher unbekannte Faktoren reguliert wird.

Kunststoffähnliche Polymere wie Polyhydroxyalkanoate (PHA) fanden in den letzten Jahren immer größere Berücksichtigung zur Substitution von Kunststoffen. Die attraktivsten Vertreter dieser Biopolymere sind dabei das Poly-3-hydroxybutyrat (PHB),das Poly-3-hydroxyvalerat (PHV) und das Poly-3-hydroxybutyrat-co-3-hydroxyvalerat(PHBV). Für eine kostengünstige Herstellung von PHA sind allerdings biotechnologisch etablierte Erzeuger notwendig. Für eine umweltfreundliche Produktion bieten sich Hefen an. Viele Hefen sind im Gegensatz zu den PHA-synthetisierenden Prokaryoten weder virulent noch pathogen. Allerdings verfügen sie nicht über die notwendige genetische Ausstattung zur PHA-Synthese. In der vorliegenden Arbeit wurden die Gene der PHB- bzw. PHBV-Synthese aus Cupriavidus necator und Methylobacterium extorquens in das Hefegenom von Arxula adeninivorans integriert. Es wurden die Gene phbA (kodiert für eine ß-Ketothiolase), phbB (kodiert für eine Acetoacetyl-CoA-Reduktase) und phbC aus C. necator sowie phaC aus M. extorquens genutzt, wobei die beiden letzteren für PHA-Synthasen kodieren. Für die Integration dieser PHA-Gene wurden sog. YIEC (Yeast Integration Expression Cassettes) konstruiert, mit welchen die Gene in die 25S-rDNA von A. adeninivorans integriert werden konnten. Es wurden jeweils die PHA-Synthasegene phaC oder phbC mit phbA und phbB aus Cupriavidus necator integriert. Dadurch entstanden die sog. 3-fach-Transformanten (3-fach/phaC und 3-fach/phbC). Ebenso wurden die PHA-Synthasegene einzeln integriert, wodurch die sog. 1-fach-Transformanten (1-fach/phaC und 1-fach/phbC) entstanden. Im Mittelpunkt der durchgeführten Arbeiten standen die Bestimmungen der Enzymaktivitäten der rekombinanten PHA-Synthasen, die Determinierung von PHA sowie die Untersuchungen der Veränderungen der Stoffwechselintermediate durch die Integration der PHA-Gene. Bevor die vier PHA-Transformanten generiert worden waren, waren in einer Machbarkeitsstudie die PHA-Gene phbA und phbB integriert und die Expression der rekombinanten Enzyme mit Enzymaktivitätsassays nachgewiesen worden. In den vier verwendeten PHA-Transformanten (1-fach/phaC, 1-fach/phbC sowie 3-fach/phaC und 3-fach/phbC) wurden phbAp und phbBp mittels spezifischer Antikörper nachgewiesen. Die Expression der PHA-Synthasegene wurde in den PHA-Transformanten durch Enzymaktivitätsassays vorgenommen. Die PHA-Transformanten wurden mit Glukose, Acetat, Ethanol, Propion- und Buttersäure alleinig und im Shift von Glukose auf eine andere Kohlenstoffquelle kultiviert. Dabei wurde festgestellt, dass Ethanol generell von den PHA-Transformanten nicht verwertet werden kann. Parallel zu den Analysen des Wachstumsverhaltens wurden die Enzymaktivitätsassays durchgeführt. Dabei konnten neben der Glukosekultivierung erstmals auch bei Acetatkultivierung Aktivitäten der rekombinanten PHA-Synthasen nachgewiesen werden. Sowohl bei der Glukose- als auch der Acetatkultivierung zeigten die vier PHA-Transformanten verschiedene Verläufe der Aktivitäten. Für die Transformante, in welche das PHA-Synthasegen phaC aus Methylobacterium extorquens integriert worden war (1-fach/phaC), wurden sowohl für die Glukose- als auch die Acetatkultivierung die Aktivitätswerte für die PHA-Synthasen bestimmt. Für die Transformante, welche das PHA-Synthasegen phbC aus Cupriavidus necator trägt (1-fach/phbC), konnten nur bei Glukosekultivierung PHA-Synthaseaktivitäten bestimmt werden. Diese wurden während der Kultivierung geringer. Für die 3-fach-Transformante 3-fach/phaC konnten PHA-Synthaseaktivitäten sowohl für die Glukose- als auch die Acetatkultivierung bestimmt werden, die während der beiden Kultivierungen geringer wurden. Für die Transformante, welche alle drei PHA-Gene inklusive des PHA-Synthasegens phbC (3-fach/phbC) trägt, wurden während der Glukosekultivierung gleich bleibende und während der Kultivierung mit Acetat stark steigende PHA-Synthaseaktivitäten ermittelt. Mit einer Färbemethode sollte in den 1-fach-Transformanten PHB nachgewiesen werden. Dazu wurden die Farbstoffe BODIPY 493/503 und Nilrot, die speziell intrazelluläres PHB bzw. Neutrallipide färben, verwendet. Es konnte mit BODIPY 493/503 kein intrazellulär eingelagertes PHB detektiert werden. Daher handelt es sich bei den Einlagerungen um Lipide. Für eine genauere Analyse der die durch die Integration der PHA-Gene entstehenden Stoffwechselprodukte wurde eine GC/MS-Methode entwickelt. In ersten Messungen zeigte sich für die PHA-Transformanten ein Peak, der die gleiche Retentionszeit wie 3-Hydroxyvalerat (3HV), das Monomer von PHV hatte. Dieser Peak wurde auch im Kontrollstamm G1212k detektiert. Da Cupriavidus necator mit der Kohlenstoffquelle Lävulinsäure (LäS) das PHA Poly-4-hydroxyvalerat produziert, wurde Lävulinsäure in der gaschromatographischen Methode als Referenzsubstanz eingesetzt. Dabei zeigte sich, dass LäS die gleiche Retentionszeit hat wie 3HV. Anschließend wurden die Massenspektren von 3-Hydroxybutyrat (3HB), dem Monomer von PHB, sowie 3HV und LäS verglichen. Dabei erwies sich, dass der Peak gleicher Retentionszeit nicht für 3HB oder 3HV steht, sondern für LäS. Es konnten somit in keiner der PHA-Transformanten 3HB oder 3HV nachgewiesen werden. Anhand der GC/MS-Daten wurde allerdings ersichtlich, dass die Integration aller drei PHA-Gene den Stoffwechsel der Hefe A. adeninivorans stärker beeinflusst als die alleinige Integration der PHA-Synthasegene. Daher wurden Citrat, Succinat, Malat und Fumarat (als Summenparameter für Maleinsäure und Fumarsäure) sowie die Fettsäuren Palmitin-, Stearin- und Linolensäure als weitere Referenzsubstanzen eingesetzt. Es zeigten sich je nach Wahl der Kohlenstoffquelle und der Kultivierungsbedingungen Unterschiede zwischen 3-fach-Transformanten und Kontrollstamm G1212k. In der Glukosekultivierung als auch der Co-Kultivierung von Glukose und Acetat (1:2) konnten die meisten Unterschiede zwischen PHA-Transformanten und G1212k festgestellt werden. Es wurden z. B. für die Glukosekultivierung in den 3-fach-Transformanten höhere Gehalte an Fettsäuren detektiert. Daraus lässt sich eine unterstützende Wirkung der rekombinanten Proteine der PHA-Synthese zur Fettsäurebiosynthese ableiten. Bei der Acetatkultivierung wird neben der PHA-Synthese und der Fettsäurebiosynthese das zentrale Zellintermediat Acetyl-CoA auch im Glyoxylatweg genutzt. Der Glyoxylatweg findet zwar in den Peroxisomen und nicht wie PHA- und Fettsäuresynthese im Zytosol statt, wird aber in Abhängigkeit von der Kohlenstoffquelle und durch die Aktivitäten des Zitronensäurezyklus geregelt. Die höheren Gehalte an Citrat bei der Co-Kultivierung von Glukose und Acetat (1:2) geben daher einen Anhaltspunkt zur Nutzung des Glyoxylatweges. Aufgrund der erhöhten Fettsäuregehalte während der Glukosekultivierungen und der Nutzung des Glyoxylatweges bei Kultivierung mit Acetat wird ersichtlich, dass die Integration aller drei PHA-Gene dazu führt, dass vermehrt Acetyl-CoA genutzt und Acetoacetyl-CoA, das erste Zwischenprodukt der PHA-Synthese, gebildet wird. Im Zytosol der Zellen findet aber auch der Mevalonatweg für die Isoprensynthese statt. Daher liegt sowohl eine Konkurrenz um Acetyl-CoA als auch um Acetoacetyl-CoA vor. Diese Konkurrenzen führen dazu, dass keine PHA-Synthese in den PHA-Transformanten stattfindet. Deswegen wird postuliert, dass stattdessen die Fettsäuresynthese, der Glyoxylatweg und der Mevalonatweg unterstützt werden. Intensivere Untersuchungen der Stoffwechselwege in A. adeninivorans müssen noch klären wie Zitronensäurezyklus und Glyoxylatweg sowie Fettsäure- und Isoprensynthese in dieser Hefe gesteuert werden können, um ein „metabolic engineering“ zur PHB-Synthese, wie es in S. cerevisiae bereits möglich ist, auch in A. adeninivorans zu realisieren. Dazu müssen nach der Expression der rekombinanten Proteine der PHA-Synthese auch die Intermediate der Stoffwechselwege gezielter nutzbar und konkurrierende Enzymaktivitäten inhibiert werden.

The soil-dwelling bacterium Bacillus subtilis is regarded as model organism for functional genomic research of low GC Gram-positive bacteria. Recently, the group of Haike Antelmann has monitored the expression profile of B. subtilis after exposure to phenolic compounds. Interestingly, proteome and transcriptome analyses showed a strong overlap in the expression profile after exposure to catechol, MHQ that auto-oxidized to quinones and the thiol-reactive electrophile diamide. The response to electrophilic quinones and diamide is governed by a complex network of transcription factors, including Spx, CtsR, PerR, CymR and the novel MarR-type repressors MhqR (YkvE), YodB and YvaP. The regulatory mechanisms of these novel thiol-stress sensors YodB and YvaP are studied as part of this thesis in collaboration with the group of Peter Zuber (Oregon). YodB negatively regulates the expression of the nitroreductase YodC and the azoreductase YocJ (AzoR1) after exposure to electrophilic quinones and diamide. The azoreductase AzoR1 is a paralog of AzoR2 that is under control of MhqR. Both paralogous azoreductases (AzoR1 and AzoR2) have common functions in quinone and azo-compound reduction to protect cells against the thiol reactivity of electrophiles. DNA binding activity of YodB is directly inhibited by thiol-reactive compounds in vitro. Mass spectrometry approaches suggested that YodB is regulated by a thiol-(S)-alkylation mechanism in response to quinones. Mutational analyses revealed that the conserved Cys6 residue of YodB is required for optimal repression in vivo and in vitro. Recent studies further suggest that YodB is redox-regulated by intersubunit disulfide formation in vivo by diamide. In addition to the azoreductases, several thiol-dependent dioxygenases confer resistance to quinones. In collaboration with Kazuo Kobayashi (Nara), the YodB-paralogous MarR/DUF24-family regulator, YvaP was identified as repressor of the catechol-2,3-dioxygenase encoding yfiDE (catDE) operon. DNA binding activity of YvaP was also directly inhibited by quinones and diamide in vitro indicating that also YvaP is regulated via post-translational modifications. Mutational analyses showed that the conserved Cys7 is essential for YvaP regulation in vivo and serves as sensor for thiol-reactive compounds. In addition, also the basic amino acids K19, R20 are essential for YvaP repression in vivo as well as conserved basic arginine and lysine residues located in the DNA binding helix-turn-helix (HTH) motif. Non-reducing PAGE analysis suggests the formation of an intersubunit disulfide bond in a YvaP dimer upon treatment with quinones and diamide in vitro. Besides quinones, also aldehydes are electrophilic compounds which react via the thiol-(S)-alkylation reaction with thiols. Thus, we were also interested in the response of B. subtilis to the toxic electrophiles methylglyoxal (MG) and formaldehyde (FA). We analyzed the changes in the transcriptome and proteome of B. subtilis after exposure to MG and FA. Like quinone compounds, both MG and FA induce the thiol-specific stress response. Metabolomic approaches confirmed that these reactive aldehydes deplete the cellular thiol pool and thus act like quinones as another class of thiol-reactive electrophiles. Additionally, MG and FA also triggered responses to overcome DNA damage. Our studies further revealed the specific induction of two FA detoxification pathways regulated by the MarR/DUF24 family repressor HxlR, and the novel MerR/NmlR-type regulator YraB (AdhR). HxlR positively regulates the hxlAB operon encoding the ribulose monophosphate pathway. AdhR positively regulates an adhA-yraA operon that encodes the thiol-dependent formaldehyde dehydrogenase (AdhA) and the DJ1/PfpI-like cysteine proteinase (YraA), and the yraC gene that encodes a γ-carboxymuconolactone decarboxylase. Thus, the AdhR regulon is involved in the detoxification of FA to formate via the formaldehyde dehydrogenase AdhA which catalyzes the cleavage of S-hydroxymethylcysteine adducts. In addition, the cysteine proteinase YraA could be involved in the degradation of S-hydroxymethylcysteine-modified and damaged protein thiols. In collaboration with the group of John Helmann (Ithaca), it was shown that AdhR binds in vitro to a conserved inverted repeat between the -10 and -35 promoter elements upstream of adhA, yraB and yraC. In addition, we showed that the conserved Cys52 of AdhR is essential for aldehyde sensing and activation of adhA-yraA transcription in vivo. Thus, we speculate that redox regulation of AdhR involves thiol-(S)-alkylation of this Cys52 residue by aldehydes as another novel mechanism of bacterial physiology.