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Hantaviruses are enveloped viruses with a single-stranded RNA genome of negative polarity. The genome consists of three segments: small (S), medium (M) and large (L). As zoonotic pathogen, hantaviruses are worldwide responsible for 150,000 to 200,000 human disease cases per year. Two forms of human disease are currently distinguished: In the Americas the hantavirus cardiopulmonary syndrome (HCPS) and in Europe and Asia the hemorrhagic fever with renal syndrome (HFRS). Since the introduction of the German Protection against Infection Act in 2001 until now a total of 10,082 disease cases have been reported. As a result, hantavirus infections currently rank as the fifth frequent notifiable disease in Germany. More than 80% of these infections were caused by the hantavirus species Puumala virus (PUUV), transmitted by the bank vole Myodes glareolus. Besides temporal oscillations, an unequal geographical distribution of human PUUV cases was noticed in Germany and in other countries of Central Europe. This is reflected in the presence of endemic and non-endemic regions as well as of so-called outbreak years. Therefore, the overall objective of this study was to find out possible reasons for the inhomogeneous distribution of PUUV in Central Europe, in particular in Poland, Germany and certain districts of Baden-Wuerttemberg. The basic working hypothesis was that PUUV spread in Central Europe after the last glaciation with different evolutionary lineages of the bank vole and that the current emergence of PUUV in bank vole populations is determined by local geographical and ecological factors. Very little was known about the presence of PUUV in Poland. Earlier studies were based exclusively on serological detection of PUUV, but a molecular detection with subsequent phylogenetic investigation was missing so far. Therefore, 45 bank voles from the northeastern part of Poland were investigated by serological and molecular assays. In three animals from a forest region close to the city of MikoÂłajki PUUV-reactive antibodies and/or PUUV RNA were detected. Phylogenetic analysis indicated the presence of a Latvian (LAT) PUUV strain. Viral RNA was detected in one bank vole of the Eastern evolutionary lineage and two animals of the Carpathian lineage. Thereby it could be demonstrated for the first time that the distribution of the LAT PUUV lineage ranges from Latvia south-west to the northeastern part of Poland. An inhomogeneous spatial distribution of human disease cases has been observed even for Baden-Wuerttemberg, a long time known endemic federal state of Germany. Therefore 660 bank voles were trapped during the outbreak and non-outbreak years 2012 and 2013 in four districts with high incidences (H) and in four districts with low incidences or lacking PUUV cases (L). During the outbreak year 2012 PUUV-positive bank voles were detected by serological and molecular investigations in seven of eight districts. In contrast, in the following year only in one district PUUV infected bank voles were detected. Furthermore, it was demonstrated that after a beech mast, i.e., a massive fructification of beech trees, in H districts with a higher percentage of beech forest coverage a higher number of human cases was notified, but not in L districts with a lower percentage of beech forest coverage. For the future development of early warning modules it is therefore necessary to have a long-term bank vole monitoring established that incorporates beech mast data and information on beech forest coverage. High endemic regions for PUUV are mainly located in the southern and western parts of Germany, whereas in the eastern and northern parts only low numbers or even no human cases are recorded. To find out possible reasons for this inhomogeneous distribution, 1,774 bank voles from different regions of Germany were investigated for PUUV infections and in parallel for the corresponding bank vole evolutionary lineage (Western, Eastern, Carpathian). The PUUV investigations indicated positive voles in the known endemic regions with an easternmost and northernmost occurrence in western Saxony-Anhalt, western Thuringia and in OsnabrĂŒck. In the northern and eastern part of Germany none of the 1,210 investigated bank voles showed a PUUV infection. In the southern and western parts of Germany only the Western bank vole lineage was identified, whereas the Eastern lineage was exclusively found in the eastern and northern part and the Carpathian lineage in the South-East and North-East of Germany. PUUV infections were found almost exclusively in bank voles of the Western lineage. Individuals of the other two vole lineages were found to be PUUV infected only in regions with sympatric occurrence of the Western lineage. The previously described contact zone of the different bank vole phylogroups ranges from Poland to the entire northern part of Germany. In conclusion, the results of this investigation indicate two potential major reasons for the inhomogeneous distribution of PUUV in Germany: First, PUUV of the CE lineage seems to be associated with the Western bank vole lineage. The current geographical distribution of virus and host might be explained by a post-glacial northern expansion of the bank vole starting at the western refuge. Second, the missing detection of PUUV in bank voles of the Western lineage in areas close to high endemic regions might be explained by the extinction of the virus due to a limited winter survival of infected animals during long and harsh winters. The virus stability outside the host or ecological barriers, such as isolated forest areas or broad rivers, might also influence the distribution of PUUV in bank vole populations.
The presented study was dedicated to outstanding issues in regard to the safety and efficacy of the LAV âCP7_E2alfâ, during the final licensing process and towards its putative implementation in outbreak scenarios as emergency vaccine. (I) For application of a genetically engineered virus under field conditions, knowledge about its genetic stability is mandatory. Therefore, the genetic stability of âCP7_E2alfâ needed to be assessed in vivo and in vitro. Mutation rates were compared to the parental pestivirus strains (BVDV-1 âCP7â and CSFV âAlfort/187â), and BVDV or CSFV field-strains. There was no indication that âCP7_E2alfâ could be more prone to mutational events than its parental viruses or representative field-strains. Moreover, no recombination events were observed in in vitro experiments. In conclusion, the data obtained in this study confirm a strong genetic stability of âCP7_E2alfâ as an important safety component. (II) Since vaccination of breeding animals is often discussed, this study was conducted to assess the safety of âCP7_E2alfâ vaccination of breeding male pigs. The study with âCP7_E2alfâ vaccinated boar demonstrated that the new CSFV marker vaccine is suitable for application in reproductive boar. Neither in organs of the uro-genital tract related to sperm production nor in urine or feces, vaccine virus genome was detectable. Dissemination of âCP7_E2alfâ through semen, and shedding with urine and feces, is therefore highly unlikely. (III) In order to investigate the influence of pre-existing pestivirus antibodies of the efficacy of âCP7_E2alfâ, a vaccination-challenge-trial was conducted with âCP7_E2alfâ (SuvaxynÂź CSF Marker) and the âgold-standardâ of live-modified CSFV vaccines, the C-strain (RIEMSERÂź Schweinepestvakzine). Pre-existing antibodies against BVDV-1 were provoked through intramuscular inoculation of a recent field isolate from Germany. Seven days after the vaccination, all animals were challenged with highly virulent CSFV strain âKoslovâ. It was demonstrated that pre-existing anti- BVDV-1 antibodies do not impact the efficacy of both live attenuated vaccines against CSFV. Both C-strain âRiemsâ and marker vaccine âCP7_E2alfâ were able to confer full protection against the highly virulent challenge. However, slight interference was seen with serological DIVA diagnostics accompanying âCP7_E2alfâ. Amended sample preparation and combination of test systems was able to resolve most cases of false positive reactions. However, in such a coinfection scenario, optimization and embedding in a well-defined surveillance strategy is clearly needed for marker vaccination scenarios. (IV) To supplement the data about the kinetic of maternally derived antibodies in piglets from sows vaccinated during outbreaks, a single âemergency-typeâ vaccination of two pregnant sows was done. Focus was laid on the kinetics of maternally derived antibodies (MDA) in the screening assays of their offspring with screening assays that would be used in case of CSFV outbreaks, i.e. CSFV E2 and Erns antibody ELISA. Upon vaccination with âCP7_E2alfâ 21 days before farrowing, MDAs were measurable in all piglets born to vaccinated sows. The E2- ELISA reactivities showed an almost linear decrease over ten weeks after which all piglets were tested negative in the ELISA. Future studies should investigate, if MDA are able to protect offspring of vaccinated sows or whether the piglets should also be vaccinated.
Members of the species Bacillus pumilus get more and more in focus of the biotechnological industry as potential new production strains. Based on secretome analysis, Bacillus pumilus strain Jo2, possessing high secretion capability, was chosen for an omics based investigation. The physiology of Bacillus pumilus cells growing either in minimal or complex medium was analyzed by a combination of proteomic and metabolomic methods. Master gels of the cytosolic and the secreted proteome covering major parts of the main metabolic pathways were created by means of 2D gel electrophoresis. Quantification of 2D gels allowed displaying the most abundant proteins in these sub-proteomes. Application of the GeLC-MS/MS technique tripled the number of identified proteins and enabled detection of many intrinsic membrane proteins. In total, 1542 proteins were identified in growing B. pumilus cells, among them 1182 cytosolic proteins, 297 membrane and lipoproteins and 63 secreted proteins. This accounts for about 43 % of the 3616 proteins encoded in the B. pumilus Jo2 genome sequence. By using GC-MS, IP-LC/MS and H-NMR methods numerous metabolites were analyzed and assigned to the reconstructed metabolic pathways. Our data indicate that applying a combination of proteomic and metabolomic techniques a comprehensive view of the physiology of growing B. pumilus cells can be gained. In addition, selected production-relevant genome features such as the restriction modification system, NRPS clusters and the secretory system of B. pumilus Jo2 are discussed. In their natural habitat, the soil, B. pumilus cells are often exposed to growth limiting conditions due to the lack of sufficient amounts of nutrients. Such limitations can also occur during fermentation conditions and will negatively influence the efficiency of the process. Glucose is the main carbon and energy source of B. pumilus. Thus, a deficiency of glucose has an enormous impact on cell growth. A 1D LC-MS/MS approach was performed to quantify the proteins using an N14/N15 labeling and to analyze the changes in the protein equipment when B. pumilus cells stop their exponential growth and become stationary due to limitation of glucose. 1033 proteins in the cytosolic fraction of B. pumilus cells were quantified and 272 of them appeared to be upregulated when the cells experience glucose starvation. 2D-PAGE was used to analyze the exoproteome of those cells. Glucose starving B. pumilus cells seemed to focus on usage of proteins and peptides as alternative carbon and energy sources instead of other carbohydrates. Especially the exoproteome of glucose starving cells is dominated by proteases and peptidases. Furthermore, cells used fatty acids as carbon source indicated by upregulation of enzymes involved in ÎČ-oxidation and the methylcitrate pathway. Bacillus pumilus is characterized by a higher oxidative stress resistance than other comparable industrially relevant Bacilli such as B. subtilis or B. licheniformis. In this study the response of B. pumilus to oxidative stress was investigated during a treatment with high concentrations of hydrogen peroxide at the proteome, transcriptome and metabolome level. Genes/proteins belonging to regulons, which are known to have important functions in the oxidative stress response of other organisms, were found to be upregulated, such as the Fur, Spx, SOS or CtsR regulon. Strikingly, parts of the fundamental PerR regulon responding to peroxide stress in B. subtilis are not encoded in the B. pumilus genome. Thus, B. pumilus misses the catalase KatA, the DNA-protection protein MrgA or the alkyl hydroperoxide reductase AhpCF. Data of this study suggests that the catalase KatX2 takes over the function of the missing KatA in the oxidative stress response of B. pumilus. The genome-wide expression analysis revealed an induction of bacillithiol (Cys-GlcN-malate, BSH) relevant genes. An analysis of the intracellular metabolites detected high intracellular levels of this protective metabolite, which indicates the importance of bacillithiol in the peroxide stress resistance of B. pumilus. Using the physiological knowledge gained during our studies, we analyzed samples taken during an industrial fermentation process. Five samples were taken during the processes using a protease overexpressing B. pumilus strain and a non-overexpressing B. pumilus reference strain. 2D-PAGE was employed to analyze the samples. 448 proteins could be identified in the samples from the protease overexpressing stain as well as 453 proteins in the reference strain. The proteins were quantified relatively comparing the different growth phases of each strain as well as comparing the strains to each other. The physiological knowledge gained from the shake flask studies enabled us to interpret the findings. Both strains showed an induction of proteins involved in acquisition of alternative carbon sources and of proteins involved in degradation and usage of fatty acids, e.g. the methylcitrate pathway, when they stop exponential growth. This is comparable to the results gained from the analysis of B. pumilus cells under glucose limitation, indicating similar conditions during the processes. Especially in the late phases of the fermentation processes the cells were obviously exposed to severe stress conditions. Our results demonstrated that overexpressing cells showed a significantly stronger oxidative stress response at the end of the fermentation process compared to non-overexpressing cells, which indicated that not only the high cell densities but also the overproduction of the target protein might be responsible for these conditions.
Staphylococcus (S.) aureus ist vor allem bekannt als einer der Haupterreger nosokomialer Infektionen weltweit. Die Mechanismen, mit denen S. aureus und das Immunsystem des Wirtes miteinander interagieren sind komplex und bis heute nicht vollstĂ€ndig verstanden. Ziel der vorliegenden Dissertation war es daher, bekannte Virulenzfaktoren von S. aureus und Proteine, deren Funktion fĂŒr das Bakterium bisher unbekannt ist, hinsichtlich ihrer ImmunogenitĂ€t und ihrer FĂ€higkeit, Interaktionen mit Zellen und Plasmafaktoren des humanen Blutes einzugehen, zu charakterisieren. Die Entwicklung und Anwendung eines fĂŒr den Organismus S. aureus spezifischen Proteinmikroarray war eines der Hauptziele dieser Arbeit, welches unter der Bezeichnung Staph-Toxin-Ag verwirklicht wurde. Der Array trug bis zu 62 S. aureus-Antigene und zeigte sich als geeignet zur Charakterisierung und Quantifizierung von Antikörperantworten in verschiedenen humanen und murinen Wirtsproben, wie Blutplasma und -serum sowie anderen extrazellulĂ€ren FlĂŒssigkeiten wie Nasensekret und Bauchwasser von gesunden und infizierten Probanden. Im âProtein-Interaktionsassayâ wurde der Staph-Toxin-Ag dazu verwendet, Interaktionen von S. aureus-Proteinen zu humanen Blutplasmaproteinen zu identifizieren â Faktor H, Fibronektin, Fibrinogen, Plasminogen und Vitronektin. Der Staph-Toxin-Ag wurde in zwei unabhĂ€ngigen globalen Studien angewendet, welche die S. aureus spezifischen Antikörperantworten von gesunden humanen Probanden untersuchten, darunter TrĂ€ger und Nicht-TrĂ€ger von S. aureus. In der ersten Studie wurden die IgG-Antworten in den Blutplasmen, in der zweiten Studie die Antikörperantworten der Klassen IgG und IgA, hier in den Nasensekreten der Probenaden charakterisiert. In beiden Studien wurde wie erwartet eine enorme HeterogenitĂ€t der detektierten Antikörperantworten innerhalb der Kohorten beobachtet, die unabhĂ€ngig vom TrĂ€gerstatus bestand. Vergleichende Analysen der IgA- mit den IgG-Antworten in den Nasensekreten konnten den Grad der HeterogenitĂ€t noch einmal deutlich erhöhen. FĂŒr keinen der untersuchten Probanden stimmten die S. aureus-Antigen-Muster beider Antikörperklassen vollstĂ€ndig ĂŒberein. FĂŒr die untersuchten S. aureus-TrĂ€ger wurden im Durchschnitt höhere Antikörperlevel nachgewiesen als fĂŒr die Nicht-TrĂ€ger. Statistische Analysen (Mann-Whitney U-Test) der gemessenen IgG- bzw. IgA-Level identifizierten insgesamt zehn Antigene, gegen die die Testgruppe der TrĂ€ger im Vergleich signifikant höhere Antworten zeigte. FĂŒr das virulenzassoziierte Protein IsaA (Immunodominant staphylococcal Antigen A) wurden die beschriebenen Unterschiede in beiden globalen Studien und fĂŒr beide untersuchten Antikörperklassen identifiziert. Die stĂ€rksten und hĂ€ufigsten Antikörperantworten konnten gegen Proteine aus zwei funktionellen Gruppen â die nicht-egc-Superantigene (SEB, SEC, TSST-1) und die Komplement- und Koagulationsinhibitoren (SCIN, Efb, Sbi, SSL-7, SACOL1169) â detektiert werden. Mindestens 60 % der untersuchten Probanden zeigten spezifische IgG- und/oder IgA-Antworten gegen Komplementinhibitoren. Hingegen konnten fĂŒr Superantigene vor allem AntikörperspezifitĂ€ten der Klasse IgG detektiert werden. FĂŒr den Komplementinhibitor Sbi (S. aureus Binder of IgG) wurde eine LĂŒcke in den IgG-Antworten beobachtet. Beide funktionelle Gruppen werden folglich bei der Invasion des Wirtes von S. aureus in vivo exprimiert. Komplementinhibitoren sind darĂŒber hinaus offensichtlich fĂŒr S. aureus von besonderer Relevanz bei der Kolonisierung der Naseschleimhaut. Zahlreiche neue Erkenntnisse konnten gewonnen werden zu Proteinen, die von S. aureus sekretiert werden, deren Funktion fĂŒr das Bakterium jedoch bisher unbekannt ist. Gegen zehn dieser Proteine wurden mithilfe des Staph-Toxin-Ag spezifische IgG- und/oder IgA-Antworten nachgewiesen, besonders hĂ€ufig gegen die Antigene SACOL0479, SACOL0480, SACOL0985 und SaurJH1_2034. Dies zeigte, dass diese Proteine durch S. aureus in vivo synthetisiert werden und dass sie immunogen wirken. Im âProtein-Interaktionsassayâ konnten fĂŒr 20 der sekretierten Proteine mit unbekannter Funktion Interaktionen mit humanen Blutplasmafaktoren nachgewiesen werden. In durchflusszytometrischen Analysen mit humanem Vollblut wurden fĂŒr sieben Proteine â SACOL0021, SACOL0742, SACOL0908, SACOL0985, SACOL1788, SACOL1802 und SACOL2197 â spezifische Bindungen an PMNs (Polymorphonuclear Leukocytes) und/oder Monozyten gezeigt. In der vorliegenden Dissertation wurden mithilfe immunologischer und durchflusszytometrischer Methoden potentielle neue Virulenzfaktoren, Vakzinkandiaten sowie diagnostische Biomarker identifiziert. Neben der wissenschaftlichen Anwendung ist der Proteinarray Staph-Toxin-Ag durch seine Eigenschaften prĂ€destiniert fĂŒr einen Einsatz als Screening-Methode in der diagnostischen Medizin.
Bacterial infections represent an increasing threat in human health and hospital- acquired infections meanwhile account for 99,000 deaths every year in the United States (Ventola, 2015). Live-threating bacterial infections will certainly emerge to an even more serious concern in future, essentially by accelerated development of antibiotic resistance. Only recently, the discovery of plasmid-encoded mcr-1, that confers resistance against colistin, marks the point where this highly transmissible resistance mechanism is now reported for every so far developed antibiotic (Liu et al., 2016). Staphylococcus aureus is a Gram-positive bacterium and well-known for its ability to quickly acquire resistance toward antibiotics either by chromosomal mutations and/or horizontal gene transfer (Pantosti et al., 2007). Although approximately 30% of the population is colonized with S. aureus (Kluytmans et al., 1997), it can transform to an invasive pathogen that causes a wide range of severe infections including pneumonia. The success of S. aureus as opportunistic pathogen can be attributed to combinations of several beneficial properties and capabilities including the expression of an arsenal of virulence factors (Archer, 1998), intracellular persistence (Garzoni & Kelley, 2009) and subversion of host cell defense mechanisms (Schnaith et al., 2007). The airway epithelium is the first line of defense against bacterial pathogens by forming a relative impermeable physical barrier composed of epithelial cells that are linked by tight junctions, desmosomes and adherence junctions (Davies & Garrod, 1997). Additionally, the airway epithelium mediates the detection of bacterial pathogens via toll-like receptors (TLRs) that recognize a variety of bacterial molecular patterns such as lipopolysaccharide (LPS), peptidoglycan and flaggelin (Sha et al., 2012). This interaction is transduced via protein phosphorylations into the cell in order to promote adaptation to the infection by initiation of the adaptive and innate immune defense. Although few insights where obtained of the signaling host responses towards staphylococcal infections (Agerer et al., 2003; 2005; Ellington et al., 2001), a comprehensive description of the host signaling network is largely missing. Thus, this dissertation thesis focuses on the decipherment of phosphorylation-mediated signaling responses towards S. aureus infections in non- professional and professional phagocytes by mass spectrometry-based phosphoproteomic techniques. The results of this thesis are summarized in the four chapters. Chapter I introduces to recent advances in the development of methodologies applied in the field of phosphoproteomics, including quantification strategies, peptide fractionation techniques and phosphopeptide enrichment methods applied for the system-wide characterization of protein phosphorylations by mass spectrometry. Additionally, publications reporting phosphorylation-based host signaling responses towards bacterial pathogens or their molecular patterns that applied mass spectrometry-based phosphoproteomics are discussed. In chapter II, the responses of the human bronchial epithelial cell lines 16HBE14o- and S9 following challenge with staphylococcal alpha- toxin at the level of proteome and phosphoproteome are summarized. General and cell type-specific signaling events are highlighted and evidences linking the activity of the epidermal growth factor receptor (EGFR) with differences in tolerance toward alpha-toxin are provided. Chapter III describes the modulation of the host signaling network of 16HBE14o- airway epithelial cells triggered by infection with S. aureus including temporal dissection of signaling events. Several protein kinases were identified as important signaling hubs mediating the host response. Targeted pharmaceutical inhibition of these kinases was probed and resulted in reduction of intracellular bacterial load. Chapter IV describes the rearrangement of the kinome by the differentiation of THP-1 monocytes to macrophage-like cells by application of quantitative kinomics. This approach identified the kinase MAP3K7 (TAK1) as key mediator of bacterial clearance, chemokine secretion and the differentiation process itself.
Trotz der VerfĂŒgbarkeit von verschiedenen Impfstoffen zĂ€hlen Influenza-A-Viren (IAV) nach wie vor zu den gefĂ€hrlichsten humanpathogenen Krankheitserregern weltweit. Ebenso verursachen einige animale IAV-StĂ€mme bei zahlreichen Wild- und Nutztierarten schwerwiegende und teilweise tödlich verlaufende Infektionen. Daher ist die Entwicklung moderner und effektiver Impfstoffe gegen IAV fĂŒr die Tier- und Humanmedizin von gröĂter Wichtigkeit. Im ersten Teil der Arbeit wurde auf Basis des IAV-Stamms A/Bayern/74/2009 (pH1N1) eine doppelt-attenuierte IAV-Mutante, genannt BY74-NS1-99-E, mit einem Elastase-sensitiven HA-Spaltmotiv und einer C-terminalen VerkĂŒrzung des Interferon-Antagonisten NS1 generiert und hinsichtlich ihrer Eignung als IAV-Lebendimpfstoff untersucht. In vitro zeigte sich BY74-NS1-99-E streng Elastase-abhĂ€ngig und replizierte ausschlieĂlich unter dessen Zugabe zu Ă€hnlich hohen Titern wie der Wildtyp unter Zugabe von Trypsin. Aufgrund der geringen Elastase-VerfĂŒgbarkeit in vivo war die Mutante in ihrer ReplikationsfĂ€higkeit stark eingeschrĂ€nkt und zeigte sich im Gegensatz zum Wildtyp sowohl im Mausmodell als auch im Schwein vollkommen apathogen. In der Maus fĂŒhrte die einmalige intranasale Applikation von BY74-NS1-99-E zu einer deutlichen Bildung von H1-spezifischen Serumantikörpern. Ihr Auftreten korrelierte mit dem Schutz der MĂ€use gegen eine Belastungsinfektion mit dem homologen Wildtyp-Virus. WĂ€hrend eine singulĂ€re Immunisierung mit einer Dosis von 106 TCID50 BY74-NS1-99-E komplett vor einer Replikation des homologen Belastungsvirus schĂŒtzte, verhinderten Dosen ab 104 TCID50 die Ausbildung klinischer Symptome, einen Gewichtverlust und reduzierten die pulmonale Viruslast. Im Schwein erwies sich die Mutante als wenig immuogen. So lieĂ sich selbst nach zweifacher intranasaler Applikation mit der Mutante keine H1- oder NP- spezifische Antikörper-Antwort nachweisen. Um kĂŒnftig leichter Fragen zum Zelltropismus und zur Virusausbreitung auch in Echtzeit sowohl in vitro als auch in vivo untersuchen zu können, wurde im Rahmen des zweiten Teils der Arbeit ein replikationsfĂ€higes IAV mit einem membranstĂ€ndigen eGFP generiert. Die Strategie zur Herstellung des rekombinanten, Fremdgen exprimierenden Virus, basierte auf einer Veröffentlichung von Gao et al. (2010), in welcher ein IAV mit einem zusĂ€tzlichen neunten Gen-Segment beschrieben wird. Bei den in vitro Untersuchungen zum Wachstumsverhalten der mittels reverser Genetik hergestellten Mutante BY74-eGFP, wurde eine im Vergleich zum parentalen Wildtyp verminderte Replikationseffizienz festgestellt. Genetisch zeigte sich BY74-eGFP weitgehend stabil. Die Ergebnisse der Western-Blots sowie die ImmunfĂ€rbungen zur konfokalmikroskopischen Auswertung deuteten stark auf eine Inkorporation des NA-eGFP-Fusionsproteins in die virale Membran der Mutante hin. Ein solches Reportergen-exprimierendes Virus könnte zukĂŒnftig als molekulares Werkzeug bei der Untersuchung und AufklĂ€rung der genauen VerlĂ€ufe einer IAV-Infektion in vitro und in vivo dienen. Ziel des dritten Teils dieser Arbeit war es, auf Grundlage der Arbeiten von Gao et al. (2010) und Stech et al. (2005), ein Elastase-abhĂ€ngiges IAV, welches zwei verschiedene HĂ€magglutinine (H1 und H3) exprimiert, zu generieren und auf seine Eignung als LAIV im Mausmodell zu untersuchen. Als Basis fĂŒr das generierte Neunsegmentvirus BY74-H1H3-E diente der Stamm A/Bayern/74/09 (pH1N1). Das zusĂ€tzlich bereitgestellte neunte Gensegment codierte fĂŒr das H3-HA des Stammes A/Swine/Bissendorf/IDT1864/2003 (H3N2) (SB03). Bei den In-Vitro-Untersuchungen zur Expressions-StabilitĂ€t konnte zwar zunĂ€chst eine schwache H3-HA-Expression in den infizierten Zellen beobachtet werden, jedoch reduzierte sich diese von Passage zu Passage und verschwand letztendlich. Die Genomanalyse zeigte, dass das H3-tragende Gensegment letztlich verloren ging. Im Vergleich zum Wildtyp wies das potentielle Impfvirus in vitro eine stark verringerte ReplikationsfĂ€higkeit auf. Im Mausmodell erwies sich die BY74-H1H3-E-Mutante im Gegensatz zu A/Bayern/74/09 (pH1N1) und A/Swine/Bissendorf/IDT1864/2003 (H3N2) als vollkommen apathogen. Eine zweifache intranasale Immunisierung mit 103 TCID50 der dualen Virusmutante induzierte eine deutliche H1-spezifische und zum Teil eine moderate H3-spezifische Antikörper-Antwort. Sie schĂŒtzte die Tiere bei einer homologen Belastungsinfektion BY74-Wildtyp (H1N1) komplett vor einem Gewichtsverlust und der Ausbildung klinischer Symptome. Bei einer heterosubtypischen Belastungsinfektion mit SB03-Wildtyp (H3N2) reduzierte sie den Gewichtsverlust und die klinischen Symptome. Die Doppelimmunisierung fĂŒhrte sowohl bei den Tieren, die einer homologen als auch bei den Tieren die einer heterologen Belastungsinfektion unterzogen worden waren zu einer Reduktion der pulmonalen Viruslast. Insgesamt erfĂŒllte BY74-H1H3-E die Anforderungen eines potentiellen dualen LAIV-Kandidaten nur bedingt.
Clostridium (C.) difficile ist beim Menschen ein bedeutender Erreger von Krankenhaus-assoziierten Durchfallerkrankungen. Die vorliegende Dissertation umfasst die Erhebung und Analyse der ersten epidemiologischen Daten zu C. difficile in deutschen Heim- und NutztierbestĂ€nden und die Entwicklung eines neuartigen DNA-Microarrays, der eine einfache Ribotypisierung von C. difficile ermöglicht. In drei Studien wurden Kotproben von Hunden, Katzen, Ferkeln und KĂ€lbern kulturell auf C. difficile untersucht. Das Bakterium wurde aus 5 von 135 Katzenkot- (3,7%), 9 von 165 Hundekot- (5,4%), 176 von 999 KĂ€lberkot- (17,6%) und 147 von 201 Schweinekotproben (73,1%) isoliert. Neugeborene Ferkel und KĂ€lber waren in den ersten 2 bzw. 3 Lebenswochen signifikant hĂ€ufiger kulturpositiv fĂŒr C. difficile als Ă€ltere Tiere. Die in den Studien isolierten StĂ€mme wurden 25 Ribotypen zugeordnet; darunter befanden sich 6 bisher nicht beschriebene Varianten. Bei den Ferkelproben dominierten die einander sehr Ă€hnlichen Ribotypen 078 (55% der Isolate) und 126 (20%). Die Ribotypen 033 (57% der Isolate) und 078 (17%) wurden bei KĂ€lbern am hĂ€ufigsten vorgefunden. Basierend auf ihren Typisierungsprofilen wurden die Ribotypen in einer UPGMA-Analyse (Unweighted Pair Group Method with Arithmetic mean) untereinander verglichen. Von den 25 bei den untersuchten Tieren gefundenen Ribotypen formten 11 einen Cluster, zu dem auch die Ribotypen 033, 078 und 126 gehörten und in dem sich 90% aller in den beiden Nutztierstudien isolierten StĂ€mme wiederfanden. Alle Isolate dieses Clusters waren zudem PCR-positiv fĂŒr ein binĂ€res Toxin und, im Gegensatz zu allen nicht zu dem Cluster gehörenden Ribotypen, PCR-negativ fĂŒr den MLVA-Lokus A6Cd. Hierdurch, aber auch durch frĂŒhere Studien, in denen gezeigt werden konnte, dass die dem Cluster zugeordneten Ribotypen 033, 045, 078 und 126 den gleichen MLST-Typ (ST-11, Multilocus Sequence Typing) und eine charakteristische Deletion (delta 39 bp) im Toxinregulatorgen tcdC aufweisen, wird die These einer genetische Verwandtschaft unterstĂŒtzt. In allen untersuchten Tierpopulationen wurden Ribotypen gefunden, die mit C.-difficile-Infektionen des Menschen assoziiert werden. Da StĂ€mme des Ribotyps 078 in deutschen und europĂ€ischen KrankenhĂ€usern zunehmend hĂ€ufiger als Ursache von Durchfallerkrankungen auftreten, wurden alle ermittelten MLVA-Daten von Ribotyp-078-StĂ€mmen humanen und tierischen Ursprungs mit entsprechenden Daten anderer Studien aus 5 europĂ€ischen LĂ€ndern verglichen. In einer hierbei durchgefĂŒhrten Minimum-Spanning-Tree-Analyse mit 294 DatensĂ€tzen wurde die genetische Abgrenzung von MLVA-Typen unterschiedlicher geographischer Herkunft verdeutlicht und belegt, dass einige aus Tieren und Menschen isolierte C.-difficile-StĂ€mme sehr Ă€hnlichen oder sogar identischen MLVA-Typen entsprechen. Die in den Haus- und Nutztierstudien isolierten C. difficile wurden anschlieĂend mit dem neu entwickelten DNA-Microarray ribotypisiert. Das Sondendesign des Microarrays basiert auf der bei C. difficile modular aufgebauten Intergenic Spacer Region (ISR), welche auch Zielstruktur der herkömmlichen Ribotypisierungsmethoden ist. Die Sonden wurden von in der GenBank-Datenbank publizierten ISR-Modulsequenzen und theoretisch möglichen Modulsequenzkombinationen abgeleitet. Nachdem die Eignung des Arrays in theoretisch und praktisch durchgefĂŒhrten Experimenten belegt werden konnte, wurde mit 142 reprĂ€sentativ ausgewĂ€hlten C.-difficile-StĂ€mmen eine 48 Ribotypen umfassende Datenbank aus Referenzhybridisierungsmustern erstellt. Diese Referenzmuster wurden anschlieĂend in einer Ăhnlichkeitsmatrix-Analyse untereinander verglichen, wobei 27 Referenzmuster eindeutig differenziert werden konnten. Zu den gut unterscheidbaren Ribotypen gehörten u.a. die hĂ€ufig mit humanen C.-difficile-Infektionen assoziierten Ribotypen 001, 014/020, 027 und 078/126. Nicht unterscheidbar hingegen waren die 11 Ribotypen des oben beschriebenen Clusters, wodurch sich die These ihrer molekularen Verwandtschaft weiter erhĂ€rtet. Die Praxistauglichkeit des DNA-Microarrays wurde abschlieĂend in einer Anwendungsstudie ĂŒberprĂŒft. Hierbei wurden 50 C.-difficile-StĂ€mme, die im Rahmen eines anderen Projektes aus Kotproben von Haustieren und deren Besitzern isoliert wurden, mit herkömmlicher und DNA-Microarray-basierter Ribotypisierung vergleichend untersucht. BerĂŒcksichtig man, dass durch den Microarray einige sehr Ă€hnliche Ribotypen derzeit noch nicht unterschieden werden können, wurden alle Isolate dem richtigen Ribotypen bzw. der richtigen Ribotypengruppe zugeordnet. DarĂŒber hinaus wurden 6 fĂŒr das Microarray unbekannte Ribotypen korrekt als âneuâ und klar voneinander unterscheidbar erkannt. Zusammenfassend trĂ€gt das Dissertationsprojekt zum VerstĂ€ndnis ĂŒber das Vorkommen von C.-difficile-Genotypen in Heim- und NutztierbestĂ€nden bei und prĂ€sentiert einen neuartigen DNA-Microarray zur einfachen Ribotypisierung von C. difficile.
Die Glykoproteine gB und gH-gL sind bei allen Herpesviren konserviert und wichtig fĂŒr den Viruseintritt und die direkte Zell-Zell-Ausbreitung. Allerdings kann sich PrV in Abwesenheit von gL noch in einem sehr geringen AusmaĂ von Zelle zu Zelle ausbreiten, was Reversionsanalysen durch serielle Zellkultur-Passagen einer gL-negativen PrV-Mutante erlaubt. So konnte in einem Passageexperiment die Revertante PrV-ÎgLPassB4.1 isoliert werden. In der vorliegenden Arbeit wurden die molekularen Grundlagen der gL-unabhĂ€ngigen InfektiositĂ€t von PrV-ÎgLPassB4.1 untersucht. Dabei wurden Mutationen in den Glykoproteinen gB, gH und gD nachgewiesen und deren Auswirkung auf die Proteinfunktion mit Hilfe von transienten Transfektions-Fusionsassays untersucht. Die AufklĂ€rung der Kristallstrukturen eröffnete die Möglichkeit, ĂŒber zielgerichtete Mutagenese die Funktion von gH-gL besser zu analysieren. Erstaunlich war, dass im gH des Impfstammes PrV-Bartha ein ansonsten hochkonserviertes Prolin durch Serin ersetzt ist. FĂŒr dieses Prolin wurde postuliert, dass es fĂŒr die Ausbildung einer ebenfalls bei allen Herpesviren konservierten DisulfidbrĂŒcke notwendig ist. Um den Effekt der Substitution und die Funktion der DisulfidbrĂŒcke zu testen, wurden gH Mutanten hergestellt, die entweder Prolin oder Serin an Position 438 oder Serin statt Cystein an Position 404 exprimierten. Diese wurden in transienten Transfektions-Fusionsassays sowie wĂ€hrend einer Virusinfektion getestet. Obwohl die AminosĂ€uresequenzen der gH-Proteine der Herpesviren nur eine geringe Homologie aufweisen, sind die Kristallstrukturen erstaunlich Ă€hnlich. Daher sind konservierte Strukturmotive wie die DisulfidbrĂŒcke in der DomĂ€ne III, fĂŒr die eine Bedeutung fĂŒr die Faltung und StabilitĂ€t der DomĂ€ne III postuliert wurde, von besonderem Interesse. Um weitere funktionsrelevante konservierte Regionen in DomĂ€ne III aufzudecken, welche fĂŒr die Lokalisierung und Funktion des gH wichtig sein könnten, wurden zunĂ€chst Sequenzvergleiche zwischen EBV und PrV gH unter BerĂŒcksichtigung der vorhandenen gH-Kristallstrukturen durchgefĂŒhrt. Hierbei wurden komplexe Interaktionsnetzwerke ĂŒber WasserstoffbrĂŒckenbindungen zwischen konservierten und benachbarten nicht-konservierten AminosĂ€uren vorhergesagt. Diese wurden im EBV und PrV gH mutiert und die gH-Proteine anschlieĂend auf ihre OberflĂ€chenexpression und Fusionsfunktion untersucht. ZusĂ€tzlich wurden PrV Rekombinanten mit entsprechenden gH-Mutationen hergestellt und charakterisiert.