@phdthesis{BarcenaUribarri2010,
  author    = {Barcena Uribarri, Ivan},
  title     = {Porins in the genus Borrelia : Characterization of P66 and P13},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-55339},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2010},
  abstract  = {Die Gattung Borrelia geh{\"o}rt zur Familie der Spirochaetes, welche sich den Gram-negativen Bakterien zuordnen lassen. F{\"u}r diese Familie charakteristisch ist eine l{\"a}ngliche, helikale Form, die L{\"a}ngen von 5 - 250 µm erreichen kann. Den Spirochaeten geh{\"o}ren diverse Pathogene an wie Treponema und Leptospira, die Erreger der Syphillis und der Leptospirose. Borrelien verursachen beim Menschen zwei schwere Krankheiten: Die Lyme-Borreliose (LB) und das R{\"u}ckfallfieber (RF). Als Pathogen besitzen Borrelien einen Lebenszyclus, in dem sie zwischen Gliederf{\"u}ßern als Vektoren und S{\"a}ugetieren (oft kleinen Nagetieren) als Wirt wechseln. Um das {\"U}berleben in derart unterschiedlichen Organismen zu sichern und die Immunantwort des Wirtes zu unterdr{\"u}cken, ben{\"o}tigt ein Organismus mit einem solch komplexen Lebenszyklus eine außergew{\"o}hnliche Regulierung der Proteinexpression. Die Lyme-Borelliose stellt eine multisystemische Krankheit dar, die verschiedene Organe, wie Haut, Gelenke und das Nervensystem betreffen kann. H{\"a}ufig kommt es zu einer sich kreisf{\"o}rmig ausbreitenden R{\"o}tung, die erythema migrans genannt wird, die zur klinischen Diagnose genutzt wird. Sie erscheint nach einem Zeckenbiss und kann einen Durchmesser von bis zu 15 cm weit erreichen. R{\"u}ckfallfieber erkennt man an pl{\"o}tzlich auftretenden Fiebersch{\"u}ben, die von weiteren Symptomen wie Sch{\"u}ttelfrost, Kopfschmerzen, Muskel und Gelenkschmerzen oder {\"U}belkeit begleitet werden. Beide Krankheiten k{\"o}nnen in fr{\"u}hen Stadien der Infektion leicht mit der Gabe von Antibiotika behandelt werden. Die verschiedenen Arten der Gattung Borrelia besitzen ein relativ kleines Genom. Da außerdem viele der vorhandenen Gene f{\"u}r Virulenzfaktoren und wirtsspezifische Anpassungen codieren, fehlen den Borrelien wichtige Genen f{\"u}r die Biosynthese von Aminos{\"a}uren, Fetts{\"a}uren oder Nukleotiden. Diese metabolischen Defizite werden durch die Aufnahme von durch den Wirt produzierten N{\"a}hrstoffen ausgeglichen. Den ersten Schritt der N{\"a}hrstoffaufnahme {\"u}bernehmen Porine. Dies sind wassergef{\"u}llte Kan{\"a}le, die die Aufnahme und den Transport von essentiellen Molek{\"u}len {\"u}ber die {\"a}ußere Membran erm{\"o}glichen. P66, P13 und Oms28 wurden bei Borrelia burgdorferi, Oms38 bei R{\"u}ckfallfieber verursachenden Spirochaeten gefunden. P66 ist ein einzelnes Porin mit einer extrem hohen Leitf{\"a}higkeit von 11 nS. P13 ist ein kleines Protein (13kDa) mit einer α helikalen Sekund{\"a}rstruktur, die keinerlei {\"A}hnlichkeit zu den bisherigen Modellen von bekannten Porinen aufweist. Aufgrund seiner Assoziation mit der periplasmatischen Seite der Membran wurde die Funktion als Porin f{\"u}r Oms28 in letzter Zeit stark angezweifelt. Oms38 ist ein Dicarboxylat-spezifisches Porin mit Homologen bei Lyme-Borreliose verursachenden Arten. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war das vorhandene Wissen {\"u}ber P66 und P13 als Porine der Gattung Borrelia zu erweitern. Die beiden Proteine unterscheiden sich strukturell stark von den bisher bekannten Porine Gram-negativer Bakterien und sind daher geeignete Forschungsobjekte, um die speziellen Anforderungen an Borrelienporinen zu erforschen. Das Ziel dieser Arbeit war die Erforschung der beiden in Borrelien beschriebenen Proteine P66 und P13. Gerade weil sich beide in Aufbau und Gr{\"o}ße von bekannten Porinen Gram-negativer Bakterien unterscheiden und somit in spezifische Prozesse bei der Gattung Borrelia involviert sein k{\"o}nnten, ist die Forschung auf diesem Gebiet auch weiterhin von h{\"o}chstem Interesse. Im ersten Projekt dieser Arbeit wurden das Vorkommen und die porenformende Aktivit{\"a}t von P66 in verschiedenen Borrelia-Arten (Lyme-Borreliose und R{\"u}ckfallfieber) untersucht. Bei P66 handelt es sich um das am besten untersuchte Porin der Borrelien, das eine Doppelfunktion als Porin und als Adhesin besitzt. Da sich alle bisherigen Ergebnisse auf B. burgdorferi beziehen, ist wenig bis gar nichts {\"u}ber homologe Proteine in anderen Borrelien-Arten bekannt. Deswegen wurden jeweils drei Arten, die Lyme-Borreliose und R{\"u}ckfallfieber verursachen, ausgew{\"a}hlt und an deren P66-Homologe die porenformende Aktivit{\"a}t {\"u}berpr{\"u}ft. F{\"u}nf von sechs zeigten dabei eine {\"a}hnliche Einzelkanalleitf{\"a}higkeit wie P66, die im Bereich von 9 - 11 nS lagen, bei gleichzeitig kaum vorhandener Selektivit{\"a}t f{\"u}r eine bestimmte Ionensorte. Auch eine Spannungsabh{\"a}ngigkeit, die bei 30 - 70 mV begann, war messbar. Nur im Fall von B. hermsii konnten keine Poren gefunden werden. Dabei ist noch nicht gekl{\"a}rt, ob das Fehlen der porenbildenden Aktivit{\"a}t einem evolution{\"a}ren Verlust der Funktion als Pore oder einer h{\"o}heren Anf{\"a}lligkeit gegen{\"u}ber den verwendeten Detergenzien geschuldet ist. In einem weiteren Projekt wurde der kontrovers diskutierte Porendurchmesser von P66 aus B.burgdorferi mit empirischen Mitteln analysiert. In fr{\"u}heren theoretischen Studien wurde der Kanaldurchmesser auf 2,6 nm gesch{\"a}tzt. Dieser sehr große Durchmesser w{\"u}rde allerdings die Schutzfunktion der Außenmembran verhindern. Mit Hilfe von ungeladenen Substanzen gelang eine Bestimmung des Innendurchmessers von P66 auf 1,8 nm am Eingang und 0,8 nm an der Engstelle der Pore. Zus{\"a}tzlich f{\"u}hrte eine unerwartete Blockierung der Pore durch einige dieser Substanzen zu der Erkenntnis, dass P66 einen oligomeren (wahrscheinlich oktameren) Aufbau besitzt. Ein solcher Aufbau konnte bisher noch nie nachgewiesen werden und k{\"o}nnte von daher ein einzigartiges Merkmal von Borrelien oder Spirochaeten sein. Das dritte Projekt besch{\"a}ftigte sich mit der rekombinanten Produktion eines Proteins von B. burgdorferi mit immunogenen Eigenschaften. Dieses k{\"o}nnte dazu verwendet werden, neue Diagnose Tests und Therapien zu entwickeln. P13 kommt in verschiedenen LB- und RF-Arten vor und besitzt kein bekanntes bakterielles Homolog. Diese Fakten machen aus P13 einen geeigneten Kandidaten als therapeutisches Ziel. Aus diesem Grund wurde das P13-Gen in zwei unterschiedliche Organismen kloniert. Zum einen in E. coli, wo zwei verschiedene Konstrukte zur Kl{\"a}rung der Rolle des periplasmatisch verdauten C-Terminus dienen sollten. Zum anderen in Tabakpflanzen {\"u}ber Agrobacterium tumefaciens, mittels eines Virus. Dabei vermehrt sich der Vektor in den Zellen der Pflanze, breitet sich aus und produziert gleichzeitig das gew{\"u}nschte Protein. Mit Hilfe dieser zweiten Expressionsmethode sollte es m{\"o}glich sein, große Mengen des rekombinanten Proteins zu erzeugen und gleichzeitig die Kosten und den Zeitbedarf zu senken. Das letzte Projekt besch{\"a}ftigte sich mit dem Außenmembran-Komplexom von B. burgdorferi und konzentrierte sich dabei auf die Komplexe von P13 und P66. Blue Native PAGE und 2D-SDS PAGE wurden als Techniken ausgew{\"a}hlt. Es konnte gezeigt werden, dass P66 das einzige Protein ist, das am vermutlich oktameren Aufbau der 11 nS Pore beteiligt ist. Zus{\"a}tzlich gelang es, den Komplex in zwei H{\"a}lften zu spalten, die ungef{\"a}hr das halbe Molekulargewicht bei einer Leif{\"a}higkeit von 5,5 nS zeigten. Im Fall des P13-Komplexes konnte eine m{\"o}gliche Verkn{\"u}pfung mit OspC entdeckt werden. Die Gelelution des Komplexes und anschließende Tests mit Hilfe der Black-Lipid-Bilayer-Methode ergaben eine Aktivit{\"a}t von 0,6 nS. Dies steht im starken Gegensatz zu der vorher f{\"u}r P13beschriebenen Gr{\"o}ße von 3,5 nS. Zusammenfassend l{\"a}sst sich sagen, dass P66 ein in vielen Borrelienarten vorkommendes und damit weit verbreitetes Porin mit Homologen in LB- und RF-Spezies ist, die {\"a}hnliche Charakteristika besitzen. Der Durchmesser dieser Pore konnte unter Ber{\"u}cksichtigung der Eigenschaften eines molekularen Siebes genauer bestimmt werden. Im Fall von P13 k{\"o}nnte dessen rekombinante Produktion es erlauben, dieses Protein als Hilfsmittel zur Diagnose und zur medizinischen Therapie einzusetzen. Zus{\"a}tzlich k{\"o}nnte der gefundene Bezug zu OspC dazu beitragen, in Zukunft mehr {\"u}ber die Funktion dieses interessanten Proteins herauszufinden.},
  subject      = {Porins},
  language  = {en}
}