@phdthesis{Schaefer2014,
  author    = {Sch{\"a}fer, Christin Marliese},
  title     = {Approaching antimicrobial resistance - Structural and functional characterization of the fungal transcription factor Mrr1 from Candida albicans and the bacterial ß-ketoacyl-CoA thiolase FadA5 from Mycobacterium tuberculosis},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-108400},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2014},
  abstract  = {The number of fungal infections is rising in Germany and worldwide. These infections are mainly caused by the opportunistic fungal pathogen C. albicans, which especially harms immunocompromised people. With increasing numbers of fungal infections, more frequent and longer lasting treatments are necessary and lead to an increase of drug resistances, for example against the clinically applied therapeutic fluconazole. Drug resistance in C. albicans can be mediated by the Multidrug resistance pump 1 (Mdr1), a membrane transporter belonging to the major facilitator family. However, Mdr1-mediated fluconazole drug resistance is caused by the pump's regulator, the transcription factor Mrr1 (Multidrug resistance regulator 1). It was shown that Mrr1 is hyperactive without stimulation or further activation in resistant strains which is due to so called gain of function mutations in the MRR1 gene. To understand the mechanism that lays behind this constitutive activity of Mrr1, the transcription factor should be structurally and functionally (in vitro) characterized which could provide a basis for successful drug development to target Mdr1-mediated drug resistance caused by Mrr1. Therefore, the entire 1108 amino acid protein was successfully expressed in Escherichia coli. However, further purification was compromised as the protein tended to form aggregates, unsuitable for crystallization trials or further characterization experiments. Expression trials in the eukaryote Pichia pastoris neither yielded full length nor truncated Mrr1 protein. In order to overcome the aggregation problem, a shortened variant, missing the N-terminal 249 amino acids named Mrr1 '250', was successfully expressed in E. coli and could be purified without aggregation. Similar to the wild type Mrr1 '250', selected gain of function variants were successfully cloned, expressed and purified with varying yields and with varying purity. The Mrr1 `250' construct contains most of the described regulatory domains of Mrr1. It was used for crystallization and an initial comparative analysis between the wild type protein and the variants. The proposed dimeric form of the transcription factor, necessary for DNA binding, could be verified for both, the wild type and the mutant proteins. Secondary structure analysis by circular dichroism measurements revealed no significant differences in the overall fold of the wild type and variant proteins. In vitro, the gain of function variants seem to be less stable compared to the wild type protein, as they were more prone to degradation. Whether this observation holds true for the full length protein's stability in vitro and in vivo remains to be determined. The crystallization experiments, performed with the Mrr1 '250' constructs, led to few small needle shaped or cubic crystals, which did not diffract very well and were hardly reproducible. Therefore no structural information of the transcription factor could be gained so far. Infections with M. tuberculosis, the causative agent of tuberculosis, are the leading cause of mortality among bacterial diseases. Especially long treatment times, an increasing number of resistant strains and the prevalence of for decades persisting bacteria create the necessity for new drugs against this disease. The cholesterol import and metabolism pathways were discovered as promising new targets and interestingly they seem to play an important role for the chronic stage of the tuberculosis infection and for persisting bacteria. In this thesis, the 3-ketoacyl-CoA thiolase FadA5 from M. tuberculosis was characterized and the potential for specifically targeting this enzyme was investigated. FadA5 catalyzes the last step of the β-oxidation reaction in the side-chain degradation pathway of cholesterol. We solved the three dimensional structure of this enzyme by X-ray crystallography and obtained two different apo structures and three structures in complex with acetyl-CoA, CoA and a hydrolyzed steroid-CoA, which is the natural product of FadA5. Analysis of the FadA5 apo structures revealed a typical thiolase fold as it is common for biosynthetic and degradative enzymes of this class for one of the structures. The second apo structure showed deviations from the typical thiolase fold. All obtained structures show the enzyme as a dimer, which is consistent with the observed dimer formation in solution. Thus the dimer is likely to be the catalytically active form of the enzyme. Besides the characteristic structural fold, the catalytic triad, comprising two cysteines and one histidine, as well as the typical coenzyme A binding site of enzymes belonging to the thiolase class could be identified. The two obtained apo structures differed significantly from each other. One apo structure is in agreement with the characteristic thiolase fold and the well-known dimer interface could be identified in our structure. The same characteristics were observed in all complex structures. In contrast, the second apo structure followed the thiolase fold only partially. One subdomain, spanning 30 amino acids, was in a different orientation. This reorientation was caused by the formation of two disulfide bonds, including the active site cysteines, which rendered the enzyme inactive. The disulfide bonds together with the resulting domain swap still permitted dimer formation, yet with a significantly shifted dimer interface. The comparison of the apo structures together with the preliminary activity analysis performed by our collaborator suggest, that FadA5 can be inactivated by oxidation and reactivated by reduction. If this redox switch is of biological importance requires further evaluation, however, this would be the first reported example of a bacterial thiolase employing redox regulation. Our obtained complex structures represent different stages of the thiolase reaction cycle. In some complex structures, FadA5 was found to be acetylated at the catalytic cysteine and it was in complex with acetyl-CoA or CoA. These structures, together with the FadA5 structure in complex with a hydrolyzed steroid-CoA, revealed important insights into enzyme dynamics upon ligand binding and release. The steroid-bound structure is as yet a unique example of a thiolase enzyme interacting with a complex ligand. The characterized enzyme was used as platform for modeling studies and for comparison with human thiolases. These studies permitted initial conclusions regarding the specific targetability of FadA5 as a drug target against M. tuberculosis infection, taking the closely related human enzymes into account. Additional analyses led to the proposal of a specific lead compound based on the steroid and ligand interactions within the active site of FadA5.},
  subject      = {Multidrug-Resistenz},
  language  = {en}
}
@phdthesis{GotthardtgebSchubert2023,
  author    = {Gotthardt [geb. Schubert], Sonja},
  title     = {Einfluss von Oncostatin M auf die Pathogenese der Nicht-alkoholischen Fettlebererkrankung},
  doi       = {10.25972/OPUS-28131},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-281312},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2023},
  abstract  = {Die Nicht-alkoholische Fettlebererkrankung (NAFLD) ist eine der h{\"a}ufigsten chronischen Lebererkrankungen der westlichen Welt. Die Pathogenese der Erkrankung ist noch nicht vollst{\"a}ndig erforscht und wirksame medikament{\"o}se Therapien sind bisher nicht zugelassen. Wachsende Evidenz zeigt, dass das Interleukin-6-Typ-Zytokin Oncostatin M (OSM) eine wichtige Rolle in der Pathogenese der NAFLD spielt. Die japanische Arbeitsgruppe um Komori et al. zeigte an OSM-Rezeptor-β-defizienten (Osmr-KO-) M{\"a}usen sowie durch OSM-Behandlung von genetisch und ern{\"a}hrungsbedingt adip{\"o}sen M{\"a}usen, dass OSM vor einer hepatischen Steatose und metabolischer Komorbidit{\"a}t sch{\"u}tzen kann. Andere Publikationen suggerieren, dass OSM an NAFLD-Entwicklung und -Progression beteiligt ist, indem es die Expression von Genen der β-Oxidation und Very-Low-Density-Lipoprotein (VLDL-) Sekretion reprimiert und die Expression profibrogenetischer Gene f{\"o}rdert. Low-Density-Lipoprotein-Rezeptor-defiziente- (Ldlr-KO-) M{\"a}use sind seit Langem als Atherosklerose-Modell etabliert und wurden zuletzt auch als physiologisches Modell f{\"u}r NAFLD identifiziert. Um die Rolle von OSM in der NAFLD-Pathogenese zu beleuchten, wurden Osmr-KO-M{\"a}use auf Wildtyp- (WT-) und Ldlr-KO-Hintergrund untersucht, die {\"u}ber 12 Wochen eine fett- und cholesterinreiche Western Diet erhielten und anschließend f{\"u}r die Organentnahme geopfert wurden. Im Vorfeld dieser Arbeit wurden K{\"o}rpergewicht, Blutglukose, Serum-Cholesterin und Lebergewicht der Tiere gemessen. Hierbei zeigte sich ein erh{\"o}htes K{\"o}rpergewicht, unver{\"a}nderte Blutglukose, erh{\"o}htes Serum-Cholesterin sowie ein erh{\"o}htes Lebergewicht in Osmr-KO- gegen{\"u}ber WT-M{\"a}usen. Andersherum waren K{\"o}rpergewicht, Blutglukose, Serum-Cholesterin und Lebergewicht in Ldlr-Osmr-KO- gegen{\"u}ber Ldlr-KO-M{\"a}usen vermindert. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit erfolgte die histologische Untersuchung des Lebergewebes, die Messung von Serum-Triglyzeriden und Fetts{\"a}uren sowie die Untersuchung der hepatischen Genexpression. An kultivierten Zellen der humanen Hepatom-Zelllinie HepG2 wurde eine m{\"o}gliche Regulation der CYP7A1-Genexpression durch OSM untersucht. CYP7A1 ist als Schrittmacherenzym der Gallens{\"a}uresynthese an der hepatischen Cholesterin-Clearance beteiligt. Osmr-KO-M{\"a}use zeigten gegen{\"u}ber WT-M{\"a}usen histologisch eine verst{\"a}rkte hepatische Steatose. Bei der Untersuchung der mRNA-Expression von Genen mit Beteiligung an der hepatischen Lipidhom{\"o}ostase zeigte sich eine Minderexpression von Ldlr in Osmr-KO-M{\"a}usen. Weiterhin zeigte sich eine etwas geringere Expression von Cyp7a1 in Osmr-KO-M{\"a}usen. Die Expression aller anderen untersuchten Gene, die an Fetts{\"a}uresynthese, Cholesterintransport und -metabolismus beteiligt sind, lieferten keine Erkl{\"a}rung f{\"u}r eine erh{\"o}hte hepatische Lipidakkumulation in Osmr-KO-M{\"a}usen. Ldlr-Osmr-KO-M{\"a}use hatten gegen{\"u}ber Ldlr-KO-M{\"a}usen eine geringer ausgepr{\"a}gte hepatische Steatose. Die mRNA-Expression von Genen der Fetts{\"a}uresynthese, der Cholesterinbiosynthese und des Cholesterintransports waren in Ldlr-Osmr-KO- gegen{\"u}ber Ldlr-KO-M{\"a}usen nicht wesentlich ver{\"a}ndert. Allerdings fiel eine deutliche Hochregulation von Cyp7a1 in Ldlr-Osmr-KO-M{\"a}usen auf. Dar{\"u}ber hinaus war Osm in Ldlr-KO-M{\"a}usen gegen{\"u}ber WT-M{\"a}usen st{\"a}rker exprimiert. Um eine Regulation von CYP7A1 durch OSM nachzuweisen, wurde die Genexpression in HepG2-Zellen nach Stimulation mit OSM untersucht. Hierbei zeigte sich, dass OSM die mRNA-Expression von CYP7A1 supprimierte. Dieser Effekt war durch die Zugabe von Inhibitoren der Januskinasen (JAK), Mitogen Activated Protein Kinase/ERK-Kinase (MEK) und Extracellular-signal Regulated Kinase ½ (ERK1/2) reversibel. Die CYP7A1-Suppression durch OSM ging mit einer verminderten Expression des Transkriptionsfaktor-Gens HNF4A einher. Osmr-KO-M{\"a}use zeigten gegen{\"u}ber WT-M{\"a}usen nach 12 Wochen Western Diet verst{\"a}rkte Adipositas, Dyslipid{\"a}mie sowie eine hepatische Steatose. Die Analyse der hepatischen mRNA-Expression legt nahe, dass die Minderexpression von Ldlr in Osmr-KO-M{\"a}usen im Vergleich zu WT-M{\"a}usen zur Verst{\"a}rkung der Dyslipid{\"a}mie und hepatischen Steatose beigetragen hat. Weiterhin kann die geringere Expression von Cyp7a1 in Osmr-KO-M{\"a}usen durch daraus resultierende Akkumulation von Cholesterin zur erh{\"o}hten hepatischen Lipidakkumulation in diesen M{\"a}usen beigetragen haben. Ldlr-KO-M{\"a}use zeigten nach 12 Wochen Western Diet ebenfalls eine hepatische Steatose. Diese war in Ldlr-Osmr-KO-M{\"a}usen gegen{\"u}ber Ldlr-KO-M{\"a}usen geringer ausgepr{\"a}gt. Die erh{\"o}hte Expression von Cyp7a1 in Ldlr-Osmr-KO-M{\"a}usen kann die Verbesserung von hepatischer Lipidakkumulation und Dyslipid{\"a}mie durch erh{\"o}hte Cholesterinmetabolisierung zu Gallens{\"a}uren erkl{\"a}ren. {\"U}bereinstimmend mit der Cyp7a1-Regulation in LDLR-defizienten M{\"a}usen zeigte sich in vitro, dass OSM die Expression von CYP7A1 in HepG2-Zellen vermindert und sich so negativ auf die hepatische Lipidhom{\"o}ostase auswirken kann. Insgesamt implizieren diese Ergebnisse eine divergierende Rolle von OSM bei der Entwicklung einer hepatischen Steatose abh{\"a}ngig vom genetischen Hintergrund. OSM scheint bei WT-M{\"a}usen f{\"u}r die Erhaltung der metabolischen Gesundheit wichtig zu sein. Bei Ldlr-KO-M{\"a}usen hingegen scheint OSM die Entwicklung von Adipositas, Dyslipid{\"a}mie und hepatischer Steatose zu f{\"o}rdern. Die differenzielle Rolle in WT- und Ldlr-KO-M{\"a}usen k{\"o}nnte durch unterschiedliche Osm-Expressionsspiegel zustande kommen: W{\"a}hrend basale OSMRβ-Signaltransduktion durch geringe OSM-Spiegel in WT-M{\"a}usen f{\"u}r die Lipidhom{\"o}ostase essenziell zu sein scheint, k{\"o}nnte erh{\"o}hte oder prolongierte OSMRβ-Signaltransduktion durch h{\"o}here OSM-Spiegel in Ldlr-KO-M{\"a}usen das Fortschreiten der hepatischen Steatose f{\"o}rdern. Dies stellt OSM als m{\"o}gliches NAFLD-Therapeutikum in Frage. Um die Hypothese zu {\"u}berpr{\"u}fen, dass OSM abh{\"a}ngig von der H{\"o}he und Kinetik der Spiegel g{\"u}nstige oder ung{\"u}nstige Effekte auf die NAFLD-Entwicklung hat, sollte in zuk{\"u}nftigen Experimenten der Einfluss kurz- und langfristiger Behandlung von WT-M{\"a}usen mit OSM unterschiedlicher Konzentrationen auf die Entwicklung einer hepatischen Steatose untersucht werden.},
  subject      = {Fettleber},
  language  = {de}
}