TY  - THES
A1  - Barcena Uribarri, Ivan
T1  - Porins in the genus Borrelia : Characterization of P66 and P13
T1  - Porins in der Gattung Borrelia : Charakterizierung von P13 und P66
N2  - Die Gattung Borrelia gehört zur Familie der Spirochaetes, welche sich den Gram-negativen Bakterien zuordnen lassen. Für diese Familie charakteristisch ist eine längliche, helikale Form, die Längen von 5 – 250 µm erreichen kann. Den Spirochaeten gehören 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 Rückfallfieber (RF). Als Pathogen besitzen Borrelien einen Lebenszyclus, in dem sie zwischen Gliederfüßern als Vektoren und Säugetieren (oft kleinen Nagetieren) als Wirt wechseln. Um das Überleben in derart unterschiedlichen Organismen zu sichern und die Immunantwort des Wirtes zu unterdrücken, benötigt ein Organismus mit einem solch komplexen Lebenszyklus eine außergewöhnliche Regulierung der Proteinexpression. Die Lyme-Borelliose stellt eine multisystemische Krankheit dar, die verschiedene Organe, wie Haut, Gelenke und das Nervensystem betreffen kann. Häufig kommt es zu einer sich kreisförmig ausbreitenden Rötung, 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. Rückfallfieber erkennt man an plötzlich auftretenden Fieberschüben, die von weiteren Symptomen wie Schüttelfrost, Kopfschmerzen, Muskel und Gelenkschmerzen oder Übelkeit begleitet werden. Beide Krankheiten können in frühen 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 für Virulenzfaktoren und wirtsspezifische Anpassungen codieren, fehlen den Borrelien wichtige Genen für die Biosynthese von Aminosäuren, Fettsäuren oder Nukleotiden. Diese metabolischen Defizite werden durch die Aufnahme von durch den Wirt produzierten Nährstoffen ausgeglichen. Den ersten Schritt der Nährstoffaufnahme übernehmen Porine. Dies sind wassergefüllte Kanäle, die die Aufnahme und den Transport von essentiellen Molekülen über die äußere Membran ermöglichen. P66, P13 und Oms28 wurden bei Borrelia burgdorferi, Oms38 bei Rückfallfieber verursachenden Spirochaeten gefunden. P66 ist ein einzelnes Porin mit einer extrem hohen Leitfähigkeit von 11 nS. P13 ist ein kleines Protein (13kDa) mit einer α helikalen Sekundärstruktur, die keinerlei Ähnlichkeit zu den bisherigen Modellen von bekannten Porinen aufweist. Aufgrund seiner Assoziation mit der periplasmatischen Seite der Membran wurde die Funktion als Porin für 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 über 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 Größe von bekannten Porinen Gram-negativer Bakterien unterscheiden und somit in spezifische Prozesse bei der Gattung Borrelia involviert sein könnten, ist die Forschung auf diesem Gebiet auch weiterhin von höchstem Interesse. Im ersten Projekt dieser Arbeit wurden das Vorkommen und die porenformende Aktivität von P66 in verschiedenen Borrelia-Arten (Lyme-Borreliose und Rückfallfieber) 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 über homologe Proteine in anderen Borrelien-Arten bekannt. Deswegen wurden jeweils drei Arten, die Lyme-Borreliose und Rückfallfieber verursachen, ausgewählt und an deren P66-Homologe die porenformende Aktivität überprüft. Fünf von sechs zeigten dabei eine ähnliche Einzelkanalleitfähigkeit wie P66, die im Bereich von 9 – 11 nS lagen, bei gleichzeitig kaum vorhandener Selektivität für eine bestimmte Ionensorte. Auch eine Spannungsabhängigkeit, die bei 30 – 70 mV begann, war messbar. Nur im Fall von B. hermsii konnten keine Poren gefunden werden. Dabei ist noch nicht geklärt, ob das Fehlen der porenbildenden Aktivität einem evolutionären Verlust der Funktion als Pore oder einer höheren Anfälligkeit gegenüber den verwendeten Detergenzien geschuldet ist. In einem weiteren Projekt wurde der kontrovers diskutierte Porendurchmesser von P66 aus B.burgdorferi mit empirischen Mitteln analysiert. In früheren theoretischen Studien wurde der Kanaldurchmesser auf 2,6 nm geschätzt. Dieser sehr große Durchmesser würde 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. Zusätzlich führte 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 könnte von daher ein einzigartiges Merkmal von Borrelien oder Spirochaeten sein. Das dritte Projekt beschäftigte sich mit der rekombinanten Produktion eines Proteins von B. burgdorferi mit immunogenen Eigenschaften. Dieses könnte 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 Klärung der Rolle des periplasmatisch verdauten C-Terminus dienen sollten. Zum anderen in Tabakpflanzen über Agrobacterium tumefaciens, mittels eines Virus. Dabei vermehrt sich der Vektor in den Zellen der Pflanze, breitet sich aus und produziert gleichzeitig das gewünschte Protein. Mit Hilfe dieser zweiten Expressionsmethode sollte es möglich sein, große Mengen des rekombinanten Proteins zu erzeugen und gleichzeitig die Kosten und den Zeitbedarf zu senken. Das letzte Projekt beschäftigte 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 ausgewählt. Es konnte gezeigt werden, dass P66 das einzige Protein ist, das am vermutlich oktameren Aufbau der 11 nS Pore beteiligt ist. Zusätzlich gelang es, den Komplex in zwei Hälften zu spalten, die ungefähr das halbe Molekulargewicht bei einer Leifähigkeit von 5,5 nS zeigten. Im Fall des P13-Komplexes konnte eine mögliche Verknüpfung mit OspC entdeckt werden. Die Gelelution des Komplexes und anschließende Tests mit Hilfe der Black-Lipid-Bilayer-Methode ergaben eine Aktivität von 0,6 nS. Dies steht im starken Gegensatz zu der vorher für P13beschriebenen Größe von 3,5 nS. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass P66 ein in vielen Borrelienarten vorkommendes und damit weit verbreitetes Porin mit Homologen in LB- und RF-Spezies ist, die ähnliche Charakteristika besitzen. Der Durchmesser dieser Pore konnte unter Berücksichtigung der Eigenschaften eines molekularen Siebes genauer bestimmt werden. Im Fall von P13 könnte dessen rekombinante Produktion es erlauben, dieses Protein als Hilfsmittel zur Diagnose und zur medizinischen Therapie einzusetzen. Zusätzlich könnte der gefundene Bezug zu OspC dazu beitragen, in Zukunft mehr über die Funktion dieses interessanten Proteins herauszufinden.
N2  - The genus Borrelia belongs to the Spirochaetes phylum which is far related to Gram negative bacteria. This phylum possesses a characteristic long helically coiled shape with lengths that vary from 5 to 250 μm. Other pathogens as Treponema and Leptospira which cause syphilis and leptospirosis, also belong to the Spirochaetes. Borrelia itself is the causative agent of two human diseases, the Lyme disease and relapsing fever. Borreliae are pathogenic bacteria which cycle between their arthropod vector, in most cases a tick, and a mammal host, very often small rodents. This complex life cycle requires an extraordinary protein up- and down-regulation in order to survive in such different organisms and avoid their immunologic systems. Lyme disease is a multisystemic disease that can affect different organs like skin, joints and nervous system. A red rash with concentric rings, called erythema migrans is a distinctive manifestation that allows clinical diagnosis. It appears after the bite of an infected tick and spreads out to diameters that can reach 15 cm. Relapsing fever is characterized by sudden recurrent fever peaks accompanied with chills, headache, muscle and joint pain and nausea. Both diseases are easily treated with antibiotics in early infection stages. Borrelia species possess a small genome. Many of their genes are related with virulence and the adaptation to the different hosts. The absence of genes in Borrelia involved in the biosynthesis of amino acids, fatty acids or nucleotide is very remarkable. This metabolic deficiency makes Borrelia species dependent on substances produced by the host. The first step in nutrient uptake is accomplished by porins. Bacterial porins are water-filled channels that facilitate the transport of essential molecules through the outer membrane. Four porins have been described in Borrelia up to this point. P66, P13 and Oms28 have been found in Borrelia burgdorferi while Oms38 was discovered in relapsing fever spirochetes. P66 is a singular porin with an extremely high single channel conductance of 11 nS. P13 is a small protein with an α-helical secondary structure which does not fit into the general porin model. The function of Oms28 as a porin has been questioned recently due to its periplasmic membrane-associated location. Finally, Oms38 is a specific porin for dicarboxilates with homologues in Lyme disease species. The aim of this thesis was to broaden the knowledge of the P66 and P13 porins described in the genus Borrelia. Both differ in structure and size from the general Gram negative porin model and could be highly involved in specific tasks in the genus Borrelia. In the first project of this thesis, the presence and pore forming capacity of P66 was studied in several Borrelia species including members of the relapsing fever group. P66 is the best studied porin in Borrelia with a dual function as porin and adhesin. This knowledge is restricted to B. burgdorferi and little or nothing is known about homologues in other Borrelia species. Therefore, three Lyme disease and three relapsing fever species were chosen as representative agents of the genus and the pore forming activity of their P66 homologues was studied. Five out of the six homologues exhibited a similar single channel conductance in a range from 9 to 11 nS. All of them showed no selectivity for cations or anions, and they were voltage dependent starting at different voltages from 30 to 70 mV. Only in the case of the B. hermsii homologue no pore forming activity could be established. It remains unclear if the lack of activity was due to an evolutionary loss of its porin function or to a higher sensibility to the detergents used for purification. In another project, the controversial P66 pore diameter of B. burgdorferi was analyzed with an empirical method. In a former study, the diameter of the P66 channel was estimated to be 2.6 nm based on theoretical considerations. This diameter is rather large and could impair the outer membrane protective function. Different non-electrolytes were used to study the P66 pore diameter indicating a 1.8 nm entrance diameter and a 0.8 nm inner constriction. In addition, the blockage of the channel with some of those non-electrolytes disclosed an oligomeric organization formed by approximately eight independent channels. Such a structure has not been observed so far in any other living organism and could be exclusive of Borrelia or spirochetes. The third project of this thesis deal with the recombinant production of a B. burgdorferi protein with immunogenic potential. This protein might be used to develop new diagnosis tests and therapeutic treatments. P13 is an outer membrane protein present in LD and RF species and it does not have any other known bacterial homologue. These facts make of P13 a good candidate to be used as a therapeutic target. For such purpose, P13 was cloned in two organisms. First, in Escherichia coli were two different constructs were designed to establish the role of a periplasmic cleaved C-terminus. Second, in a virus based vector delivered by Agrobacterium tumefaciens into tobacco plant cells. The vector replicates inside the plant cells spreading the infection to adjacent cells and at the same time producing the recombinant protein. This second expression method should enable the production of large amounts of the recombinant protein reducing time and costs. The last project of this thesis looked into the outer membrane complexome of B. burgdorferi focusing on the P13 and P66 porin complexes. Blue Native Page and second dimension SDS Page were the technique chosen for this purpose. P66 could be shown to be the only protein involved in the formation of the 11 nS pore which complex is probably formed by eight monomers. It was also possible to divide this complex in two halves with approximately half the molecular weight and a conductance of 5.5 nS. In the case of the P13 complex, a possible association with the lipoprotein OspC was revealed. The gel extraction of the P13 complex and its test with the Back Lipid Bilayer assay exhibited a 0.6 nS activity. This is in high contrast with the 3.5 nS activity previously described for this protein. To sum up, P66 is a porin present in many Borrelia species including not only LD but also RF species and which homologues show similar biophysical properties. The diameter of this pore is smaller than previously thought and it has molecular weight sieving properties. In the case of P13, its recombinant procurement will allow the use of P13 as a diagnostic and therapeutic target. The possible association with OspC could facilitate to unravel in future experiments the function of this intriguing protein.
KW  - Porins
KW  - Borrelia
KW  - Porins
KW  - Borrelia
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-55339
ER  - 
TY  - THES
A1  - Thein, Marcus
T1  - Porins of Lyme Disease and Relapsing Fever Spirochetes
T1  - Porine aus Lyme-Borreliose- und Rückfallfieber- Spirochäten
N2  - Die Gattung Borrelia gehört zur Abteilung der Spirochäten, einem alten Zweig der Bakteriendomäne, der nur entfernt mit Gram-negativen Bakterien verwandt ist. Sämtliche Arten dieser Gattung sind obligate Parasiten. Borrelien können in die Erreger zweier humaner Krankheiten eingeteilt werden: die Lyme-Borreliose und das Rückfallfieber. Borrelien besitzen mit 0.91 Mb ein sehr kleines Chromosom und sind daher in ihren metabolischen Fähigkeiten eingeschränkt. Folglich ist das Überleben sämtlicher Borrelienarten absolut abhängig von Nährstoffen, die von ihren Wirten bereitgestellt werden. Der Transport dieser Nährstoffe und anderer Moleküle über die äußere Membran wird durch porenformende Proteine, so genannte Porine ermöglicht. Porine sind wassergefüllte Kanäle, die in zwei Klassen unterteilt werden können: allgemeine Diffusionsporen und substratspezifische Porine. Aus dem Lyme-Borreliose Erreger Borrelia burgdorferi wurden bisher drei mutmaßliche Porine charakterisiert und beschrieben: P13, Oms28 und P66. Demgegenüber sind die Kenntnisse über Porine in Rückfallfieberarten rudimentär und es wurde bisher noch kein einziges Porin für Vertreter dieser Krankheit identifiziert. Unter Berücksichtigung dieses Hintergrunds war die allgemeine Zielsetzung dieser Arbeit, einen Einblick in die Porinzusammensetzung von sowohl Lyme Borreliose- als auch Rückfallfieber-Spirochäten zu erlangen. Dieses Ziel konnte erreicht werden, indem Porine aus den Außenmembranen von Borrelien isoliert und identifiziert wurden und anschließend biophysikalisch in künstlichen Lipidmembranen charakterisiert wurden. Ein Kapitel dieser Arbeit beschreibt die Identifizierung und Charakterisierung des ersten Porins aus Rückfallfiebererregern. Das porenformende Protein wurde aus den Außenmembranen von Borrelia duttonii, Borrelia hermsii und Borrelia recurrentis isoliert und Oms38 genannt, für „outer membrane-spanning protein of 38 kDa“. Die biophysikalische Charakterisierung mit der „black lipid bilayer“ Methode zeigte, dass Oms38 kleine, wassergefüllte Kanäle mit einer Einzelkanalleitfähigkeit von 80 pS in 1 M KCl bildet. Diese Kanäle sind nicht spannungsabhängig und leicht selektiv für Anionen mit einem Permeabilitätsverhältnis von Kationen zu Anionen von 0,41 in KCl. Ein homologes Protein zu Oms38 wurde in den Lyme Borreliose Erregern Borrelia burgdorferi, Borrelia garinii und Borrelia afzelii identifiziert. Das porenformende Protein dieser Arten weist eine hohe Sequenzhomologie zu Oms38 auf und zeigt ähnliche biophysikalische Eigenschaften, das heißt es formt Poren von 50 pS in 1 M KCl. Durch Titrationsexperimente konnte gezeigt werden, dass die Pore teilweise durch Dicarboxylate blockiert werden kann. Eine Auswertung dieser Versuche legte nahe, dass dieses Protein keine allgemeine Diffusionspore darstellt, sondern einen Kanal mit einer spezifischen Bindestelle für diese Komponenten. Daher wurde dieses Porin DipA genannt, was für „dicarboxylate-specific porin A“ steht. In einer anderen Versuchsreihe wurde gezeigt, dass das Porin P66 sowohl in Lyme Borreliose Erregern als auch in Rückfallfieberarten vorhanden ist. Hierfür wurden die Außenmembranen der Lyme Borreliose Erreger Borrelia burgdorferi, Borrelia afzelii und Borrelia garinii und der Rückfallfieberarten Borrelia duttonii, Borrelia recurrentis und Borrelia hermsii genauer untersucht. Mit Ausnahme des P66 Homologs von Borrelia hermsii rekonstituierten P66 Proteine aus allen Arten sehr aktiv in künstliche Membranen und formten Poren zwischen 9 und 11 nS in 1 M KCl. Die biophysikalischen Eigenschaften der Homologe wurden in Experimenten mit „black lipid bilayer“ Membranen ausführlich verglichen. Des Weiteren wurden Porendurchmesser und Konstitution des Borrelia burgdorferi Porins P66 genau untersucht. Hierfür wurde die P66 Einzelkanalleitfähigkeit in Anwesenheit von verschiedenen Nichtelektrolyten in künstlichen Lipidmembranen analysiert. Der effektive Durchmesser des P66 Wasserlumens wurde auf ~1.9 nm bestimmt. Darüber hinaus konnte P66 mit bestimmten Nichtelektrolyten wie PEG 400, PEG 600 und Maltohexaose blockiert werden. Weitere Blockierungsexperimente auf Einzelkanalebene deckten sieben Unterzustände von P66 auf, die auf ein P66 Heptamer schließen ließen. Dieser heptamere Charakter konnte durch Blue native PAGE Analysen bestätigt werden. Zusammenfassend beschreibt diese Dissertation detaillierte biochemische und biophysikalische Untersuchungen von Porinen aus sowohl Lyme Borreliose- als auch Rückfallfieber-Borrelien. Erkenntnisse aus dieser Arbeit bringen das Verstehen der Nährstoffaufnahme über Außenmembranen dieser streng wirtsabhängigen, pathogenen Spirochäten einen großen Schritt vorwärts. Ein fundiertes Wissen über oberflächenexponierte Proteine wie Porine ist Vorraussetzung für die Herstellung erfolgreicher Impfstoffe und Therapeutika gegen die von Borrelien verursachten Krankheiten.
N2  - The genus Borrelia belongs to the spirochete phylum, an ancient evolutionary branch of the domain bacteria that is only afar related to Gram-negative bacteria. Borreliae can be subdivided into the agents of the two borrelian-caused human diseases, Lyme disease and relapsing fever. Both disease patterns are closely related to the peculiar biology of Borrelia species and exhibit a wide spectrum of diverse clinical manifestations. Due to the small 0.91 Mb chromosome, borreliae have a lack of biosynthetic capacity. Thus, all Borrelia species are highly dependent on nutrients provided by their hosts. The transport of nutrients and other molecules across the outer membrane is enabled by pore-forming proteins, so-called porins. Porins are water-filled channels and can be subdivided into two different classes, general diffusion pores and substrate-specific porins. In terms of the Lyme disease agent Borrelia burgdorferi, three putative porins were characterized in previous studies: P13, Oms28 and P66. In contrast to Lyme disease species, the porin knowledge of relapsing fever Borrelia is low, which means that not any porin has actually been described for representatives of these agents. Thus, the general aim of this thesis was to provide insight into the porin content of both, Lyme disease and relapsing fever spirochetes. This aim could be achieved by isolating and identifying porins from Borrelia outer membranes and by biophysically characterizing them in artificial lipid membranes. In one chapter of this study, the first identification and characterization of a relapsing fever porin is presented. The pore-forming protein was isolated from outer membranes of Borrelia duttonii, Borrelia hermsii and Borrelia recurrentis and designated Oms38, for “outer membrane-spanning protein of 38 kDa”. Biophysical characterization of Oms38 was achieved by using the black lipid bilayer method and demonstrated that Oms38 forms small, water-filled channels with a single-channel conductance of 80 pS in 1 M KCl. The Oms38 channel did not exhibit voltage-dependent closure and is slightly selective for anions with a permeability ratio of cations over anions of 0.41 in KCl. Subsequently, a protein homologous to Oms38 was identified in the Lyme disease agents Borrelia burgdorferi, Borrelia garinii and Borrelia afzelii. The pore-forming protein of these species exhibits high sequence homology to Oms38 and similar biophysical properties, i.e. it forms pores of 50 pS in 1 M KCl. Interestingly, titration experiments revealed that this pore could be partly blocked by dicarboxylic anions, which means that this protein does not form a general diffusion pore but a channel with a binding-site specific for those compounds. Consequently, this porin was termed DipA, for “dicarboxylate-specific porin A”. In another set of experiments, it was shown that the porin P66 is present in both Lyme disease and relapsing fever species. Therefor, the outer membranes of the Lyme disease species Borrelia burgdorferi, Borrelia afzelii, Borrelia garinii and the relapsing fever species Borrelia duttonii, Borrelia recurrentis and Borrelia hermsii were closer investigated. Except of the P66 homologue of Borrelia hermsii P66 of all species was highly active in artificial lipid membranes, forming pores with huge single-channel conductances between 9 and 11 nS in 1 M KCl. Moreover, the channel diameter and the constitution of Borrelia burgdorferi P66 were investigated in detail. Therefor, the P66 single-channel conductance in the presence of different nonelectrolytes with known hydrodynamic radii was analyzed in black lipid bilayers. The effective diameter of the P66 channel lumen was determined to be ~1.9 nm. Furthermore, as derived from multi-channel experiments the P66-induced membrane conductance could be blocked by certain nonelectrolytes, such as PEG 400, PEG 600 and maltohexaose. Additional blocking experiments on the single-channel level revealed seven subconducting states and indicated a heptameric constitution of the P66 channel. This indication could be confirmed by Blue native PAGE analysis which demonstrated that P66 units form a complex with a corresponding mass of approximately 440 kDa. Taking together, this thesis describes detailed biochemical and biophysical investigations of both Lyme disease and relapsing fever Borrelia porins and represents an important step forward in understanding the outer membrane pathways for nutrient uptake of these strictly host-dependent, pathogenic spirochetes. Furthermore, it provides some knowledge of the outer-membrane protein composition of Borrelia spirochetes. A profound knowledge of surface-exposed proteins, such as porins, is one precondition for the production of a successful vaccine and the drug design against the two borrelian-caused diseases.
KW  - Porin
KW  - Membranproteine
KW  - Borrelia
KW  - Lyme-Borreliose
KW  - Rückfallfieber
KW  - Spirochäten
KW  - porin
KW  - membrane protein
KW  - Borrelia
KW  - Lyme disease
KW  - relapsing fever
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-35158
ER  - 
TY  - THES
A1  - Baar, Verena
T1  - Expression von Adhäsionsmolekülen in/auf humanen Synovialzellen in vitro nach Exposition mit Borrelia burgdorferi sensu stricto B31 und Geho
T1  - Expression of adhesion molecules in human synovial cells in vitro after exposition to Borrelia burgdorferi sensu stricto B31 and Geho
N2  - .
N2  - .
KW  - Adhäsionsmoleküle
KW  - Synovialzellen
KW  - Borrelien
KW  - adhesion molecules
KW  - synovial cells
KW  - Borrelia
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-20857
ER  - 
TY  - THES
A1  - Denker, Katrin
T1  - Isolation and characterization of channel-forming proteins in the outer membrane of E. coli and Borrelia species
T1  - Isolierung und Charakterisierung porenformender Proteine in der Aussenmembran von E. coli und Borrelien
N2  - In this study pore forming proteins of the gram-negative bacteria B. burgdorferi, B. duttonii and E.coli were investigated. Therefore the study is subdivided into three parts. In the first part outer membrane preparation of three relapsing fever Borrelia were investigated. In the second part the putative TolC homologue BB0124 of B. burgdorferi, the Lyme borreliosis agent, was studied. In the last part the influence of point mutants within the greasy slide of the maltose specific porin (LamB) of E. coli were shown. In the first part of this study outer membrane preparations of three Borrelia relapsing fever strains have been studied for pore-forming activity in the black lipid bilayer assay. Histograms of conductance fluctuations were obtained from single-channel experiments with outer membrane preparations of B. hermsii, B. recurentis and B. duttonii. All strains had a different conductance fluctuation pattern with a broad range of single-channel conductance values varying from 0.5 nS – 11 nS. Common for all three strains was a high pore-forming activity at around 0.5 nS. Furthermore the proteins of the outer membrane of B. duttonii were separated by chromatographic methods. Some eluate fractions contained a channel-forming protein, which was forming stable channels with a single-channel conductance of 80 pS in 1 M KCl. Characterization of this channel showed that it is slightly anionic selective and voltage independent. The small single-channel conductance suggests that it is a specific pore. However, a substrate specificity could not be determined. In the second part, for the B. burgdorferi HB19 and p66 knock out strain HB19/K02, their outer membrane preparations were characterized in the black lipid bilayer assay. Comparing the histograms of single-channel conductions fluctuations of both strains showed no single-channel activity at 11.5 nS for the p66 knock out strain. This verifies earlier studies that P66 is a pore-forming protein in B. burgdorferi. Furthermore, one fraction obtained by anion exchange chromatography of the p66 knock out outer membrane protein preparation showed a uniform channel-forming activity with a single channel conductance of 300 pS. The electrophysically characterization of the 300 pS channel showed that it is not ionselective or voltage dependent. By mass spectrometry using peptide mass finger prints, BB0142 could be identified as the sole channel forming candidate in the active fraction. A BLAST search and a conserved domain search showed that BB0142 is a putative TolC homologue in B. burgdorferi. Furthermore the location of the bb0142 gene within the chromosome is in an operon encoding a multidrug efflux pump. In this study the expression of an outer membrane component of a putative drug efflux system of B. burgdorferi was shown for the first time. In the third part functional studies of the maltooligosaccharide-specific LamB channel were performed. The 3D-structure of LamB suggests that a number of aromatic residues (Y6, Y41, W74, F229, W358 and W420) within the channel lumen is involved in carbohydrate and ion transport. All aromatic residues were replaced by alanine (A) scanning mutagenesis. Furthermore, LamB mutants were created in which one, two, three, four and five aromatic residues were replaced to study their effects on ion and maltopentaose transport through LamB. The purified mutant proteins were reconstituted into lipid bilayer membranes and the single-channel conductance was studied. The results suggest that all aromatic residues provide some steric hindrance for ion transport through LamB. Highest impact is provided by Y6 and Y41, which are localized opposite to Y118, which forms the central constriction of the LamB channel. Stability constants for binding of maltopentaose to the mutant channels were measured using titration experiments with the carbohydrate. The mutation of one or several aromatic amino acids led to a substantial decrease of the stability constant of binding. The highest effect was observed when all aromatic amino acids were replaced by alanine because no binding of maltopentaose could be detected in this case. However, binding was again possible when Y118 was replaced by tryptophane (W). The carbohydrate-induced block of the channel function could also be used for the study of current noise through the different mutant LamB-channels. The analysis of the power density spectra of some of the mutants allowed the evaluation of the on- and off-rate constants (k1 and k-1) of carbohydrate binding to the binding-site inside the channels. The results suggest that both on- and off-rate constants were affected by the mutations. For most mutants k1 decreased and k-1 increased.
N2  - In dieser Studie wurden porenformende Proteine der gram-negativen Bakterien B. burgdorferi, B. duttonii und E. coli untersucht. Daher wurde die Arbeit in drei Teile untergliedert. Im ersten Teil wurden zuerst die Außenmembranpräparationen von drei Rückfallfieber auslösenden Borrelien Stämmen untersucht. Der zweite Teil der Arbeit behandelt das TolC homologe Protein BB0142 des Erreger der Lyme Borreliose, B. burgdorferi. Im letzten Teil wurde der Einfluss von Punktmutationen innerhalb der „greasy slide“ auf die zuckerspezifische Pore (LamB) von E. coli untersucht. Die Außenmembranpräparationen der drei Rückfallfieber Borrelien wurden auf porenformende Aktivität im Black Lipid Bilayer untersucht. Leitfähigkeitshistograme wurden nach Einzelkanalmessungen der Außenmembranepräparation von B. hermsii, B. recurrentis und B. duttonii erstellt. Alle Stämme zeigten ein anderes Leitfähigkeitsfluktuationsmuster, wobei die Werte der Einzelleitfähigkeit von 0,5 nS bis 11 nS variierten. Auffällig war das alle drei Stämme eine hohe Aktivität um 0,5 nS gemeinsan hatten. Darauffolgend wurden die Proteine der Außenmembran von B. duttonii durch verschiedene chromatographische Methoden aufgetrennt. Einige Eluatfraktionen enthielten ein kanalformendes Protein, das stabile Kanäle mit einer Einzelleitfähigkeit von 80 pS in 1 M KCl formt. Die Bestimmung der Kanaleigenschaften zeigte, dass er leicht anionenselektive und spannungsunabhängig ist. Die geringe Einzelleitfähigkeit suggeriert, dass der Kanal zudem eine spezifische Pore sein könnte. Bisher konnte aber keine Substratespezifität festgestellt werden. Im zweiten Abschnitt erfolgte die Untersuchung von Außenmembranpräparationen von B. burgdorferi HB19 und dem p66 knock-out Stamm HB19/K02 mit Hilfe des Black Lipid Bilayers. Im Vergleich der beiden erhalten Einzelleitfähigkeitshistogramme konnte gezeigt werden, dass die Einzelleitfähigkeit von 11,5 nS nicht mehr im p66 knock out Stamm vorkam. Dies belegt frühere Studien, dass P66 ein poreformendes Protein von B. burgdorferi ist. Durch Anionenaustauscher-Chromatographie der Außenmembranpräparation des p66 knock out Stammes wurde zudem eine Proteinfraktion mit einer einheitlichen porenformenden Aktivität von 300 pS in 1 M KCl erhalten. Die elektrophysikalische Charakterisierung der 300 pS Pore zeigte, dass der Kanal nicht ionenselektiv oder spannungsabhängig ist. Mit Hilfe von Massenspektrometrie und Peptidemassenbestimmung, konnte BB0142 als einziger möglicher kanalformender Kandidat identifiziert werde. Eine BLAST Suche sowie eine „conserved domain“ Suche zeigten, dass BB0142 ein putatives TolC homologes Protein von B. burgdorferi ist. Darüber hinaus ist das bb0142 Gen in einem Operon lokalisiert, das eine putative Efflux Pumpe codiert. In der vorliegenden Arbeit konnte das erste Mal gezeigt weden, dass in B. burgdorferi die Außenmembrankomponente einer Efflux Pumpe expremiert wird. Im dritten Teil wurden Funktionsstudien an dem zuckerspezifischen Kanal LamB durchgeführt. Die 3D Struktur zeigte, dass einige aromatische Aminosäuren (Y6, Y41, W74, F229, W358 und W420) innerhalb des Kanallumen in den Kohlenhydrat- und Ionentransport involviert sind. Alle aromatischen Reste wurden bei Punktmutation durch Alanin ersetzt. Zudem wurden LamB Mutanten erzeugt in denen ein, zwei, drei, vier oder fünf aromatische Reste durch Alanin ersetzt. Die aufgereinigten LamB Mutanten wurden im Black Lipid Bilayer untersucht und ihre Einzelleitfähigkeit bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass alle aromatischen Reste eine gewisse sterische Hinderung beim Ionentransport durch LamB bewirken. Den größten Einfluss haben die Reste Y6 und Y41, die gegenüber dem Rest Y188 liegen, der die zentrale Verengung des LamB Kanal darstellt. Stabilitätskonstanten der Zuckerbindung in den Mutanten wurde durch Titrationsexperimente mit Maltopentaose und -heptaose bestimmt. Mutation an einem oder mehreren aromatischen Resten führt zu einer deutlichen Abnahme der Bindungsstabilitätskonstanten. Den stärksten Effekt zeigte die Mutante, in der alle aromatischen Reste durch Alanin ersetzt wurden. Es konnte dort keine Zuckerbindung mehr festgestellt werden. Die Bindung wurde wieder hergestellt nachdem Y118 durch ein Tryptophan ersetzt wurde. Durch das zuckerinduzierte Öffnen und Schließen des Kanals ergiebt sich ein Stromrauschen. Die Analyse des Rausch Spektrum von einigen Mutanten erlaubte die Bestimmung der Dissoziations- (k-1) und der Assoziationskonstaten (k1) der Zuckerbindung an der Bindestelle innerhalb des Kanals. Die Ergebnisse zeigten, dass die Geschwindigkeitskonstanten durch die Mutationen beeinflusst wurden. Für die meisten Mutanten sank der k1 Wert während der k-1 Wert anstieg.
KW  - Escherichia coli
KW  - Kanalbildner
KW  - Zellwand
KW  - Borrelia
KW  - Borrelia burgdorferi
KW  - BB0142
KW  - porenformende Proteine
KW  - Maltoporin
KW  - black lipid bilayer
KW  - Borrelia burgdorferi
KW  - BB0142
KW  - channel forming proteins
KW  - Maltoporin
KW  - black lipid bilayer
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-16955
ER  -