TY  - THES
A1  - Dabas, Neelam
T1  - Control of Nitrogen Regulated Virulence Traits of the Human Fungal Pathogen Candida albicans
T1  - Steuerung von stickstoffregulierten Virulenzeigenschaften des human-pathogenen Pilzes Candida albicans
N2  - Der Hefepilz Candida albicans ist ein harmloser Kommensale auf den Schleimhäuten des Gastrointestinal- und Urogenitaltrakts der meisten gesunden Menschen. Bei einer Störung der natürlichen Mikroflora oder des Wirtsimmunsystems kann der Pilz jedoch auch oberflächliche und sogar systemische Infektionen verursachen. C. albicans weist eine Reihe von Eigenschaften auf, die zur Virulenz des Erregers beitragen. Dazu gehören die Adhärenz an unterschiedliche Wirtsoberflächen, die morphologische Variabilität des Pilzes und die Sekretion von Aspartatproteasen. Die Expression vieler dieser Virulenzfaktoren wird unter anderem durch die Verfügbarkeit von Stickstoff reguliert. Unter Stickstoffmangelbedingungen wechselt C. albicans vom Wachstum als sprossende Hefe zum filamentösen Wachstum, und dieser Wechsel wird durch die Ammoniumpermease Mep2p reguliert. Wie die Induktion des filamentösen Wachstums durch Mep2p kontrolliert wird, ist jedoch weitgehend unbekannt. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Mutationsanalyse von Mep2p durchgeführt, um Aminosäuren zu identifizieren, die an der Signalfunktion dieser Permease beteiligt sind. Die C-terminale cytoplasmatische Domäne von Mep2p wird für den Ammoniumtransport nicht benötigt, ist jedoch essentiell für die Signaltransduktion. Progressive C-terminale Verkürzungen von Mep2p zeigten, dass ein MEP2DC433-Allel immer noch in der Lage war, das filamentöse Wachstum zu induzieren, wohingegen die Deletion einer weiteren Aminosäure die Morphogenese blockierte. Das Tyrosin an Position 433 (Y433) ist deshalb die letzte Aminosäure, die für die Signalfunktion von Mep2p essentiell ist. Um besser zu verstehen, wie die Signalaktivität von Mep2p durch die Verfügbarkeit und den Transport von Ammonium reguliert wird, wurden verschiedene hochkonservierte Aminosäuren mutiert, die vermutlich an der Bindung oder dem Transport von Ammonium in die Zelle beteiligt sind. Die Mutation von D180, von dem postuliert wurde, dass es den initialen Kontakt mit extrazellulärem Ammonium ermöglicht, oder der im Transportkanal lokalisierten Histidine H188 und H342 hatte zur Folge, dass Mep2p nicht mehr exprimiert wurde, so dass diese Aminosäuren vermutlich für die Proteinstabilität wichtig sind. Die Mutation von F239, das zusammen mit F126 eine extracytosolische Pforte zur Transportpore bildet, verhinderte trotz korrekter Membranlokalisation sowohl den Ammoniumtransport als auch das filamentöse Wachstum. Allerdings führte auch die Mutation von W167, das vermutlich zusammen mit Y122, F126 und S243 an der Rekrutierung des Ammoniumions an der extrazellulären Seite der Membran beteiligt ist, zur Blockierung des filamentösen Wachstums, obwohl der Ammoniumtransport kaum beeinflusst war. Dies zeigte, dass die intrazelluäre Signaltransduktion durch extrazelluläre Veränderungen in Mep2p beeinflusst werden kann. Die Mutation von Y122 reduzierte die Ammoniumaufnahme weitaus starker als die Mutation von W167, erlaubte jedoch immer noch ein effizientes filamentöses Wachstum. Die Signalaktivität von Mep2p ist deshalb offensichtlich nicht direkt mit der Transportaktivität des Proteins korreliert. Ein wichtiger Aspekt in der Fähigkeit von Mep2p, die Morphogenese zu stimulieren, ist die vergleichsweise starke Expression des Proteins. Um die Regulation der MEP2-Expression aufzuklären, wurden die cis-regulatorischen Sequenzen und die trans-aktivierenden Faktoren, die die MEP2-Induktion unter Stickstoffmangel vermitteln, identifiziert. Eine Promotoranalyse zeigte, dass zwei mutmaßliche Bindungsstellen für GATA-Transkriptionsfaktoren eine zentrale Rolle in der MEP2-Expression haben, da die Deletion oder Mutation dieser GATAA-Sequenzen die Expression von MEP2 stark reduzierte. Um die Rolle der GATA-Transkriptionsfaktoren Gln3p und Gat1p bei der Regulation der MEP2-Expression zu untersuchen, wurden Mutanten hergestellt, in denen die entsprechenden Gene deletiert waren. Die Expression von Mep2p war in gln3D und gat1D Einzelmutanten stark verringert und in gln3D gat1D Doppelmutanten nicht mehr nachweisbar. Die Deletion von GLN3 hatte auch eine starke Reduktion des filamentösen Wachstums zur Folge, die durch die konstitutive Expression von MEP2 unter Kontrolle des ADH1-Promotors aufgehoben wurde. Dagegen hatte die Deletion von GAT1 keinen Einfluss auf das filamentöse Wachstum. Überraschenderweise war das filamentöse Wachstum in den gat1D Mutanten teilweise unabhängig von Mep2p, was darauf hinwies, dass in Abwesenheit von GAT1 andere Signalwege aktiviert werden, die die Morphogenese stimulieren. Diese Ergebnisse zeigten, dass die GATA-Transkriptionsfaktoren Gln3p und Gat1p die Expression der Ammoniumpermease MEP2 kontrollieren und dass Gln3p auch ein wichtiger Regulator des durch Stickstoffmangel induzierten filamentösen Wachstums von C. albicans ist. Mutanten, in denen die beiden GATA-Transkriptionsfaktoren Gln3p und Gat1p fehlten, waren nicht mehr in der Lage, in einem Medium zu wachsen, das bovines Serumalbumin (BSA) als einzige Stickstoffquelle enthält. Die Fähigkeit von C. albicans, Proteine als einzige Stickstoffquelle zum Wachstum zu verwenden, wird durch die sekretierte Aspartatprotease Sap2p, die die Proteine zu Peptiden abbaut, und durch Oligopeptidtransporter, die diese Peptide in die Zelle aufnehmen, vermittelt. Der Wachstumsdefekt der gln3D gat1D Doppelmutanten war hauptsächlich durch einen Defekt in der SAP2-Expression verursacht, da die Expression von SAP2 unter Kontrolle des konstitutiven ADH1-Promotors die Fähigkeit zum Wachstum auf BSA wieder herstellte. Es zeigte sich, dass Gln3p und Gat1p die Expression des Transkriptionsfaktors STP1, der für die Induktion von SAP2 in Gegenwart von Proteinen notwendig ist, regulieren. Bei einer Expression von STP1 unter Kontrolle des induzierbaren Tet-Promotors waren Gln3p und Gat1p nicht mehr notwendig für das Wachstum auf Proteinen. Wenn bevorzugte Stickstoffquellen verfügbar sind, wird SAP2 auch in Gegenwart von Proteinen reprimiert, und diese Stickstoff-Katabolitrepression korrelierte mit einer reduzierten STP1-Expression. Die Expression von STP1 unter Kontrolle des Tet-Promotors hob diese Repression auf, was zeigte, dass die Regulation der STP1-Expression durch die GATA-Transkriptionsfaktoren eine Schlüsselrolle sowohl bei der positiven als auch bei der negativen Kontrolle der SAP2-Expression spielt. Eine regulatorische Kaskade, in der die Expression des spezifischen Transkriptionsfaktors Stp1p durch die allgemeinen Regulatoren Gln3p und Gat1p kontrolliert wird, stellt die Expression von SAP2 in C. albicans deshalb unter Stickstoffkontrolle und gewährleistet eine angepasste Expression dieses Virulenzfaktors. Die Ergebnisse dieser Arbeit illustrieren, dass die GATA-Faktoren Gln3p und Gat1p zum Teil überlappende aber auch spezifische Funktionen in der Anpassung von C. albicans an die Verfügbarkeit verschiedener Stickstoffquellen haben. Diese Anpassungsmechanismen spielen auch eine Rolle in der Pathogenität des Pilzes, wobei die relative Bedeutung von Gln3p und Gat1p vom Zielgen und der Stickstoffquelle abhängt. Diese Erkenntnisse geben einen vertieften Eiblick in die molekularen Grundlagen der Anpassung von C. albicans an unterschiedliche Umweltbedingungen.
N2  - The yeast Candida albicans is a member of the normal microflora on the mucosal surfaces of the gastrointestinal and urogenital tract in healthy persons. However, it is an opportunistic pathogen that can cause a range of infections from superficial to disseminated, in response to perturbation of the normal microflora or alterations in the host immunity. C. albicans exhibits a variety of characteristics such as adhesion, morphogenetic switching and secreted aspartic protease production that contribute to its virulence. Expression of many of these virulence factors is controlled by the availability of essential element, nitrogen. C. albicans undergoes morphogenetic transition to form filaments under nitrogen starvation conditions and this switch is controlled by the ammonium permease Mep2p. However, little is known about how this signaling function of Mep2p is regulated. Mutational analysis of Mep2p was carried out to identify the residues that confer signaling activity to this permease. The C-terminal cytoplasmic tail of Mep2p contains a signaling domain that is dispensable for ammonium transport but essential for the signaling activity of Mep2p. In this work, progressive C-terminal truncations analysis demonstrated that a MEP2DC433 allele was still able to induce filamentation while nitrogen starvation-induced filamentous growth was abolished in cells expressing a MEP2DC432 allele. Therefore, tyrosine at position 433 (Y433) is the last amino acid in Mep2p that is essential for signaling. To gain insights into how the signaling activity of Mep2p is regulated by ammonium availability and transport, conserved residues that have been implicated in ammonium binding or uptake were mutated. Mutation of D180, which has been proposed to mediate initial contact with extracellular ammonium, or the pore-lining residues H188 and H342 abolished Mep2p expression, indicating that these residues are important for protein stability. Mutation of F239, which together with F126 is predicted to form an extracytosolic gate to the conductance channel, abolished both ammonium uptake and Mep2p-dependent filamentation, despite proper localization of the protein. On the other hand, mutation of W167, which is assumed to participate along with Y122, F126, and S243 in the recruitment and coordination of the ammonium ion at the extracytosolic side of the cell membrane, also abolished filamentation without having a strong impact on ammonium transport, demonstrating that extracellular alterations in Mep2p can affect intracellular signaling. Mutation of Y122 reduced ammonium uptake much more strongly than mutation of W167 but still allowed efficient filamentation, indicating that the signaling activity of Mep2p is not directly correlated with its transport activity. An important aspect in the ability of Mep2p to stimulate filamentation in response to nitrogen limitation is its high expression levels. The cis-acting sequences and trans-acting regulators that mediate MEP2 induction in response to nitrogen limitation were identified. Promoter analysis revealed that two putative binding sites for GATA transcription factors have a central role in MEP2 expression, as deletion of the region containing these sites or mutation of the GATAA sequences in the full-length MEP2 promoter strongly reduced MEP2 expression. To elucidate the roles of the GATA transcription factors GLN3 and GAT1 in regulating MEP2 expression, mutants lacking one or both of these transcription factors were constructed. Mep2p expression was strongly reduced in gln3D and gat1D single mutants and virtually abolished in gln3D gat1D double mutants. Deletion of GLN3 strongly inhibited filamentous growth under limiting nitrogen conditions, which could be rescued by constitutive expression of MEP2 from the ADH1 promoter. In contrast, inactivation of GAT1 had no effect on filamentation. Surprisingly, filamentation became partially independent of the presence of a functional MEP2 gene in the gat1D mutants, indicating that the loss of GAT1 function results in the activation of other pathways that induce filamentous growth. These findings demonstrated that the GATA transcription factors Gln3p and Gat1p control expression of the MEP2 ammonium permease and that GLN3 is also an important regulator of nitrogen starvation-induced filamentous growth in C. albicans. C. albicans mutants lacking both the GATA transcription factors Gln3p and Gat1p were unable to grow in a medium containing an alternative nitrogen source, bovine serum albumin (BSA) as the sole nitrogen source. The ability to utilize proteins as sole source of nitrogen for growth of C. albicans is conferred by the secreted aspartic protease Sap2p, which degrades the proteins, and oligopeptide transporters that mediate uptake of the proteolytic products into cell. The growth defect of gln3D gat1D mutants was mainly caused by their inability to express the SAP2 gene, as SAP2 expression from the constitutive ADH1 promoter restored the ability of the mutants to grow on BSA. Expression of STP1, which encodes a transcription factor that is required for SAP2 induction in the presence of proteins, was regulated by Gln3p and Gat1p. Forced expression of STP1 from a tetracycline-inducible promoter bypassed the requirement of the GATA transcription factors for growth of C. albicans on proteins. When preferred nitrogen sources are available, SAP2 is repressed and this nitrogen catabolite repression of SAP2 was correlated with downregulation of STP1 under these conditions. Tetracycline-induced STP1 expression abolished nitrogen catabolite repression of SAP2, demonstrating that regulation of STP1 expression levels by the GATA transcription factors is a key aspect of both positive and negative regulation of SAP2 expression. Therefore, by using a regulatory cascade in which expression of the specific transcription factor Stp1p is controlled by the general regulators Gln3p and Gat1p, C. albicans places SAP2 expression under nitrogen control and ensures proper expression of this virulence determinant. In summary, the present study illustrated how GATA factors, Gln3p and Gat1p, play partially overlapping, but distinct roles, in mediating the appropriate responses of C. albicans to the availability of different nitrogen sources. These responses are also determinants of pathogenicity of the fungus. The relative contributions of Gln3p and Gat1p vary with their target genes and the availability of nitrogen source. Overall, these findings provide us with a better understanding of the molecular basis of some of the important processes that help in adaptation of C. albicans to various environmental conditions. The yeast Candida albicans is a member of the normal microflora on the mucosal surfaces of the gastrointestinal and urogenital tract in healthy persons. However, it is an opportunistic pathogen that can cause a range of infections from superficial to disseminated, in response to perturbation of the normal microflora or alterations in the host immunity. C. albicans exhibits a variety of characteristics such as adhesion, morphogenetic switching and secreted aspartic protease production that contribute to its virulence. Expression of many of these virulence factors is controlled by the availability of essential element, nitrogen. C. albicans undergoes morphogenetic transition to form filaments under nitrogen starvation conditions and this switch is controlled by the ammonium permease Mep2p. However, little is known about how this signaling function of Mep2p is regulated. Mutational analysis of Mep2p was carried out to identify the residues that confer signaling activity to this permease. The C-terminal cytoplasmic tail of Mep2p contains a signaling domain that is dispensable for ammonium transport but essential for the signaling activity of Mep2p. In this work, progressive C-terminal truncations analysis demonstrated that a MEP2DC433 allele was still able to induce filamentation while nitrogen starvation-induced filamentous growth was abolished in cells expressing a MEP2DC432 allele. Therefore, tyrosine at position 433 (Y433) is the last amino acid in Mep2p that is essential for signaling. To gain insights into how the signaling activity of Mep2p is regulated by ammonium availability and transport, conserved residues that have been implicated in ammonium binding or uptake were mutated. Mutation of D180, which has been proposed to mediate initial contact with extracellular ammonium, or the pore-lining residues H188 and H342 abolished Mep2p expression, indicating that these residues are important for protein stability. Mutation of F239, which together with F126 is predicted to form an extracytosolic gate to the conductance channel, abolished both ammonium uptake and Mep2p-dependent filamentation, despite proper localization of the protein. On the other hand, mutation of W167, which is assumed to participate along with Y122, F126, and S243 in the recruitment and coordination of the ammonium ion at the extracytosolic side of the cell membrane, also abolished filamentation without having a strong impact on ammonium transport, demonstrating that extracellular alterations in Mep2p can affect intracellular signaling. Mutation of Y122 reduced ammonium uptake much more strongly than mutation of W167 but still allowed efficient filamentation, indicating that the signaling activity of Mep2p is not directly correlated with its transport activity. An important aspect in the ability of Mep2p to stimulate filamentation in response to nitrogen limitation is its high expression levels. The cis-acting sequences and trans-acting regulators that mediate MEP2 induction in response to nitrogen limitation were identified. Promoter analysis revealed that two putative binding sites for GATA transcription factors have a central role in MEP2 expression, as deletion of the region containing these sites or mutation of the GATAA sequences in the full-length MEP2 promoter strongly reduced MEP2 expression. To elucidate the roles of the GATA transcription factors GLN3 and GAT1 in regulating MEP2 expression, mutants lacking one or both of these transcription factors were constructed. Mep2p expression was strongly reduced in gln3D and gat1D single mutants and virtually abolished in gln3D gat1D double mutants. Deletion of GLN3 strongly inhibited filamentous growth under limiting nitrogen conditions, which could be rescued by constitutive expression of MEP2 from the ADH1 promoter. In contrast, inactivation of GAT1 had no effect on filamentation. Surprisingly, filamentation became partially independent of the presence of a functional MEP2 gene in the gat1D mutants, indicating that the loss of GAT1 function results in the activation of other pathways that induce filamentous growth. These findings demonstrated that the GATA transcription factors Gln3p and Gat1p control expression of the MEP2 ammonium permease and that GLN3 is also an important regulator of nitrogen starvation-induced filamentous growth in C. albicans. C. albicans mutants lacking both the GATA transcription factors Gln3p and Gat1p were unable to grow in a medium containing an alternative nitrogen source, bovine serum albumin (BSA) as the sole nitrogen source. The ability to utilize proteins as sole source of nitrogen for growth of C. albicans is conferred by the secreted aspartic protease Sap2p, which degrades the proteins, and oligopeptide transporters that mediate uptake of the proteolytic products into cell. The growth defect of gln3D gat1D mutants was mainly caused by their inability to express the SAP2 gene, as SAP2 expression from the constitutive ADH1 promoter restored the ability of the mutants to grow on BSA. Expression of STP1, which encodes a transcription factor that is required for SAP2 induction in the presence of proteins, was regulated by Gln3p and Gat1p. Forced expression of STP1 from a tetracycline-inducible promoter bypassed the requirement of the GATA transcription factors for growth of C. albicans on proteins. When preferred nitrogen sources are available, SAP2 is repressed and this nitrogen catabolite repression of SAP2 was correlated with downregulation of STP1 under these conditions. Tetracycline-induced STP1 expression abolished nitrogen catabolite repression of SAP2, demonstrating that regulation of STP1 expression levels by the GATA transcription factors is a key aspect of both positive and negative regulation of SAP2 expression. Therefore, by using a regulatory cascade in which expression of the specific transcription factor Stp1p is controlled by the general regulators Gln3p and Gat1p, C. albicans places SAP2 expression under nitrogen control and ensures proper expression of this virulence determinant. In summary, the present study illustrated how GATA factors, Gln3p and Gat1p, play partially overlapping, but distinct roles, in mediating the appropriate responses of C. albicans to the availability of different nitrogen sources. These responses are also determinants of pathogenicity of the fungus. The relative contributions of Gln3p and Gat1p vary with their target genes and the availability of nitrogen source. Overall, these findings provide us with a better understanding of the molecular basis of some of the important processes that help in adaptation of C. albicans to various environmental conditions.
KW  - Transkriptionsfaktor
KW  - Candida albicans
KW  - Stickstoff
KW  - Stickstoffkontrolle
KW  - Ammoniumpermease
KW  - Sekretion von Aspartatproteasen
KW  - Candida albicans
KW  - ammonium permease
KW  - secreted aspartic protease
KW  - nitrogen regulation
KW  - transcription factor
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-29769
ER  - 
TY  - THES
A1  - Klengel, Torsten
T1  - Molekulare Charakterisierung der Carboanhydrase Nce103 im Kontext des CO2 induzierten Polymorphismus in Candida albicans
T1  - Molecular characterisation of the carbonic anhydrase Nce103 in the context of carbon dioxide induced polymorphism in Candida albicans
N2  - Die Detektion von Umweltsignalen und die gezielte zelluläre Reaktion ist eine zentrale und für das Überleben aller Lebewesen essentielle Fähigkeit. Candida albicans, als dominierender humanpathogener Pilz, ist hochgradig verschiedenen biochemischen und physikalischen Umweltbedingungen ausgesetzt, welche sowohl die Zellmorphologie als auch die Virulenz dieses Erregers beeinflussen. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von Kohlendioxid, als ubiquitär vorkommendes Gasmolekül, auf die Zellmorphologie und Virulenz untersucht. Erhöhte Konzentrationen von Kohlendioxid stellen ein äußerst robustes Umweltsignal dar, welches die morphologische Transition vom Hefewachstum zum hyphalen Wachstum, einem Hauptvirulenzfaktor, in Candida albicans stimuliert. In diesem Zusammenhang wurde die Rolle der putativen Carboanhydrase Nce103 durch die Generation von knock – out Mutanten untersucht. Die Disruption von NCE103 in C. albicans führt zu einem Kohlendioxid – abhängigen Phänotyp, welcher Wachstum unter aeroben Bedingungen (ca. 0,033% CO2) nicht zulässt, jedoch unter Bedingungen mit einem erhöhten CO2 Gehalt von ca. 5% ermöglicht. NCE103 ist also für das Wachstum von C. albicans in Wirtsnischen mit aeroben Bedingungen essentiell. Durch Untersuchungen zur Enzymkinetik mittels Stopped – flow wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass Nce103 die Funktion einer Carboanhydrase erfüllt. Die biochemische Funktion dieser Carboanhydrase besteht in der Fixation von CO2 bzw. HCO3ˉ in der Zelle zur Unterhaltung der wesentlichen metabolischen Reaktionen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Induktion hyphalen Wachstums durch CO2 in C. albicans nicht durch den Transport von CO2 mittels des Aquaporins Aqy1 beeinflusst wird. CO2 bzw. HCO3ˉ aktiviert in der Zelle direkt eine Adenylylcyclase (Cdc35), welche sich grundlegend von den bisher gut charakterisierten G-Protein gekoppelten Adenylylcylasen unterscheidet. Die Generation von cAMP beeinflusst in der Folge direkt die Transkription hyphenspezifischer Gene und nachfolgend die morphologische Transition vom Hefewachstum zum elongierten, hyphalen Wachstum. Dieser Mechanismus konnte sowohl in Candida albicans als auch in Cryptococcus neoformans nachgewiesen werden, was auf einen panfungal konservierten Signaltransduktionsmechanismus schliessen lässt. Die Inhibition dieser spezifischen Kaskade eröffnet neue Ansätze zur Entwicklung spezifischer antimykotischer Wirkstoffe.
N2  - Detection of environmental signals and subsequently directed reaction is essential for the survival of all living organisms. Candida albicans, as the predominant human fungal pathogen is exposed to severely different physical and chemical conditions, which influence cell morphology as well as virulence in human. In the present work, the influence of carbon dioxide as ubiquitous gaseous molecule on virulence and cell morphology was analysed. Elevated concentrations of carbon dioxide are a robust signal to induce the morphological transition from yeast growth to an elongated hyphal growth form, which is believed to be one of the main virulence factors in Candida albicans. The role of the putative carbonic anhydrase Nce103p in carbon dioxide signalling is reviewed by generating knockout mutant strains, which exhibited a carbon dioxide dependent phenotype. Growth under aerobic conditions (0,033 % carbon dioxide) is inhibited but feasible in 5% carbon dioxide. Therefore, Nce103p is essential for growth in host niches with aerobic conditions. Analysis of the biochemical properties of Nce103p by stopped – flow kinetics revealed carbonic anhydrase activity. It is hypothesised, that Nce103p is essential for fixation of carbon dioxide and bicarbonate within the cell in order to sustain basic metabolic reactions. Furthermore, the induction of hyphal growth was independent of aquaporine-mediated transport of carbon dioxide. Bicarbonate rather carbon dioxide activates directly the adenylyl cyclase Cdc35p generating cyclic AMP as second messenger and influencing the transcription of hyphal specific genes in Candida albicans thus promoting the morphological transition from yeast growth to elongated hyphal growth. This signal transduction cascade is present in Candida albicans as well as Cryptococcus neoformans and it is believed to be a pan fungal signal transduction cascade. The specific inhibition of carbon dioxide mediated polymorphism may serve as a new target for antifungal therapeutic agents.
KW  - Candida
KW  - Candida albicans
KW  - Kohlendioxid
KW  - Kohlendioxidfixierung
KW  - Virulenz
KW  - Morphologie
KW  - Signaltransduktion
KW  - Cyclo-AMP
KW  - Soor
KW  - Carboanhydrase
KW  - Cryptococcus neoformans
KW  - Morphogenese
KW  - Hyphe
KW  - Hefeartige Pilze
KW  - Knockout <Molekulargenetik>
KW  - Aquaporin
KW  - Candida albicans
KW  - Morphology
KW  - carbon dioxide
KW  - carbonic anhydrase
KW  - aquaporine
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-34573
ER  - 
TY  - THES
A1  - Diwischek, Florian
T1  - Development of synthesis pathways and characterization of cerulenin analogues as inhibitors of the fatty acid biosynthesis of Mycobacterium tuberculosis and of efflux pump resistant Candida albicans
T1  - Entwicklung von Synthesewegen und Charakterisierung von Ceruleninanaloga als Inhibitoren der Fettsäuresynthese von Mycobacterium tuberculosis und Effluxpumpen-resistentem Candida albicans
N2  - The work deals with the synthesis and characterization of cerulenin analogues as inhibitors of efflux pump mediated resistance of Candida albicans isolates and as inhibitors of the fatty acid synthesis enzyme KasA of Mycobacterium tuberculosis. Cerulenin was chosen as the lead structure, being a substrate of the efflux pumps in Candida albicans on one hand and therefore variations on the structure could lead to a blocking of the efflux pumps as in the case of tetracycline and inhibitor 13-CPTC of the TetB efflux pump. On the other hand, cerulenin is a known inhibitor of the FAS system but inhibition is unselective in type I and II FAS. Therefore, analogues could result in increased selectivity towards the type II FAS system in M. tuberculosis. The first cerulenin derivatives were prepared by coupling 2,3-dihydrofuran to the before synthesized 1-octaniodide, followed by ring opening and oxidation in one step by chromic acid and transfer of the resulting 4-keto acid to amides to give analogues 4a-d, 4e was prepared in analogy. To include the epoxide function especially with regard to the mechanism of action of cerulenin in the FAS system (considering known crystal structures of cerulenin and the KasA analogue of E. coli) tetrahydro- and dihydrocerulenin analogues were synthesized. Starting from the corresponding aldehyde, lactone 5 (tetrahydrocerulenin analogues) was obtained via two different routes A and B. Route A included the coupling of the aldehyde 1-nonanal to propiolic acid via a Grignard reaction with subsequent hydrogenation with the Lindlar catalyst under hydrogen pressure to give 5. Via Route B 1-nonanal was coupled to methyl propiolate by n-BuLi with subsequent hydrogenation under reflux with the catalytic system Lindlar cat./NH4HCO2 to yield 5. These hydrogenations were also executed in a microwave oven resulting in better yields and/or reaction times. The lactone 5 was then epoxidized, the ring opened by amidation and the remaining alcohol was oxidized via Collins oxidation to result in tetrahydrocerulenin analogues 8a-e. The same procedure was used for dihydrocerulenin analogues 10a-c except that to obtain the corresponding lactone 9a only route A was used and a further step had to be executed for ring closure. To obtain analogues with all structural features of cerulenin including two double bonds and the epoxide function, a third pathway was chosen. To obtain the future side chain, aldehyde 12 was synthesized by coupling protected 4-pentyn-1-ol to either crotyl bromide or crotyl chloride, which then was deprotected, hydrogenated with Lindlar catalyst under hydrogen pressure and oxidized via a Swern oxidation. The following synthesis sequence starting from 12 was executed similar to that of dihydrocerulenins via the corresponding lactone (51) with the major exception of the oxidation procedure in the last step via TPAP/NMO to result in (4Z,7E)-cerulenin analogues 15a-b. A fourth class of cerulenin analogues was synthesized with the aromatic analogues 17a-e. This synthesis pathway started with the formation of the benzoyl acrylamides 16a-e from benzoylacrylic acid via a mixed anhydride which was prepared with isobutylchloroformate followed by the addition of the corresponding amine. Subsequent epoxidation with H2O2 in basic EtOH gave the aromatic cerulenin analogues 17a-e. Pharmacological testings for the synthesized substances were executed on efflux pump-resistant and -sensitive Candida albicans isolates, on the fatty acid synthesis enzyme KasA of Mycobacterium tuberculosis and on other organisms such as Leishmania major, Trypanosoma brucei brucei, Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Escherichia coli and Pseudomonas aeruginosa within the Sonderforschungsbereich 630.
N2  - Die Arbeit befasst sich mit der Synthese und Charakterisierung von Ceruleninanaloga als Inhibitoren effluxpumpenresistenter Candida-albicans-Isolate und als Inhibitoren des Fettsäuresyntheseenzyms KasA von Mycobacterium tuberculosis. Der Naturstoff Cerulenin wurde als Leitstruktur gewählt, da er einerseits ein Substrat der bekannten Effluxpumpen von Candida albicans ist und deshalb Strukturvariationen zu einer Blockierung der Effluxpumpen, wie im Fall von Tetrazyklin und dem Inhibitor 13-CPTC der TetB Effluxpumpe, führen können. Andererseits ist Cerulenin ein bekannter Inhibitor der Fettsäuresynthese, allerdings unselektiv für Typ I und II. Ceruleninanaloga als Fettsäureinhibitoren könnten daher eine erhöhte Selektivität bezüglich des Typ II Fettsäuresystems in M. tuberculosis aufweisen. Die in dieser Arbeit zuerst synthetisierten Ceruleninderivate wurden durch Kupplung von 2,3-Dihydrofuran und dem zuvor dargestellten 1-Octaniodid gefolgt von Ringöffnung und Oxidation mittels Chromsäure zur 4-Ketosäure, und Umsetzung zum entsprechenden Amid und somit den Ceruleninanaloga 4a-d hergestellt. Substanz 4e wurde entsprechend synthetisiert. Um die Epoxidfunktion der Leitstruktur zu integrieren, die besonders hinsichtlich des Wirkmechanismus von Cerulenin im FAS-System wichtig zu sein scheint (wenn man die bekannten Kristallstrukturen von Cerulenin und dem KasA-Analogon in E. coli berücksichtigt), wurden Tetrahydro- und Dihydroceruleninanaloga synthetisiert. Ausgehend von dem entsprechendem Aldehyd wurde (im Fall der Tetrahydrocerulenine) Lacton 5 auf zwei verschiedene Arten dargestellt: mittels Route A und B. Route A beinhaltete die Kupplung des Aldehyds 1-Nonanal mit Propiolsäure durch eine entsprechende Grignardreaktion mit anschließender Hydrierung über Lindlar-Katalysator unter Wasserstoffdruck. Bei Route B wurden 1-Nonanal und Methylpropiolat mittels n-BuLi gekuppelt und anschließend hydriert durch Refluxieren mit Lindlar-Katalysator und NH4HCO2. Die Hydrierungen von Route A und B wurden auch in der Mikrowelle durchgeführt, wodurch bessere Ausbeuten und/oder Reaktionszeiten erzielt werden konnten. Das so dargestellte Lacton 5 wurde dann epoxidiert, der Lactonring durch den Angriff eines Amins geöffnet und der so entstandene Alkohol mittels Collins Oxidierung zu den Tetrahydroceruleninanaloga 8a-e oxidiert. Dihydroceruleninanaloga 10a-c wurden auf analogem Syntheseweg hergestellt mit dem Unterschied, dass die entsprechende Lactonzwischenstufe 9a nur durch Route A synthetisiert und ein weiterer Zwischenschritt zum Ringschluss benötigt wurde. Um Ceruleninanaloga mit allen strukturellen Komponenten des Cerulenins inklusive zweier Doppelbindungen und Epoxidfunktion zu erhalten, wurde ein dritter Syntheseweg gewählt. Zur Integration der späteren Seitenkette wurde zuerst Aldehyd 12 durch Kupplung von geschütztem 4-Pentyn-1-ol mit entweder Crotylbromid oder Crotylchlorid, anschließendem Entschützen und Hydrierung über Lindlar-Katalysator und unter Wasserstoffdruck und nachfolgender Swern Oxidation synthetisiert. Die anschließende Synthesesequenz startete von Substanz 12 und wurde in Anlehnung der Synthese an die Dihydroceruleninderivate über Lacton 51 durchgeführt. Die größte Abweichung stellte dabei die Oxidation im letzten Schritt dar, die mittels TPAP/NMO durchgeführt wurde und in den (4Z,7E)-Ceruleninanaloga 15a-b resultierte. Eine vierte Klasse von Ceruleninanaloga wurde mit den aromatischen Derivaten 17a-e synthetisiert. Diese Route startete mit der Synthese der Benzoylacrylamide 16a-e aus Benzoylacrylsäure über das gemischte Anhydrid, das mit Isobutylchloroformiat hergestellt wurde, gefolgt von der Zugabe des entsprechenden Amins. Die nachfolgende Epoxidierung mit H2O2 in basischem EtOH ergab die aromatischen Ceruleninanaloga 17a-e. Pharmakologische Testungen der synthetisierten Substanzen wurden an Efflux-pumpen-resistenten und -sensitiven Candida albicans Isolaten, am Fettsäuresyntheseenzym KasA von Mycobacterium tuberculosis und an anderen Mikroorganismen wie Leishmania major, Trypanosoma brucei brucei, Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Escherichia coli und Pseudomonas aeruginosa im Sonderforschungsbereich 630 durchgeführt.
KW  - Organische Synthese
KW  - Candida albicans
KW  - Tuberkelbakterium
KW  - Instrumentelle Analytik
KW  - Naturstoff
KW  - Cerulenin
KW  - KasA
KW  - Effluxpumpen
KW  - Fettsäurebiosynthese
KW  - fatty acid biosynthesis
KW  - efflux pumps
KW  - kasA
KW  - cerulenin
KW  - tuberculosis
KW  - Candida albicans
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-27532
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lermann, Ulrich
T1  - Molekulare Untersuchungen zur Regulation und Funktion der sekretierten Aspartatproteasen von Candida albicans
T1  - Molecular investigations on regulation and function of secreted aspartic proteases of Candida albicans
N2  - Die sekretorischen Aspartatproteasen (Saps) des Hefepilzes Candida albicans gelten als wichtiger Virulenzfaktor dieses opportunistischen Krankheitserregers. Die zehn Sap-Isoenzyme werden von einer Genfamilie codiert, deren Vertreter (SAP1-SAP10) in der Vergangenheit bereits intensiv untersucht wurden. SAP-Expressionsanalysen und die Charakterisierung von sap&#61508;-Deletionmutanten, die in einem auxotrophen Laborstamm hergestellt wurden, führten aber zu teilweise widersprüchlichen Ergebnissen, weshalb die Rolle der einzelnen Proteine bis heute nicht zweifelsfrei aufgeklärt ist. Eine differentielle Expression der SAP-Gene in unterschiedlichen Stadien einer Infektion wurde jedoch in vielen unabhängigen Studien gezeigt. In der vorliegenden Arbeit wurde zunächst die Expression der Gene SAP1-SAP6 in einem etablierten in vitro-Modell einer Candida-Vaginitis untersucht, das auf der Infektion von rekonstituiertem humanem Epithel (RHE) basiert. Dazu wurden Reporterstämme verwendet, die bereits früher für Expressionsanalysen in verschiedenen in vivo-Infektionsmodellen in Mäusen eingesetzt worden waren. Dies erlaubte es einerseits unterschiedliche Nachweismethoden zur SAP-Genexpression in einem standardisierten Modell zu vergleichen und andererseits das Expressionsmuster der SAP-Gene in einem in vitro-Infektionsmodell mit den Ergebnissen von in vivo-Infektionsexperimenten zu korrelieren. Es zeigte sich in Übereinstimmung mit Ergebnissen früherer in vivo-Experimente in Mäusen, dass bei der Infektion des vaginalen Gewebes vor allem das SAP5-Gen induziert wurde. Allerdings weicht dieses Ergebnis deutlich von Ergebnissen anderer Studien ab, die mit Hilfe anderer Methoden ein ungleiches Muster der SAP-Expression detektierten. Um die Rolle der Gene SAP1-SAP6 bei der Infektion genauer zu untersuchen, wurden deshalb Mutanten hergestellt, in denen einzelne oder mehrere SAP-Gene mit Hilfe einer neuartigen Mutagenesestrategie erstmals aus dem Genom eines wildtypischen C. albicans-Stammes deletiert wurden. Überraschenderweise konnte sowohl in Einzelmutanten der Gene SAP1-SAP6 als auch in sap1&#61508; sap2&#61508; sap3&#61508;- und sap4&#61508; sap5&#61508; sap6&#61508;-Triplemutanten keine verminderte Fähigkeit zur Invasion und Schädigung von humanem Gewebe in RHE festgestellt werden. Eine in früheren Arbeiten beschriebene abgeschwächte Virulenz solcher Mutanten konnte auch in einem murinen Modell für eine disseminierende Infektion nicht beobachtet werden. Die Sekretion von Aspartatproteasen ermöglicht es C. albicans Proteine als alleinige Stickstoffquelle zum Wachstum zu verwenden. Unter diesen Bedingungen wird spezifisch die Expression des SAP2-Gens induziert; jedoch ist über die Mechanismen dieser Regulation noch wenig bekannt. Aus diesem Grund wurden in dieser Arbeit Promotor-Deletionsanalysen des SAP2-Gens und des mit diesem co-regulierten Oligopeptidtransportergens OPT1 durchgeführt. Es zeigte sich, dass unterschiedliche Bereiche innerhalb der 3,5 kb großen regulatorischen Region von SAP2 gemeinsam eine Expression dieses Gens unter induzierenden Bedingungen ermöglichen. Für das OPT1-Gen konnte eine regulatorische Region eingegrenzt werden, die für die Expression dieses Gens essentiell ist. In den für die Expression von SAP2 und OPT1 wichtigen Regionen wurden ähnliche Sequenzen gefunden, die als Bindungsstellen für regulatorische Faktoren dienen könnten. In dieser Arbeit wurden neue Erkenntnisse zur Regulation und Bedeutung der sekretierten Aspartatproteasen von C. albicans erhalten. Um eine endgültige Bewertung der Rolle dieser Enzyme in der Virulenz des Erregers zu ermöglichen, sind jedoch noch weitere detaillierte Studien unter Verwendung verschiedenster Infektionsmodelle nötig.
N2  - The secreted aspartic proteases (Saps) of the yeast Candida albicans are considered as an important virulence trait of this opportunistic pathogen. The ten Sap isoenzymes are encoded by a gene family, whose members (SAP1-SAP10) have been analysed intensively already in the past. However, the analysis of the expression pattern of the SAP genes and the characterisation of sap&#61508; deletion mutants, which were generated from an auxotrophic laboratory strain, yielded partially contradictory results. Therefore, the role of the individual proteins is still not fully elucidated. A differential expression of the SAP genes in various stages of an infection has been demonstrated in many independent studies. In the present work the expression of the SAP1-SAP6 genes was analyzed in an established in vitro model of vaginal candidiasis that is based on the infection of reconstituted human epithelium (RHE). For this purpose, reporter strains were used which had already been utilized previously to study the SAP expression pattern in various in vivo infection models in mice. This allowed the comparison of different detection methods for SAP gene expression in a standardized model and also to correlate the SAP expression pattern in an in vitro infection model with the results of in vivo infection experiments. It was found that SAP5 was the predominantly expressed SAP gene during infection of the vaginal tissue, in agreement with the results of previous in vivo experiments in mice. However, this result contrasts with those of other studies that, using alternative methods, detected a different SAP expression pattern. To investigate the role of the SAP1-SAP6 genes during infection in more detail, a new set of mutants was generated, in which single or multiple SAP genes were deleted for the first time from the genome of a C. albicans wild-type strain with the help of a novel mutagenesis strategy. Surprisingly, neither single mutants lacking one the SAP1-SAP6 genes nor triple mutants lacking all of the SAP1-SAP3 or the SAP4-SAP6 genes exhibited a detectable defect in invasion and damage of reconstituted human epithelium. A previously reported attenuated virulence of sap&#61508; mutants was also not observed in a murine model of disseminated candidiasis. The secretion of aspartic proteases enables C. albicans to utilize proteins as a sole source of nitrogen for growth. Under these conditions expression of the SAP2 gene is specifically induced, however, little is known about the mechanisms of this regulation. Therefore, promoter deletion analyses of the SAP2 gene and the co-regulated oligopeptide transporter gene OPT1 were performed in the present work. It was found that different regions within the approximately 3,5 kb large SAP2 promoter jointly allowed the expression of this gene under inducing conditions. For OPT1, a region could be delimited that is essential for the expression of this gene. The regions that were found to be important for SAP2 and OPT1 expression contain similar sequences, which may serve as binding sites for regulatory factors. This study provides new insights into the regulation and importance of the secreted aspartic proteases of C. albicans. For a definite evaluation of the role of these enzymes in the virulence of the pathogen, however, further detailed studies that employ a variety of different infection models are necessary.
KW  - Candida
KW  - Candida albicans
KW  - Proteasen
KW  - Virulenzfaktor
KW  - Mykose
KW  - secreted aspartic proteases
KW  - candida albicans
KW  - virulence factor
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-29168
ER  -