TY  - THES
A1  - Müller, Stefanie
T1  - Funktionale und molekulare Charakterisierung des ArsRS Zweikomponenten-Systems sowie der Response-Regulatoren HP1021 und HP1043 von Helicobacter pylori
T1  - Functional and molecular characterization of the ArsRS two-component-system and of the response-regulators HP1021 and HP1043 of Helicobacter pylori
N2  - Bakterien sind in der Lage, sich schnell an wechselnde Umweltbedingungen anzupassen. Eine wichtige Rolle bei der Wahrnehmung von verschiedensten Umweltreizen und der zellulären Antwort spielt die Genregulation durch Zweikomponenten-Systeme. Gut charakterisiert ist das ArsRS Zweikomomponenten-System in H. pylori, welches an der Ausbildung der Säureresistenz beteiligt ist und dem Bakterium so die Kolonisierung der Magenschleimhaut ermöglicht. Die Histidin-Kinase ArsS wird in Gegenwart von Säure aktiviert und phosphoryliert den Response-Regulator ArsR, der die Transkription von Target-Genen reguliert. In der periplasmatischen Sensordomäne der Histidin-Kinase ArsS sind sieben Histidinreste vorhanden, die aufgrund ihres pKa-Wertes von 6,0 bei Absenken des pH Wertes von pH 7 auf pH 5, was eine Aktivierung der Histidin-Kinase zur Folge hat, protoniert werden könnten. Es konnte gezeigt werden, dass der Histidinrest H94 der periplasmatischen Sensordomäne einen wesentliche Rolle bei der Säurewahrnehmung durch die Histidin-Kinase ArsS spielt. Die Einführung einer positiv geladenen AS an dieser Position allein reicht jedoch nicht aus, um die Kinase zu aktivieren, weshalb unklar bleibt, ob eine Protonierung des Histidinrestes H94 in vivo die Säurewahrnehmung vermittelt. Weiterhin konnten Indizien darauf erhalten werden, dass neben dem Histidinrest H94 noch weitere Aminosäuren an der Säurewahrnehmung durch die Histidin-Kinase beteiligt sind. Der Aspartatrest D124 leistet unter den negativ geladenen AS vermutlich den größten Beitrag zur Säurewahrnehmung. In den mit H. pylori nahe verwandten Arten Helicobacter hepaticus, Wolinella succinogenes und Campylobacter jejuni sind Orthologe zu dem ArsRS Zweikomponenten-System vorhanden. Um zu untersuchen, ob es sich bei der Säurewahrnehmung durch die Histidin-Kinase ArsS um eine spezifische Anpassung von H. pylori an sein Habitat handelt oder ob Säure einen allgemeinen Stimulus der ArsS-orthologen Kinasen darstellt, wurden Mutanten im genetischen Hintergrund von H. pylori G27 konstruiert, in welchen die Histidin-Kinase ArsS durch die orthologen Kinasen HH1608, CJ1262 und WS1818 substituiert wurde. Durch Transkriptionsstudien konnte gezeigt werden, dass die Kinase WS1818 eine gesteigerte Aktivität bei saurem pH-Wert aufweist. Auch die Kinase HH1607 kann Säure als einen Umweltreiz wahrnehmen, jedoch deutlich weniger effektiv als die Kinasen ArsS und WS1818. Ob die Zweikomponenten-Systeme HH1608/HH1607 und WS1817/WS1818 in vivo in H. hepaticus und W. succinogenes an der Wahrnehmung von Säure und evtl. an der Ausbildung einer Säureresistenz beteiligt sind, ist unklar, da über die Funktion dieser Zweikomponenten-Systeme bisher nichts bekannt ist. Die Kinase CJ1262 ist nicht in der Lage, Säure als einen Umweltreiz wahrzunehmen. Die beiden Response-Regulatoren HP1043 und HP1021 spielen vermutlich eine Rolle bei der Regulation von Genen, deren Produkte eine wichtige Funktion für das vegetative Zellwachstum haben. Die Aktivität der beiden RR wird entgegen dem gängigen Zweikomponenten-System-Paradigma nicht über eine Phosphorylierung moduliert. In der vorliegenden Arbeit wurde analysiert, ob eine strikte Expressionskontrolle für die wachstumsassoziierten Funktion dieser Response-Regulatoren von Bedeutung ist. Zu diesem Zweck wurden verschieden Mutanten konstruiert, in welchen die Transkription der Gene hp1021 und hp1043 unter der Kontrolle von unterschiedlich regulierten Promotoren stattfindet. Es konnte gezeigt werden, dass die Expression des Gens hp1043 sowohl transkriptionell als auch posttranskriptionell und/oder posttranslational strikt reguliert wird. Es kann deshalb postuliert werden, dass die Aktivität des RR HP1043 über die vorhandene Konzentration an Regulator in der Bakterienzelle beeinflusst wird. Die Expression des Gens hp1021 wird nicht strikt reguliert. Auf welche Weise die Aktivität des RR HP1021 moduliert wird, bleibt unklar.
N2  - Bacteria are able to adapt rapidly to alternating environmental conditions. Two component systems play a predominant role in sensing environmental stimuli and triggering a proper cellular response. The genome of Helicobacter pylori harbours only a few genes encoding for two component system proteins. The ArsRS two component system of H. pylori which controls the acid response and therefore is required for colonization of the mucus is well characterized. The kinase ArsS is activated under acidic conditions and phosphorylates the response regulator ArsR resulting in activation or repression of transcription of ArsRS-dependent target genes. The acid response of H. pylori is triggered when the pH drops from 7 to 5. Therefore, due to their side chain pKa-value of 6 seven histidine residues in the periplasmic sensor domain of the kinase ArsS were hypothesized to be involved in acid sensing. It was shown that the histidine residiue H94 is involved in the acid sensing by the histidine kinase ArsS. Substitution of H94 by the positively charged amino acid arginine did not result in a constitutively active ArsS protein. Therefore it remains unclear whether H94 contributes to the acid-sensing via protonation. Furthermore it was speculated that apart from histidine H94 other other amino acids contribute to the acid sensing of ArsS. Amongst them the aspartic acid residue D126 seems to play a predominant role. The closely related epsilon-proteobacteria Helicobacter hepaticus, Wolinella succinogenes and Campylobacter jejuni express ArsRS orthologs. Mutants of H. pylori G27 expressing the orthologous hisitine kinases WS1818, HH1607, and CJ1262 instead of the ArsS protein where constructed to investigate whether acidic pH is a common stimulus sensed by ArsS orthologs. Transcriptional analysis of the mutants revealed that the kinase WS1818 is activated under acidic conditions. The histidine kinase HH1607 also responds to acid as an environmental signal though less efficient than ArsS and WS1818. Since nothing is known about the function of the kinases HH1607 and WS1818 it remains unclear whether these proteins contribute to acid sensing and mounte an acid response in vivo in W. succinogenes and H. hepaticus. The kinase CJ1262 is not activated under acidic conditions. The response regulators HP1021 and HP1043 presumably play a role in the regulation of genes whose protein products have a fundamental function in vegetative cell growth. In contrast to the well established two component system paradigm their activity is not modulated via phosphorylation. In this work it was analyzed whether a strict control of their expression is required for the growth associated function of the respective response regulators. For this purpose several mutants were constructed in which the transcription of the genes hp1021 and hp1043 was placed under the control of different promoters. It was demonstrated that the expression of the gene hp1043 is controlled both on the transcriptional and posttranscriptional and/or posttranslational level and that this expression control is important for response regulator function. In contrast, strict expression control is not a prerequisite for the function of response regulator HP1021.
KW  - Helicobacter pylori
KW  - Säure
KW  - Genregulation
KW  - Zweikomponenten-System
KW  - ArsRS
KW  - Response-Regulator
KW  - HP1021
KW  - HP1043
KW  - two-cpmponent-system
KW  - ArsRS
KW  - response-regulator
KW  - HP1021
KW  - HP1043
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-36263
ER  - 
TY  - THES
A1  - Krüger, Beate
T1  - Integration und Kombination bioinformatischer Methoden in Biotechnologie, synthetischer Biologie und Pharmaindustrie
T1  - Intgration and combination of bioinformatical methods in biotechnology, synthetic biology and pharmaceutical industry
N2  - Die Bioinformatik ist eine interdisziplinäre Wissenschaft, welche Probleme aus allen Lebenswissenschaften mit Hilfe computergestützter Methoden bearbeitet. Ihr Ziel ist es, die Verarbeitung und Interpretation großer Datenmengen zu ermöglichen. Zudem unterstützt sie den Designprozess von Experimenten in der Synthetischen Biologie. Die synthetische Biologie beschäftigt sich mit der Generierung neuer Komponenten und deren Eigenschaften, welche durch die Behandlung und Manipulation lebender Organismen oder Teilen daraus entstehen. Ein besonders interessantes Themengebiet hierbei sind Zweikomponenten-Systeme (Two-Component System, TCS). TCS sind wichtige Signalkaskaden in Bakterien, welche in der Lage sind Informationen aus der Umgebung in eine Zelle zu übertragen und darauf zu reagieren. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Beurteilung, Nutzung und Weiterentwicklung von bioinformatischen Methoden zur Untersuchung von Proteininteraktionen und biologischen Systemen. Der wissenschaftliche Beitrag der vorliegenden Arbeit kann in drei Aspekte unterteilt werden: - Untersuchung und Beurteilung von bioinformatischen Methoden und Weiterführung der Ergebnisse aus der vorhergehenden Diplomarbeit zum Thema Protein-Protein-Interaktionsvorhersagen. - Analyse genereller evolutionärer Modifikationsmöglichkeiten von TCS sowie deren Design und spezifische Unterschiede. - Abstraktion bzw. Transfer der gewonnenen Erkenntnisse auf technische und biologische Zusammenhänge. Mit dem Ziel das Design neuer Experimente in der synthetischen Biologie zu vereinfachen und die Vergleichbarkeit von technischen und biologischen Prozessen sowie zwischen Organismen zu ermöglichen. Das Ergebnis der durchgeführten Studie zeigte, dass Zweikomponenten-Systeme in ihrem Aufbau sehr konserviert sind. Nichtsdestotrotz konnten viele spezifische Eigenschaften und drei generelle Modifikationsmöglichkeiten entdeckt werden. Die Untersuchungen ermöglichten die Identifikation neuer Promotorstellen, erlaubten aber auch die Beschreibung der Beschaffenheit unterschiedlicher Signalbindestellen. Zudem konnten bisher fehlende Komponenten aus TCS entdeckt werden, ebenso wie neue divergierte TCS-Domänen im Organismus Mycoplasma. Eine Kombination aus technischen Ansätzen und synthetischer Biologie vereinfachte die gezielte Manipulation von TCS oder anderen modularen Systemen. Die Etablierung der vorgestellten zweistufigen Modul-Klassifikation ermöglichte eine effizientere Analyse modular aufgebauter Prozesse und erlaubte somit das molekulare Design synthetischer, biologischer Anwendungen. Zur einfachen Nutzung dieses Ansatzes wurde eine frei zugängliche Software GoSynthetic entwickelt. Konkrete Beispiele demonstrierten die praktische Anwendbarkeit dieser Analysesoftware. Die vorgestellte Klassifikation der synthetisch-biologischen und technischen Einheiten soll die Planung zukünftiger Designexperimente vereinfachen und neue Wege für sinnverwandte Bereiche aufzeigen. Es ist nicht die Hauptaufgabe der Bioinformatik, Experimente zu ersetzen, sondern resultierende große Datenmengen sinnvoll und effizient auszuwerten. Daraus sollen neue Ideen für weitere Analysen und alternative Anwendungen gewonnen werden, um fehlerhafte oder falsche Ansätze frühzeitig zu erkennen. Die Bioinformatik bietet moderne, technische Verfahren, um vertraute, aber oft mühsame experimentelle Wege durch neue, vielversprechende Ansätze zur Datenstrukturierung und Auswertung großer Datenmengen zu ergänzen. Neue Sichtweisen werden durch die Erleichterung des Testprozederes gefördert. Die resultierende Zeitersparnis führt zudem zu einer Kostenreduktion.
N2  - The field of Bioinformatics is an interdisciplinary science focusing on the application of computer science to solve problems in different areas of life sciences. Its scope is to handle and interpret an immense quantity of data and to support computer-aided design approaches of synthetic biological experiments. Synthetic biology deals with the generation of new components and biological characteristics created by manipulation of living organisms or parts of them. Of particular interest are two-component systems (TCS). TCS describe simple and important signalling cascades in bacteria which transfer information from the environment into the cell as a reaction to changes in the environment. The present thesis is focused on the assessment, applicability and enhancement of bioinformatical methods in order to facilitate analysis of protein interactions and biological systems. The scientific efforts within the thesis can be divided into three aspects: - Analysis and assessment of bioinformatical methods and enhancement of results from the preceding diploma thesis dealing with protein-protein interaction predictions. - Analysis of general evolutionary modification possibilities within TCS as well as specific differences and design for the identification of a common approach. - Abstraction and transfer of the results to technical and biological contexts in order to simplify synthetic biological design experiments. Establishment of comparable vocabulary for both, technical and biological processes as well as different organisms. The outcome of this thesis revealed that TCS structure is very conserved but that it nevertheless contained some very specific characteristics. New promotor sites were discovered whilst additionally allowing the analysis of the signal binding sites. Missing elements from known TCS could be discovered and a completely new diverged TCS domain in the organism Mycoplasma could be identified as well as three general modification possibilities for TCS. The combination between technological approaches and synthetic biology simplifies the systematic manipulation of TCS or other modular systems. The established two-staged module classification simplifies the analysis of modular processes and thereby the molecular design of synthetical-biological questions. Concrete examples showed the functionality and usefulness of the classification. A freely accessible software GoSynthetic provided easy access and application of the developed toolbox. Not only new concrete scientific findings were provided by the given thesis but also a general approach to identify and analyse TCS and even to create similar analytic procedures. The established classification of biological and technical modules will ease the design of future experiments and reveals new pportunities applicable to similar scientific areas. It is not the task of Bioinformatics to replace experiments but to analyse the resulting huge amounts of data meaningfully and efficiently. Hence, new ideas for further analysis and alternative cases need to be generated which may finally help to identify erroneous approaches earlier. Bioinformatics offers modern technical methods to amend familiar and sometimes exhausting experimental procedures with promising new approaches for data structuring and analysis of immense quantities of data. New perceptions are encouraged and speedier progress is possible without increasing the experimental coasts.
KW  - Biotechnologie
KW  - Synthetische Biologie
KW  - Bioinformatik
KW  - Vaccinia-Virus
KW  - Zweikomponentensystem <Molekularbiologie>
KW  - Zweikomponenten-System
KW  - Pharmazeutische Industrie
KW  - biotechnology
KW  - synthetic biology
KW  - bioinformatic
KW  - two-component system
KW  - vaccinia virus
KW  - gene ontology
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-70702
ER  -