TY  - THES
A1  - Kronhardt, Angelika
T1  - Channel Formation, Binding and Translocation Properties of Anthrax, CDT and Related Toxins of the AB7 type
T1  - Kanalbilidung, Bindungs- und Translokationseigenschaften des Anthrax, CDT und verwandten Toxinen des AB7-Toxintyps
N2  - The ability to produce toxins is spread among a huge variety of bacterial strains. A very prominent class of bacterial protein toxins is the family of binary AB toxins sharing a common mode of intoxication. A pore forming component B binds and translocates an enzymatic component A into the cytosol of target cells exhibiting a fatal mode of action. These components are supposed to be not toxic themselves but both required for cell toxicity. Anthrax toxin produced by the Gram-positive bacteria Bacillus anthracis is the best studied binary toxin especially since its use as a biological weapon in the context of the attacks of 9/11 in 2001. In contrast to other binary toxins, Anthrax toxin possesses two different enzymatic components, edema factor (EF), a calcium- and calmodulin-dependent adenylat-cyclase and lethal factor (LF), a zinc-dependent metalloprotease. Protective antigen (PA) is the pore-forming component responsible for binding and translocation. Clostridium botulinum possesses in addition to the well known botulinum toxin (Botox) a variety of other toxins, such as the binary C2 toxin. C2 toxin is composed of the binding and translocation moiety C2II and the enzymatic moiety C2I acting as an actin-ADP-ribosyltransferase. In this study, the mode of translocation and the binding kinetics to the enzymatic component were studied in a biophysical experimental setup. In chapter 2, the binding of the N-terminal fractions EFN and LFN to the PA channel are analyzed in artificial bilayer membranes revealing lower binding affinity compared to full-length EF and LF. Other biophysical properties like voltage-dependency and ionic-strength dependency are not influenced. The results suggest that additional forces are involved in the binding process, than those concerning the N-terminus exclusively, as it was supposed previously. As the treatment of an Anthrax infection with antibiotics is often medicated very late due to the lack of early symptoms, tools to prevent intoxication are required. 4-aminoquinolones like chloroquine are known to block the PA channel, thereby inhibiting intoxication but they also lead to severe side-effects. In chapter 3 new promising agents are described that bind to PA in artificial bilayer systems, elucidating common motives and features which are necessary for binding to PA in general. The possible interaction of Anthrax and C2 toxin is investigated by measuring the binding of one enzymatic component to the respective other toxin’s pore (chapter 4). Interestingly, in vitro experiments using the black lipid bilayer assay show that PA is able to bind to C2I resulting in half saturation constants in the nanomolar range. Furthermore, in vivo this combination of toxin components exhibits cell toxicity in human cell lines. This is first-time evidence that a heterologous toxin combination is functional in in vitro and in vivo systems. In contrast, C2II is able to bind to EF as well as to LF in vitro, whereas in in vivo studies almost no toxic effect is detected. In the case of PA, an N-terminal His6-tag attached to the enzymatic subunit increased the binding affinity (chapter 5). A His6-tag attached to not related proteins also led to high binding affinities, providing the possibility to establish PA as a general cargo protein. In chapter 6 a set of different molecules and proteins is summarized, which are either related or not related to binary toxins, PA is able to bind. In first line, the presence of positive charges is found to be responsible for binding to PA which is in accordance to the fact that PA is highly cation selective. Furthermore, we present evidence that different cationic electrolytes serve as a binding partner to the PA channel. In the last decade another toxin has aroused public attention as it was found to be responsible for a rising number of nosocomial infections: Clostridium difficile CDT toxin. The mode of action of the enzymatic subunit CDTa is similar to C2I of C2 toxin, acting as an ADP-ribosylating toxin. The channel forming and binding properties of CDT toxin are studied in artificial bilayer membranes (chapter 7). We found that two different types of channels are formed by the B component CDTb. The first channel is similar to that of iota toxin’s Ib of Clostridium perfringens with comparable single channel conductance, selectivity and binding properties to the enzymatic subunit CDTa. The formation of this type of channel is cholesterol-dependent, whereas in the absence of cholesterol another kind of channel is observed. This channel has a single channel conductance which is rather high compared to all other binary toxin channels known so far, it is anion selective and does not show any binding affinity to the enzymatic component CDTa. The results reveal completely new insights in channel formation properties and the flexibility of a pore-forming component. Additionally, these findings suggest further possibilities of toxicity of the pore forming component itself which is not known for any other binary toxin yet. Therefore, the pathogenic role of this feature has to be studied in detail.
N2  - Die Fähigkeit, Toxine zu produzieren, ist unter verschiedensten Bakterienstämmen sehr verbreitet. Zu diesen Toxinen zählt auch die Familie der binären AB-Toxine, die hauptsächlich von Bakterien der Gattung Bacillus und Clostridium gebildet werden. Charakteristisch für diese bakteriellen Proteintoxine ist der Wirkungsmechanismus der Zellintoxikation. Eine porenformende Untereinheit B bindet eine enzymatische Untereinheit A und transportiert diese in das Zytosol von Zielzellen, die dort tödliche Wirkung entfalten. Es wird angenommen, dass die einzelnen Komponenten an sich nicht toxisch sind, sondern nur in Kombination Zellvergiftung auslösen. Anthrax-Toxin, das von dem Gram-positiven Bakterium Bacillus anthracis produziert wird, ist das bekannteste und am besten untersuchte binäre Toxin, besonders seit es im Jahr 2001 als Biowaffe eingesetzt wurde. Im Gegensatz zu anderen binären Toxinen besitzt das Anthrax-Toxin zwei enzymatische Komponenten: Edema Factor (EF), eine kalzium- und calmodulinabhängige Adenylatzyklase, und Lethal Factor (LF), eine zinkabhängige Metalloprotease. Protective Antigen (PA) ist die porenformende Komponente, die für die Binding und die Translokation der enzymatischen Untereinheiten verantwortlich ist. Clostridium botulinum produziert neben dem bekannten Botulinumtoxin (Botox) eine Reihe weiterer Toxine, unter anderem das binäre C2 Toxin. Dieses besteht aus der Binde- und Translokationskomponente C2II und der enzymatischen Komponente C2I, die als ADP-Ribosyltransferase fungiert. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden der Translokationsmechanismus und die kinetischen Bindeeigenschaften dieser Toxine biophysikalisch untersucht. In Kapitel 2 wird die Bindung der N-terminalen Fragmente EFN und LFN an den PA-Kanal in künstlichen Lipidmembranen analysiert. Obwohl die Spannungs- und Ionenstärkeabhängigkeit unverändert sind, weisen die verkürzten Proteine deutlich geringe Bindeaffinitäten zu PA im Vergleich zu den vollständigen Proteinen auf. Die Ergebnisse zeigen, dass, anders als bisher angenommen, weitere Kräfte als die zwischen dem N-Terminus und dem PA-Kanal eine Rolle für die Bindung der enzymatischen Komponente spielen. Da bei einer Anthraxinfektion häufig keine frühen Symptome sichtbar sind, erfolgt die Behandlung mit Antibiotika in der Regel relativ spät. Daher werden neue Wirkstoffe benötigt, um einer Intoxikation vorzubeugen. Es ist bekannt, dass 4-Aminoquinolone, wie zum Beispiel Chloroquin, in der Lage sind, die PA-Pore zu blockieren und somit eine Zellvergiftung zu verhindern, allerdings haben diese Wirkstoffe starke Nebenwirkungen. In Kapitel 3 werden neue, vielversprechende Wirkstoffe beschrieben, die an PA binden können und Aufklärung darüber geben, welche Eigenschaften für die Bindung an PA im Allgemeinen verantwortlich sind. Des Weiteren wird untersucht, ob eine Kreuzreaktion zwischen den Komponenten des Anthrax- und C2-Toxins möglich ist (Kapitel 4). Dazu wird die Bindung einer enzymatischen Komponente an die Pore des entsprechenden anderen Toxins gemessen. Interessanterweise ergeben in vitro Experimente an künstlichen Lipidmembranen, dass PA an C2I bindet und in vivo Vergiftungen an humanen Zelllinien auslöst. Damit wird zum ersten Mal gezeigt, dass eine heterologe Toxinkombination sowohl in vitro als auch in vivo funktionell ist. C2II hingegen ist zwar in der Lage, EF und LF zu binden, die Transportrate in Zielzellen ist jedoch sehr gering. Im Fall von PA bewirkt ein N-terminaler His6-tag, der an die enzymtischen Einheiten gekoppelt ist, eine Erhöhung der Bindeaffinität, beschrieben in Kapitel 5. Dies ist sowohl für nah verwandte Proteine der Fall als auch für Proteine, die nicht im Zusammenhang mit binären Toxinen stehen. Somit eröffnet sich die Möglichkeit, PA als universelles Transportprotein zu nutzen. In Kapitel 6 werden verschiedene Moleküle und Proteine beschrieben, die in der Lage sind, an PA zu binden. Vor allem positive Ladungen scheinen für die Bindung an PA-Kanäle verantwortlich zu sein, was mit der Tatsache, dass PA stark kationenselektiv ist, im Einklang steht. Des Weiteren wird zum ersten Mal beschrieben, dass verschiedene Kationen selbst als Bindepartner fungieren können. Seit einigen Jahren ist ein weiteres Toxin in den Fokus der Öffentlichkeit gerückt, da es zunehmend für nosokomiale Infektionen verantwortlich gemacht wird: CDT-Toxin von Clostridium difficile. Wie das C2-Toxin besitzt CDT-Toxin ADP-Ribosyltransferaseaktivität, was zu irreversiblen Schäden des Aktin- Zytoskeletts und somit zum Zelltod führt. Die biophysikalischen Eigenschaften, betreffend Porenbildung und Bindeaffinität des CDT-Toxins werden in Kapitel 7 beschrieben. Wir zeigen, dass die B Komponente CDTb fähig ist, zwei unterschiedliche Kanäle zu bilden. Einer dieser Kanäle ist dem des Iota-Toxins von Clostridium perfringens ähnlich, die Einzelkanalleitfähigkeit, Selektivität und Bindeeigenschaften sind vergleichbar. Die Bildung dieses Kanals ist abhängig von Cholesterin, wohingegen in Abwesenheit von Cholesterin überwiegend ein anderer Kanal geformt wird. Dieser zeigt eine für einen binären Toxinkanal ungewöhnlich hohe Einzelkanalleitfähigkeit, der Kanal ist anionselektiv und weist keinerlei Bindeaffinität zu der enzymatischen Komponente CDTa auf. Die Ergebnisse offenbaren neue Einblicke in die Formierung von Toxinkanälen und deuten darauf hin, dass dieses Toxin durch die Flexibilität der Kanalbildung möglicherweise zusätzliche Fähigkeiten besitzt, Zellintoxikation auszulösen. Dennoch ist die physiologische und pathogene Rolle dieser Eigenschaft noch weitestgehend ungeklärt und bedarf intensiver Untersuchung.
KW  - Bacillus anthracis
KW  - Toxin
KW  - Lipidmembran
KW  - Pore
KW  - Translokation
KW  - Porenbildung
KW  - Anthrax toxin
KW  - Black lipid bilayer
KW  - pore formation and translocation
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-71559
ER  - 
TY  - THES
A1  - Alcantarino Menescal, Luciana
T1  - In vivo characterization of genetic factors involved in Xmrk driven melanoma formation in Medaka (Oryzias latipes): a closer look at braf, Stat5 and c-myc
T1  - In vivo Charakterisierung genetischer Faktoren mit Einfluss auf Xmrk induzierte Melanome in Medaka (Oryzias latipes): Untersuchung von braf, Stat5 und c-myc.
N2  - Melanoma arises from the malignant transformation of melanocytes and is one of the most aggressive forms of human cancer. In fish of the genus Xiphophorus, melanoma development, although very rarely, happens spontaneously in nature and can be induced by interspecific crossing. The oncogenic receptor tyrosine kinase, Xmrk, is responsible for melanoma formation in these fishes. Since Xiphophorus are live-bearing fishes and therefore not compatible with embryonic manipulation and transgenesis, the Xmrk melanoma model was brought to the medaka (Oryzias latipes) system. Xmrk expression under the control of the pigment cell specific mitf promoter leads to melanoma formation with 100% penetrance in medaka. Xmrk is an orthologue of the human epidermal growth factor receptor (EGFR) and activates several downstream signaling pathways. Examples of these pathways are the direct phosphorylation of BRAF and Stat5, as well as the enhanced transcription of C-myc. BRAF is a serine-threonine kinase which is found mutated at high frequencies in malignant melanomas. Stat5 is a transcription factor known to be constitutively activated in fish melanoma. C-myc is a transcription factor that is thought to regulate the expression of approximately 15% of all human genes and is involved in cancer progression of a large number of different tumors. To gain new in vivo information on candidate factors known to be involved in melanoma progression, I identified and analysed BRAF, Stat5 and C-myc in the laboratory fish model system medaka. BRAF protein motifs are highly conserved among vertebrates and the results of this work indicate that its function in the MAPK signaling is maintained in medaka. Transgenic medaka lines carrying a constitutive active version of BRAF (V614E) showed more pigmented skin when compared to wild type. Also, some transiently expressing BRAF V614E fishes showed a disrupted eye phenotype. In addition, I was able to identify two Stat5 copies in medaka, named Stat5ab/a and Stat5ab/b. Sequence analysis revealed a higher similarity between both Stat5 sequences when compared to either human Stat5a or Stat5b. This suggests that the two Stat5 copies in medaka arose by an independent duplication processes. I cloned these two Stat5 present in medaka, produced constitutive active and dominant negative gene versions and successfully established transgenic lines carrying each version under the control of the MITF promoter. These lines will help to elucidate questions that are still remaining in Stat5 biology and its function in melanoma progression, like the role of Stat5 phosphorylation on tumor invasiveness. In a third project during my PhD work, I analysed medaka C-myc function and indentified two copies of this gene in medaka, named c-myc17 and c-myc20, according to the chromosome where they are located. I produced conditional transgenic medaka lines carrying the c-myc17 gene coupled to the hormone binding domain of the estrogen receptor to enable specific transgene activation at a given time point. Comparable to human C-myc, medaka C-myc17 is able to induce proliferation and apoptosis in vivo after induction. Besides that, C-myc17 long-term activation led to liver hyperplasia. In summary, the medaka models generated in this work will be important to bring new in vivo information on genes involved in cancer development. Also, the generated transgenic lines can be easily crossed to the melanoma developing Xmrk medaka lines, thereby opening up the possibility to investigate their function in melanoma progression. Besides that, the generated medaka fishes make it possible to follow the whole development of melanocytes, since the embryos are transparent and can be used for high throughput chemical screens.
N2  - Melanome entstehen durch die krankhafte Transformation von Melanozyten und sind eine der aggressivsten Krebsarten beim Menschen. In Fischen der Gattung Xiphophorus können, wenn auch sehr selten, spontan Melanome entstehen oder durch spezielle Artenkreuzungen induziert werden. Grundlage für das Entstehen der Melanome in diesen Fischen ist die Rezeptortyrosinkinase Xmrk. Da alle Xiphophorus-Arten lebendgebärend sind und keine Manipulationen an Embryonen vorgenommen werden können, wurde ein Xmrk Melanommodel für Medaka (Oryzias latipes) etabliert. Die Expression von Xmrk in Pigmentzellen dieser Fischart resultiert mit 100%iger Penetranz in Melanomen. Das Xmrk ist ein Ortholog des menschlichen „epidermal growth factor“ (EGFR) und aktiviert verschiedene nachgeschaltete Signalwege. Beispiele für diese Aktivierungen sind die Phosphorylierung von BRAF, Stat5 und die erhöhte Expression von c-myc. BRAF ist eine Serin-Threoninkinase, welche oft in malignen Melanomen mutiert ist. Stat5 ist ein Transkriptionsfaktor, welcher dauerhaft in Fischtumoren aktiviert ist. C-myc ist ein Transkriptionsfaktor, welcher etwa 15% aller menschlichen Gene sowie die Entstehung vieler menschlicher Tumore reguliert. Um neue Einsichten in die Funktion der Kanidatengene im Prozess der Melanomentstehung in vivo zu erlangen, habe ich Orthologe von BRAF, Stat5 und C-myc bei Medaka identifiziert und analysiert. Die Domänen des BRAF Proteins sind hoch konserviert in allen Vertebraten. Weiterhin deuten die Ergebnisse meiner Arbeit auf eine Beibehaltung der Funktionen im MAPK Signalweg hin. Transgene Medakalinien, welche eine dauerhaft aktive Version des BRAF Gens (V614E) exprimieren, weisen einerseits eine stärkere Hautpigmentierung auf. Weiterhin treten in diesen Fischen Veränderungen der Augen auf. In einem weiteren Projekt meiner Arbeit gelang es mir, zwei Kopien des Stat5 Gens im Medaka zu identifizieren, Stat5ab/a und Stat5ab/b. Sequenzanalysen zeigten eine höhere Übereinstimmung zwischen den beiden Genkopien, als zwischen denen von Medaka und Menschen. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass die beiden Medaka Gene durch eine unabhängige Duplikation entstanden. In meiner Arbeit habe ich beide Gene des Medakas kloniert und jeweils eine konstitutiv aktive und eine dominant negative Version der Gene hergestellt. Weiterhin konnte ich erfolgreich für jede Genversion eine transgene Medakalinie etablieren, welche die verschiedenen Genvarianten unter der Kontrolle des pigmentzellspezifischen Promoters des mitf Gens exprimieren. Diese Linien werden in Zukunft helfen, den Einfluss von Stat5 Signalen auf den Prozess der Melanomverbreitung und dessen Invasivität zu erklären. In einem dritten Projekt meiner Doktorarbeit untersuchte ich das Vorkommen und die Funktion der C-myc Gene des Medakas. Ich konnte zwei Genkopien identifizieren, c-myc17 und c-myc20, welche auf unterschiedlichen Chromosomen lokalisiert sind. Ich konnte induzierbare, stabil transgene Linien herstellen, welche ein Fusionsprotein aus C-myc17 und der Hormonbindungsdomäne des Östrogenrezeptors von Maus exprimiert. Diese Linie ermöglichte eine induzierbare Aktivität des Transgens. Vergleichbar zum menschlichen MYC ist C-myc17 fähig, nach Aktivierung Proliferation und Apoptose in vivo auszulösen. Dauerhafte Aktivierung über einen längeren Zeitraum führt in diesen Linien zu Hyperplasie in Leber. Die verschiedenen Fischmodelle, die während dieser Arbeit generiert wurden, werden essentiell sein, um neue Einsichten in die Rolle diese Faktoren während der Krebsentwicklung in vivo zu erlangen. Weiterhin ermöglichen diese transgenen Linien durch einfaches Auskreuzen auf Xmrk Linien, deren Einfluss auf die Verbreitung von Melanomen zu untersuchen. Letztendlich sind mit diesen Linien auch Untersuchungen der Entwicklung von Pigmentzellen über Zeit möglich, da die Embryonen transparent sind und sich für chemisches Hochdurchsatz-Screening eignen.
KW  - Japankärpfling
KW  - Melanom
KW  - Myc
KW  - Molekulargenetik
KW  - melanoma
KW  - medaka
KW  - BRAF
KW  - Stat5
KW  - c-myc
KW  - melanoma
KW  - medaka
KW  - BRAF
KW  - Stat5
KW  - c-myc
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-70762
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kubisch, Alexander
T1  - Range border formation in the light of dispersal evolution
T1  - Die Ausbildung von Verbreitungsgrenzen unter Berücksichtigung der Evolution des Ausbreitungsverhaltens
N2  - Understanding the emergence of species' ranges is one of the most fundamental challenges in ecology. Early on, geographical barriers were identified as obvious natural constraints to the spread of species. However, many range borders occur along gradually changing landscapes, where no sharp barriers are obvious. Mechanistic explanations for this seeming contradiction incorporate environmental gradients that either affect the spatio-temporal variability of conditions or the increasing fragmentation of habitat. Additionally, biological mechanisms like Allee effects (i.e. decreased growth rates at low population sizes or densities), condition-dependent dispersal, and biological interactions with other species have been shown to severely affect the location of range margins. The role of dispersal has been in the focus of many studies dealing with range border formation. Dispersal is known to be highly plastic and evolvable, even over short ecological time-scales. However, only few studies concentrated on the impact of evolving dispersal on range dynamics. This thesis aims at filling this gap. I study the influence of evolving dispersal rates on the persistence of spatially structured populations in environmental gradients and its consequences for the establishment of range borders. More specially I investigate scenarios of range formation in equilibrium, periods of range expansion, and range shifts under global climate change ...
N2  - Die Frage nach den Ursachen für die Ausbildung von Verbreitungsgrenzen ist ein zentrales Thema ökologischer Forschung. Dabei wurde die Bedeutung geographischer Barrieren als natürliche Grenzen der Ausbreitung von Populationen früh erkannt. Jedoch findet man oft auch in sich graduell ändernden Landschaften, in denen keine Barrieren zu finden sind, sehr scharfe Verbreitungsgrenzen. Mechanistische Erklärungen hierfür unterscheiden zwischen solchen Umweltgradienten, welche entweder die Variabilität der biotischen und abiotischen Umgebung in Raum und Zeit oder die Fragmentierung von Habitat beeinflussen. Dabei wird die spezifische Lage der Verbreitungsgrenze von weiteren Mechanismen beeinflusst, wie Allee-Effekten (d.h. verringerte Wachstumsraten bei kleiner Populationsgröße oder -dichte), zustands- bzw. kontextabhängigem Dispersal und biologischen Interaktionen. Dispersal, das heißt Ausbreitung im Raum mit potentiellen Konsequenzen für den Genaustausch zwischen Populationen, stand im Fokus vieler Studien, die sich mit der Ausbildung von Verbreitungsgrenzen beschäftigt haben. Es ist bekannt, dass das Ausbreitungsverhalten von Populationen sehr variabel ist und selbst innerhalb kurzer Zeit evolvieren kann. Trotzdem haben sich erst wenige Studien mit den Folgen der Evolution des Ausbreitungsverhaltens für biogeographische Muster befasst. Die vorliegende Dissertation verfolgt das Ziel, diese Lücke zu füllen. Ich untersuche den Einfluss evolvierender Emigrationsraten auf das Überleben von räumlich strukturierten Populationen, sowie dessen Konsequenzen für die Etablierung und Dynamik von Verbreitungsgebieten. Dafür ziehe ich verschiedene Szenarien heran. Diese bilden die Verbreitung von Arten im Gleichgewicht, während Phasen der Expansion des Verbreitungsgebietes, sowie im Kontext des globalen Klimawandels ab ...
KW  - Areal
KW  - Verhalten
KW  - Evolution
KW  - Simulation
KW  - Verbreitungsgrenzen
KW  - Ausbreitung
KW  - Invasion
KW  - range formation
KW  - dispersal
KW  - evolution
KW  - individual-based simulation
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-70639
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schriefer, Eva-Maria
T1  - Molekulare und biochemische Charakterisierung der β-Laktamasen von Yersinia enterocolitica und deren Sekretionsverhalten
T1  - Molecular and biochemical characterization of β-lactamases in Yersinia enterocolitica and their secretion behaviour
N2  - In dieser Arbeit wurden zwei Aspekte der Yersinia β-Laktamasen bearbeitet: (1) Charakterisierung der β-Laktamasen hinsichtlich β-Laktam-Antibiotikaresistenz, Sekretion und Thermostabilität. (2) Untersuchung der Sekretionsfähigkeit von verschiedenen thermostabilen β Laktamasen über das Yersinia T3SS. Im ersten Teil wurden β Laktamase-Deletionsmutanten im Y. enterocolitica Serotyp O:8 Stamm WA-314 hergestellt, um den Einfluss der chromosomalen β Laktamasen auf die in vitro-Resistenz zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass WA-314 konstitutiv BlaA produziert und BlaA somit – unter nicht-induzierbaren Bedingungen – der dominante Faktor in der in vitro-Resistenz gegenüber Penicillinen mit erweitertem Wirkungsspektrum (z.B. Ampicillin) und Cephalosporinen der 1. Generation (z.B. Cefazolin) ist. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die zweite chromosomale β Laktamase AmpC (BlaB) unter Zugabe von subinhibitorischen Konzentrationen von Imipenem stark induziert wird. Keine der β Laktamasen ist in der Lage, in vitro-Resistenz gegenüber Carbapenemen und Monobactamen zu vermitteln. Die Konstruktion und Bestimmung der in vitro Antibiotika-Empfindlichkeit der β Laktamase-Deletionsmutanten dient als Grundlage für nachfolgende Untersuchungen im Mausinfektionsmodell. Weiterhin wurden die Transporteigenschaften beider β Laktamasen untersucht. In Gram-negativen Bakterien sind reife β Laktamasen im Periplasma lokalisiert und müssen somit nach der Synthese im Cytosol über die Cytoplasmamembran transportiert werden. Bis auf drei Ausnahmen (β Laktamasen aus Mycobacterium smegmatis, M. tuberculosis und Stenotrophomonas maltophila) sind bisher nur Sec-abhängige β Laktamasen beschrieben worden. Mittels Fusionsproteinen bestehend aus β Laktamase-Signalpeptiden und GFP konnte in dieser Arbeit eindeutig gezeigt werden, dass es sich bei Yersinia BlaA um ein Tat-Substrat handelt, bei Yersinia AmpC hingegen um ein Sec-Substrat. Somit konnte im Rahmen dieser Arbeit zum ersten Mal eine Tat-abhängige β Laktamase bei einer Bakterienart aus der Familie der Enterobacteriaceae nachgewiesen werden. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die β Laktamase BlaA nicht diffus im Periplasma, sondern auf bestimmte Bereiche im Periplasma lokalisiert verteilt ist. Allerdings konnte die Art der Lokalisierung bisher nicht genau spezifiziert werden. Die cytosolische Faltung und die Tat-abhängige Translokation von BlaA lassen vermuten, dass eine besondere Thermostabilität von BlaA vorliegt. Deshalb wurde das BlaA-Enzym hinsichtlich seiner Thermostabilität und temperaturabhängigen enzymatischen Aktivität untersucht. Im Vergleich zur E. coli β Laktamase TEM-1 und der hitzestabilen TEM-1-Variante MEGA zeigte BlaA eine erhöhte Thermostabilität und einen starken Anstieg der Aktivität in einem Temperaturbereich zwischen 30 °C und 45 °C. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde geprüft, ob die charakterisierten Yersinia β Laktamasen als Reporterkonstrukte zur Untersuchung des Typ III Sekretionssystems (T3SS) geeignet sind. Y. enterocolitica besitzt ein pYV Virulenzplasmid, auf dem der vollständige Satz der Gene für das Ysc-T3SS und die Effektor-Yops (Yersinia outer protein) lokalisiert sind. Injektion der Yops in eukaryotische Zielzellen ermöglicht das extrazelluläre Überleben der Yersinien im Wirtsorganismus. Bei YopE handelt es sich um ein gut charakterisiertes Effektor-Yop, dessen N Terminus fusioniert an den reifen Teil der β Laktamase TEM-1 bereits vielfach als Reporterkonstrukt eingesetzt wurde. Unter Verwendung des fluoreszierenden β Laktamase-Substrats CCF4-AM kann die Translokation von YopEi-TEM-1 in Zielzellen in Zellkultur-Experimenten und im Mausinfektionsmodell visualisiert werden. In dieser Arbeit sollte deshalb die T3SS-Sekretionsfähigkeit von YopE-β Laktamase-Fusionsproteinen in Abhängigkeit von der „Schmelztemperatur“ (temperaturabhängige Stabilität, TM) untersucht werden. Yop-Substrate werden im ungefalteten Zustand (YscN wirkt dabei vermutlich als ATP-abhängige „Unfoldase“) über das Ysc-„Injektisom“ transloziert. YopEi-TEM-1 wird effizient sekretiert und transloziert (TM (TEM-1) = 50,8 °C). YopE-Fusionsproteine mit thermostabilen TEM-1 Varianten, YopEi-RLT bzw. YopEi-MEGA (TM (RLT) = 60,4 °C; TM (MEGA) = 69,2 °C) werden hingegen nur schwach bzw. nicht sekretiert. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Sec-abhängige β Laktamase AmpC als YopE-Fusionsprotein (YopEi-AmpC) effizient T3SS-abhängig sekretiert und transloziert werden kann; das native Tat-Substrat BlaA (YopEi-BlaA) kann jedoch weder sekretiert noch transloziert wird. Eine mögliche Erklärung wäre, dass die ATPase YscN nicht in der Lage ist, BlaA und die thermostabilen TEM-1-Varianten zu entfalten und über das T3SS zu sekretieren und zu translozieren. RLT und MEGA können hingegen mithilfe ihrer nativen Signalsequenz über das Sec-System (und somit im ungefalteten Zustand) transloziert werden.
N2  - In this work, two aspects concerning the Yersinia β lactamases have been processed: (1) Characterization of the β lactamases in regard of β lactam antibiotic resistance, secretion and thermostability. (2) Analysis of the secretability of different thermostable β lactamases via the Yersinia T3SS. In the first part of this work we described the β lactam sensitivity pattern of the highly mouse pathogenic Y. enterocolitica strain WA 314 by creating a set of β lactamase deletion mutants and their subsequent characterization in vitro. In accordance to previous studies on biovar 1B, serovar O:8 strains, WA 314 produces both enzymes BlaA and AmpC (BlaB) and latter one is inducible using subinhibitory concentrations of imipenem. BlaA is dominant in providing in vitro-resistance towards extended-spectrum β lactams (e.g. ampicillin) and 1st generation cephalosporins (e.g. cefazolin). None of the β lactamases is able to mediate in vitro-resistance towards carbapenems and monobactams. The construction of β lactamase deletion mutants and their in vitro-characterization is the basis for their subsequent analysis within a murine infection model. Furthermore, we investigated the export mechanism of both β lactamases. In Gram-negative bacteria β lactamases are localized in the periplasmic space to be able to cleave the amide bond of the β lactam ring resulting in inactivation of the antibiotic. Proteins are translocated across the inner membrane either via the general secretory pathway (Sec system) or via the twin arginine pathway (Tat system). To date, only three β lactamases have been described as Tat-dependently translocated namely BlaC from Mycobacterium tuberculosis, BlaS from M. smegmatis and L2 from the plant pathogen Stenotrophomonas maltophila. In silico studies and experimental approaches lead to the assumption that the majority of β lactamases is translocated in a Sec-dependent manner. Analysis of β lactamase signal sequence-GFP fusion proteins revealed that Yersinia AmpC is a Sec-substrate whereas Yersinia BlaA is a Tat-substrate. Thus, BlaA of Y. enterocolitica is the first reported β lactamase within the family of Enterobacteriaceae which is secreted by the Tat system. Interestingly, closely related blaA genes are widely distributed within all Y. enterocolitica biovars and several environmental Yersinia species. It is generally accepted that Tat-dependent substrates rapidly fold in the cytoplasma. To compare the BlaA protein stability with that of the Sec-dependent β-lactamases of the TEM-1 family we determined thermal unfolding transitions and temperature dependent enzymatic activities. In contrast to TEM-1 β lactamase, BlaA shows an entire different activity profile with steep increase of activity in the temperature range of 30 °C to 45 °C and steep decrease between 50 °C to 60 °C. In the second part, the Yersinia β lactamases AmpC and BlaA characterized in this work were tested for suitablility as reporter constructs for analyzing the Ysc-T3SS. Y. enterocolitica harbors a pYV virulence plasmid which encodes genes for components of the Ysc-T3SS secretion machinery and the effector Yops (Yersinia outer protein). Injection of Yops into the eukaryotic host cell enables the extracellular survival of Yersinia within the host organism. YopE is a well described effector Yop and YopE-β lactamase (TEM-1) fusion proteins have been successfully applied to analyze translocation of YopE in cell culture experiments and in the murine mouse infection model by using the fluorescent β lactamase substrate CCF4-AM. In this work, we aimed to analyze the T3SS-dependent secretability of YopE-β-lactamase fusion proteins in dependency on the melting temperature (temperature dependent stability, TM). It has been described that Yop substrates are translocated in an unfolded conformation via the Ysc-“injectisom” (YscN has been discussed as an ATP-dependent unfoldase). YopEi-TEM-1 is efficiently secreted and translocated (TM (TEM-1) = 50.8 °C). However, YopE fusion proteins with heat stable TEM-1 variants, YopEi-RLT and YopEi-MEGA (TM (RLT) = 60.4 °C; TM (MEGA) = 69.2 °C), were weakly secreted or secretion is completely abolished, respectively. Furthermore we could show that a YopE fusion protein with the Sec-dependent β lactamase AmpC (YopEi-AmpC) is efficiently secreted and translocated via the T3SS. In contrast, the Tat-dependent β lactamase BlaA (YopEi-BlaA) can neither be secreted nor translocated T3SS-dependently. A putative explanation for that observation would be that the ATPase YscN is unable to unfold BlaA and the heat stable TEM-1 variants and therefore secretion and translocation is prevented. Interestingly, native RLT and MEGA β lactamases can be translocated in an unfolded conformation via the Sec system.
KW  - Yersinia enterocolitica
KW  - Lactamase <beta->
KW  - Typ III Sekretionssystem
KW  - Yersinia enterocolitica
KW  - beta-lactamase
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-69580
ER  -