Melisa Merdanovic

• I Zusammenfassung Haemophilus influenzae, ein Gram-negatives, Bakterium der Familie Pasteurellaceae, kann beim Menschen eine Vielzahl an Erkrankungen auslösen: Die bekapselte Stämme, v. a. mit Typ b Kapsel können Cellulitis, septische Arthritis, Epiglottitis und Meningitis verursachen. Die nicht-bekapselte Stämme können Otitis media, Sinusitis, Pneumonie und in selteneren Fällen Bakterämie verursachen. Ein besonderes Merkmal des Metabolismus von H. influenzae ist dessen Unfähigkeit Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid (NAD+) de novo zuI Zusammenfassung Haemophilus influenzae, ein Gram-negatives, Bakterium der Familie Pasteurellaceae, kann beim Menschen eine Vielzahl an Erkrankungen auslösen: Die bekapselte Stämme, v. a. mit Typ b Kapsel können Cellulitis, septische Arthritis, Epiglottitis und Meningitis verursachen. Die nicht-bekapselte Stämme können Otitis media, Sinusitis, Pneumonie und in selteneren Fällen Bakterämie verursachen. Ein besonderes Merkmal des Metabolismus von H. influenzae ist dessen Unfähigkeit Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid (NAD+) de novo zu synthetisieren. Daher sind die Enzyme bzw. Transporter, die an NAD+ Aufnahme und Resynthese beteiligt sind, als putative antimikrobielle Ziele von Interesse. In unserer Arbeitsgruppe konnte gezeigt werden, dass NAD+ zu Nikotinamidribosyl degradiert werden muss, bevor es in die Zelle aufgenommen werden kann. Auch Proteine, die an der Degradation des exogenen NAD+ zu Nikotinamidribosyl und dessen anschließender Aufnahme in die Zelle verantwortlich sind, konnten identifiziert und charakterisiert werden. Wie Nikotinamidribosyl im Cytoplasma wiederum zu NAD+ synthetisiert wird, ist auch erst kürzlich geklärt worden: für NadR konnte sowohl eine Ribosyl-Nukleotid-Kinase (RNK) Aktivität als auch eine Nikotinamid-Mononukleotid-Adenylyltransferase (NMNAT) Aktivität in vitro gezeigt werden. Die Kristallstruktur von hiNadR im Komplex mit NAD+ wurde auch aufgeklärt. In dieser Arbeit sollte NadR, insbesondere dessen RNK Domäne, in vivo und in vitro näher charakterisiert werden. Um zu untersuchen, ob beide Domänen in vivo essentiell sind, wurden Deletionsmutanten erzeugt, bei welchen die komplette bzw. der C-terminale Teil der RNK Domäne fehlten. Diese Deletionen konnten im nadV+ Hintergrund erzeugt werden. Die Deletionen konnten in H. influenzae nur zusammen mit dem nadV-Gen transferiert werden oder alternativ nur in die Zellen, die mit pNadRKan Plasmid transformiert wurden. Dies verdeutlicht, dass nicht nur die NMNAT Domäne sondern auch die RNK Domäne bzw. sogar nur wenige C-terminal fehlende Aminosäuren des NadR Proteins essentiell für die Lebensfähigkeit von H. influenzae sind. Gleichzeitig zeigen diese Experimente, dass die RNK-Domäne in Anwesenheit von NadV redundant ist. Ein weiterer Phänotyp der RNK-Deletionsmutante zeigte sich beim Nikotinamidribosyl-Transport. Im Gegensatz zum Wt, welcher ca. 60-80% des 14C-Nikotinamidribosyls aufnahm, konnte für die RNK-Deletionsmutante nur 2-5% Aufnahme gemessen werden. Dies konnte durch das pNadRKan Plasmid komplementiert werden. Weiterhin wurde festgestellt, dass spontan Aminopyridin-resistente H. influenzae Zellen Mutationen im nadR Gen haben, insbesondere im Walker A-Motif (P-Loop) der RNK Domäne. Zusätzlich konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass NadR aus Aminopyridin und ATP Aminopyridin-Adenin-Dinukleotid synthetisieren kann. Somit konnte gezeigt werden, dass die wachstumshemmende Wirkung eigentlich durch das aus Aminopyridin synthetisierte Aminopyridin-Adenin-Dinukleotid entsteht, welches NAD+ in Redox-Reaktionen verdrängt, wodurch es letztendlich zum Stillstand des Metabolimus kommt. Durch Einführen von gezielten AS-Substitutionen im Walker A und B Motif und in der LID-Domäne von NadR, konnten einige Aminosäuren identifiziert werden, welche essentiell für die Aktivität der RNK Domäne sind. Alle Aminosäuren-Substitutionen führten zum Verlust der RNK Aktivität, die NMNAT Aktivität jedoch war nicht beeinträchtigt. Desweiteren wurden diese NadR Punktmutanten in vivo untersucht. Für alle konnte eine signifikante Defizienz in der Nikotinamidribosyl-Aufnahme beobachtet werden, die gemessene Aufnahme lag im Bereich der RNK-Deletionsmutante. Dadurch konnte eine direkte Korrelation zwischen der RNK Aktivität und der Nikotinamidribosyl-Aufnahme gezeigt werden. In weiteren in vitro Experimenten konnte für NadR eine Feedback-Inhibition durch das NAD+ gezeigt werden, wobei NAD+ in erster Linie die RNK Domäne von NadR inhibiert. Eine graduelle Erhöhung der NAD+ Konzentration führte in den in vitro Assays zu einer graduellen Abnahme der RNK. Bei der NMNAT Aktivität jedoch zeigte sich keine signifikante Inhibition in Anwesenheit von NAD+. Begleitende in vivo Experimente, zeigten eine 2/3 Reduktion der Nikotinamidribosyl-Aufnahme bei den Zellen, die mit NAD+ inkubiert wurden, d. h. höhere intrazelluläre NAD+ Konzentration hatten. Für die genauere Analyse der Feedback-Inhibition durch NAD+ wurden weitere Punktmutanen hergestellt. Bei zwei der Punktmutanten wurde eine Beeinträchtigung der NadR-Aktivität beobachtet, daher wurden diese Punktmutanten von weiteren Analysen im Bezug auf NAD+-Feedback Inhibition ausgeschlossen. Eine Mutante (NadRW256F) jedoch, zeigte ähnliche Aktivität wie das Wt-NadR. In Anwesenheit von NAD+ wurde die RNK Aktivität dieser Punktmutante, im Gegensatz zum Wt-Protein, kaum gehemmt. Dadurch konnte W256 als eine der Aminosäuren identifiziert werden, die an der Vermittlung der NAD+-bedingten Inhibition der RNK-Domäne beteiligt ist.…
• I Summary Haemophilus influenzae, a gram-negative human pathogen belonging to a family of Pasteurellaceae is a causative agent of several distinct diseases. Whereas capsulated strains, particulary those with tybe b capsule can cause severe invasive infections such as cellulitis, septic arthrithis, epiglottitis and meningitis, non-capsulated strains generally tend to cause localized disease including otitis media, sinusitis, pneumonia and in rare cases bacteremia. The inability to synthesize NAD+ de novo is one of the hallmarks of H. influenzaeI Summary Haemophilus influenzae, a gram-negative human pathogen belonging to a family of Pasteurellaceae is a causative agent of several distinct diseases. Whereas capsulated strains, particulary those with tybe b capsule can cause severe invasive infections such as cellulitis, septic arthrithis, epiglottitis and meningitis, non-capsulated strains generally tend to cause localized disease including otitis media, sinusitis, pneumonia and in rare cases bacteremia. The inability to synthesize NAD+ de novo is one of the hallmarks of H. influenzae metabolism, therefore proteins involved in NAD+ uptake and utilization respresent interesting putative targets for development of novel antimicrobial treatment. In our lab we were able to show, that prior to uptake, NAD+ has to be degraded to NR. Several proteins involved in NAD+ degradation and NR uptake were identified and characterized: OmpP2 (an outer-membrane porin), e(P4) (a membrane-bound acid phosphoesterase), NadN (a periplasmatic nucleotidase) and PnuC (a nicotinamidribosyl transporter localized in inner membrane). Enzyme responsible for resynthesis of nicotinamidribosyl to NAD+ was recently found to be NadR: A bifunctional protein containing a nicotinamidribosyl kinase (RNK) and a nicotinamid mononucleotide adenylyltransferase (NMNAT) activity, both of which were confirmed in vitro. Also, the crystal structure of NadR complexed with NAD+ was recently resolved. The aim of this work was to characterize the in vivo function of NadR, particular interest was laid on the characterization of the nicotinamidribosyl kinase domain. To test if both domains of NadR are essential for survival, deletion mutants lacking the entire RNK domain and the C-terminal 58 amino acids were constructed. Initially, these mutants were made in a H. influenzae strain which contains a chromosomal copy of H. ducreyi nadV gene. In following transformation experiments, transfer of the RNK deletion mutants to H. influenzae strain was always accompanied with an nadV transfer as well. Only in strain containing pNadRKan plasmid, no nadV transfer along with RNK-deletions took place. Indirectly, this shows that not only the entire RNK domain is essential for H. influenzae, but also the last 58 amino acids as well. It also shows that in presence of NadV the RNK domain is redundant. RNK deletion mutant displayed a significant deficiency in nicotinamidribosyl transport as well: whereas the Wt strain can accumulate up to 80% of 14C labeled nicotinamidribosyl, RNK mutant is able to accumulate only 2-5%. Introduction of pNadRKan plasmid to RNK mutant restored transport efficiency to Wt level. Studies using spontanous 3-aminopyridine (3-AmPR) resistant H. influenzae isolates, revealed that almost all 3-AmPR resistant isolates have mutations in the nadR gene. A clustering of mutations in Walker A motif of the RNK domain could be observed. Further studies represented in this work, show that 3-AmPR can act as a subtrate for NadR, therefore in ATP consuming reactions aminopyridine-adenindinucleotide can be synthesized. Intracellular aminopyridine-adenindinucleotide replaces NAD+ in redox reactions, which ultimately leads to inhibition of cell metabolism, thereby explaining the mechanism of 3-AmPR based growth inhibition. Using site-directed mutagenesis to introduce amino acid substitutions in distinct parts of the NadR-RNK domain, active sites of the RNK domain were revealed and amino acids essential for the RNK activity were identified. These defined amino acid exchanges resulted in loss of the RNK activity in vitro, but had no effect on the NMNAT activity, which remained intact in these mutant variants of NadR. Following in vivo studies revealed that all mutant NadR proteins caused a severe nicotinamidribosyl uptake deficiency, similar to the one observed in the RNK deletion mutant. Therefore, a direct correlation between the RNK activity and nicotinamidribosyl uptake was shown. Further in vitro studies revealed a feedback inhibition of NadR by NAD+, especially for the RNK domain. In case of RNK domain a gradual increase of NAD+ concentration led to gradual decrease in RNK activity. In contrast, for NMNAT domain no significant inhibition in the presence of NAD+ was observed. Also, in in vivo experiments a 3 fold reduction of nicotinamidribosyl uptake rate was observed when intracellular NAD+ concentrations were higher. To adress the mechanism of NAD+ feedback inhibition, once again, distinct amino acid exchanges were introduced. In vitro, two of the mutant proteins were impaired in their activity, especially if lower protein contrations were used. Therefore, further test concerning inhibtion were not preformed with these mutants. However, a W256F protein displayed activity similar to that of the native protein and furthermore was not inhibited in presence of NAD+. This indicates an involvement of the amino acid W256 in mediating the NAD+ dependent feedback inhibition on NadR activity.…