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Funktionelle Expression von ChR2 in Pflanzen In der vorliegenden Arbeit konnte erstmalig die funktionelle Expression des licht-aktivierten Channelrhodopsin-2 aus Chlamydomonas reinhardtii in höheren Pflanzen gezeigt werden. Obwohl die erfolgreiche Transformation auf der Basis der Integration einer Expressionskassette für WT-ChR2 in Pflanzen genetisch nachgewiesen werden konnte, war ein funktioneller Nachweis nicht möglich. Demgegenüber war die funktio-nelle Expression aller getesteten ChR2-Mutanten im transienten Expressionsansatz er-folgreich und konnte schließlich auf der Basis der im Rahmen dieser Arbeit generierten Konstrukte auch für stabil transformierte Arabidopsis-Pflanzen bestätigt werden. ChR2 wurde in Arabidopsis-Protoplasten sowie Tabak-Epidermis- und Mesophyllzellen an der Plasmamembran lokalisiert, zeigte jedoch aufgrund der Überexpression eine starke Überladung des Endomembransystems. Elektrophysiologische Messungen mit Hilfe der Einstichtechnik belegten, dass ChR2 sowohl in Arabidopsis-Keimlingen als auch im Tabakmesophyll funktionell ist, wobei sich die erzeugten Blaulicht-vermittelten Depolarisationen weitaus erfolgreicher im Ta-baksystem darstellten. Alle eingesetzten ChR2-Mutanten waren funktionell und zeigten in Einstichmessungen mit Oozytendaten korrelierende Kinetiken. Die Mutante C128A wurde hinsichtlich der erzielten lichtinduzierten Membranpotentialdepolarisationen als effektivste ChR2-Variante identifiziert. Calcium-Messungen mit dem Reporterprotein Aequorin lieferten keinen Beweis für einen direkt durch ChR2-C128A vermittelten Calcium-Einstrom in Arabidopsis-Protoplasten. Jedoch konnte ein cytosolischer Calcium-Anstieg ca. 3min nach Blau-lichtapplikation beobachtet werden. Dies deutet darauf hin, dass die durch ChR2 vermittelten Membranpotentialänderungen zu einer Aktivierung endogener, Calcium-permeabler Ionenkanäle führen könnte. Für die ChR2-L132C Mutante konnte allerdings in ersten Messungen ein direkter Calcium-Anstieg nach Lichtgabe beobachtet werden. Transkriptionelle Änderungen aufgrund ChR2-basierter, elektrischer Signalmuster In RNA-Seq-Analysen mit transient transformierten Tabakblättern konnte die Bedeu-tung der Signalsignatur elektrischer bzw. Calcium-basierter Signale verifiziert werden: Die Applikation zweier in ihrer Form gänzlich unterschiedlicher elektrischer Signal-muster lieferte ein signifikant unterschiedlich reguliertes Set an Genen, wobei einige wenige durch beide Behandlungen induziert werden konnten. Langanhaltende Depolari-sationen regulierten deutlich mehr Gene und waren daher in ihrer Wirkung weitaus ef-fektiver als kurze, repetitive Depolarisationen. Die bioinformatische Analyse dieser Daten zeigte, dass die Nachahmung eines im Zuge der Pathogenantwort bekannten, langen Depolarisationspulses Gene der Flagellin-induzierten Signaltransduktion adressierte, während kurze, wiederkehrende Pulse mit gleichem Informationsgehalt diese nicht regulierten.
Background
Several intracellular acting bacterial protein toxins of the AB-type, which are known to enter cells by endocytosis, are shown to produce channels. This holds true for protective antigen (PA), the binding component of the tripartite anthrax-toxin of Bacillus anthracis. Evidence has been presented that translocation of the enzymatic components of anthrax-toxin across the endosomal membrane of target cells and channel formation by the heptameric/octameric \(PA_{63}\) binding/translocation component are related phenomena. Chloroquine and some 4-aminoquinolones, known as potent drugs against Plasmodium falciparium infection of humans, block efficiently the \(PA_{63}\)-channel in a dose dependent way.
Methodology/Principal Findings
Here we demonstrate that related positively charged heterocyclic azolopyridinium salts block the \(PA_{63}\)-channel in the µM range, when both, inhibitor and \(PA_{63}\) are added to the same side of the membrane, the cis-side, which corresponds to the lumen of acidified endosomal vesicles of target cells. Noise-analysis allowed the study of the kinetics of the plug formation by the heterocycles. In vivo experiments using J774A.1 macrophages demonstrated that the inhibitors of \(PA_{63}\)-channel function also efficiently block intoxication of the cells by the combination lethal factor and \(PA_{63}\) in the same concentration range as they block the channels in vitro.
Conclusions/Significance
These results strongly argue in favor of a transport of lethal factor through the \(PA_{63}\)-channel and suggest that the heterocycles used in this study could represent attractive candidates for development of novel therapeutic strategies against anthrax.
Corynebacterium jeikeium, a resident of human skin, is often associated with multidrug resistant nosocomial infections in immunodepressed patients. C. jeikeium K411 belongs to mycolic acid-containing actinomycetes, the mycolata and contains a channel-forming protein as judged from reconstitution experiments with artificial lipid bilayer experiments. The channel-forming protein was present in detergent treated cell walls and in extracts of whole cells using organic solvents. A gene coding for a 40 amino acid long polypeptide possibly responsible for the pore-forming activity was identified in the known genome of C. jeikeium by its similar chromosomal localization to known porH and porA genes of other Corynebacterium strains. The gene jk0268 was expressed in a porin deficient Corynebacterium glutamicum strain. For purification temporarily histidine-tailed or with a GST-tag at the N-terminus, the homogeneous protein caused channel-forming activity with an average conductance of 1.25 nS in 1M KCl identical to the channels formed by the detergent extracts. Zero-current membrane potential measurements of the voltage dependent channel implied selectivity for anions. This preference is according to single-channel analysis caused by some excess of cationic charges located in the channel lumen formed by oligomeric alpha-helical wheels. The channel has a suggested diameter of 1.4 nm as judged from the permeability of different sized hydrated anions using the Renkin correction factor. Surprisingly, the genome of C. jeikeium contained only one gene coding for a cell wall channel of the PorA/PorH type found in other Corynebacterium species. The possible evolutionary relationship between the heterooligomeric channels formed by certain Corynebacterium strains and the homooligomeric pore of C. jeikeium is discussed.