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Pf38 is a surface protein of the malarial parasite Plasmodium falciparum. In this study, we produced and purified recombinant Pf38 and a fusion protein composed of red fluorescent protein and Pf38 (RFP-Pf38) using a transient expression system in the plant Nicotiana benthamiana. To our knowledge, this is the first description of the production of recombinant Pf38. To verify the quality of the recombinant Pf38, plasma from semi-immune African donors was used to confirm specific binding to Pf38. ELISA measurements revealed that immune responses to Pf38 in this African subset were comparable to reactivities to AMA-1 and \(MSP1_{19}\). Pf38 and RFP-Pf38 were successfully used to immunise mice, although titres from these mice were low (on average 1:11.000 and 1:39.000, respectively). In immune fluorescence assays, the purified IgG fraction from the sera of immunised mice recognised Pf38 on the surface of schizonts, gametocytes, macrogametes and zygotes, but not sporozoites. Growth inhibition assays using \(\alpha Pf38\) antibodies demonstrated strong inhibition \((\geq 60 \% ) \) of the growth of blood-stage P. falciparum. The development of zygotes was also effectively inhibited by \(\alpha Pf38\) antibodies, as determined by the zygote development assay. Collectively, these results suggest that Pf38 is an interesting candidate for the development of a malaria vaccine.
Background: Searching the orthologs of a given protein or DNA sequence is one of the most important and most commonly used Bioinformatics methods in Biology. Programs like BLAST or the orthology search engine Inparanoid can be used to find orthologs when the similarity between two sequences is sufficiently high. They however fail when the level of conservation is low. The detection of remotely conserved proteins oftentimes involves sophisticated manual intervention that is difficult to automate.
Results: Here, we introduce morFeus, a search program to find remotely conserved orthologs. Based on relaxed sequence similarity searches, morFeus selects sequences based on the similarity of their alignments to the query, tests for orthology by iterative reciprocal BLAST searches and calculates a network score for the resulting network of orthologs that is a measure of orthology independent of the E-value. Detecting remotely conserved orthologs of a protein using morFeus thus requires no manual intervention. We demonstrate the performance of morFeus by comparing it to state-of-the-art orthology resources and methods. We provide an example of remotely conserved orthologs, which were experimentally shown to be functionally equivalent in the respective organisms and therefore meet the criteria of the orthology-function conjecture.
Conclusions: Based on our results, we conclude that morFeus is a powerful and specific search method for detecting remotely conserved orthologs.
Cyclin-dependent kinase-like kinases (CLKs) are dual specificity protein kinases that phosphorylate Serine/Arginine-rich (SR) proteins involved in pre-mRNA processing. Four CLKs, termed PfCLK-1-4, can be identified in the human malaria parasite Plasmodium falciparum, which show homology with the yeast SR protein kinase Sky1p. The four PfCLKs are present in the nucleus and cytoplasm of the asexual blood stages and of gametocytes, sexual precursor cells crucial for malaria parasite transmission from humans to mosquitoes. We identified three plasmodial SR proteins, PfSRSF12, PfSFRS4 and PfSF-1, which are predominantly present in the nucleus of blood stage trophozoites, PfSRSF12 and PfSF-1 are further detectable in the nucleus of gametocytes. We found that recombinantly expressed SR proteins comprising the Arginine/Serine (RS)-rich domains were phosphorylated by the four PfCLKs in in vitro kinase assays, while a recombinant PfSF-1 peptide lacking the RS-rich domain was not phosphorylated. Since it was hitherto not possible to knock-out the pfclk genes by conventional gene disruption, we aimed at chemical knock-outs for phenotype analysis. We identified five human CLK inhibitors, belonging to the oxo-beta-carbolines and aminopyrimidines, as well as the antiseptic chlorhexidine as PfCLK-targeting compounds. The six inhibitors block P. falciparum blood stage replication in the low micromolar to nanomolar range by preventing the trophozoite-to-schizont transformation. In addition, the inhibitors impair gametocyte maturation and gametogenesis in in vitro assays. The combined data show that the four PfCLKs are involved in phosphorylation of SR proteins with essential functions for the blood and sexual stages of the malaria parasite, thus pointing to the kinases as promising targets for antimalarial and transmission blocking drugs.
In dieser Arbeit wurde überprüft, inwieweit sich verschiedene Lagerungsbedingungen von Zähnen auf die Verwertbarkeit von DNA im Zahninneren zur Gewinnung eines genetischen Fingerabdrucks auswirken. Die Untersuchungen an frisch extrahierten Zähnen ließen erkennen, dass die in dieser Arbeit verwendeten Methoden und DNA-Kits für die weitere Analyse der den unterschiedlichen Bedingungen ausgesetzten Zähne geeignet sind. Asensible Zähne weisen bereits bei der Zahnextraktion Zeichen von Degradation auf. Dagegen ist der kariöse Zerstörungsgrad an sich noch kein Ausschlusskriterium. Bei wurzelkanalbehandelten Zähnen konnten nur Systeme mit sehr kurzen Amplifikationsprodukten typisiert werden. Sie waren für eine genetische Identifizierung kaum geeignet. Bei der Analyse im Erdreich vergrabener Zähne nahm die Anzahl der typisierbaren Systeme nach einem Vierteljahr Liegezeit kontinuierlich ab, bis schließlich nach einem Jahr nur noch vereinzelt kleine Systeme detektiert werden konnten. Ein anderes Bild zeigte sich bei den in Wasser gelagerten Zähnen. Bis zu einem halben Jahr nach Versuchsbeginn konnte eine Typisierung aller Systeme durchgeführt werden. Erst nach einem Jahr war die Degradation so weit vorangeschritten, dass große Systeme keine Typisierung mehr erlaubten. Bei Zähnen, die der Sonnenstrahlung einen Monat ausgesetzt waren, war es dagegen problemlos möglich, einen vollständigen genetischen Fingerabdruck zu erfassen. Nach drei Monaten konnten allerdings nur noch vereinzelt sehr kleine Systeme gewonnen werden. Nach einem halben Jahr ergab lediglich der TPOX-vs eine erfolgreiche Typisierung. UV-Strahlung kann Zahnschmelz und –dentin durchdringen und DNA in recht kurzer Zeit degradieren. Die Zähne aus dem Sektionsgut des Instituts für Rechtsmedizin Würzburg lieferten unterschiedliche Ergebnisse, sodass hierzu keine generelle Aussage gemacht werden kann. Bei der Behandlung der Zähne mit Hitze von 200 °C konnte die DNA nur begrenzte Zeit vor Degradation geschützt werden. Bereits nach einer halben Stunde waren große Teile der Multiplex-Kits nicht mehr für eine Typisierung verwertbar. Das STR-System SE33 konnte allerdings noch ermittelt werden. Die Entnahmen zu späteren Zeitpunkten (60 min, 90 min und 120 min) lieferten fast nur noch einzelne STRSysteme. Eine knapp 30-jährige trockene Lagerung von Zähnen in einem Schrank mit Schutz vor Sonneneinstrahlung schadete der DNA-Analysierbarkeit kaum. Ein vollständiger Ausfall aller Systeme musste bei den Zahnproben von der Ausgrabung in Katzwang verzeichnet werden. Die Zähne dieser 380 bis 550 Jahre alten Schädel lieferten kein auswertbares DNA-Material mehr. Ebenso konnte mit diesen Untersuchungsmethoden aus den 2300 bis 2800 Jahre alten Zähnen aus der Dietersberghöhle kein analysierbares DNA-Material gewonnen werden. Es zeigte sich, dass Lagerbedingungen einen entscheidenden Einfluss auf die DNA-Qualität ausüben. Als DNA-schädigende Einflüsse können neben Mikroorganismen und Feuchtigkeit insbesondere UV-Strahlung und Hitze gelten. Der Faktor Zeit spielt bei günstigen Lagerbedingungen eine untergeordnete Rolle.
In der vorliegenden Arbeit wurde der Versuch unternommen, eine Korrelation zwischen der Morphologie des Spurenmaterials Haar und der molekularbiologischen Untersuchung herzustellen. In der Rechtsmedizin waren Haare lange Zeit wegen der technisch schwierigen und zeitintensiven Untersuchungsmethoden eher von untergeordneter Bedeutung. Erst in den letzten Jahren wurden ausreichende wissenschaftliche Grundlagen geschaffen, um im Rahmen der forensischen Spurenkunde spezielle Fragestellungen anhand von molekularbiologischen Haaranalyseergebnissen mit größter Sicherheit zu beantworten. Humane Kopfhaut wurde aus der occipitalen Region entnommen. Nach ausgewählten Fixationen wurden die Gewebeschnitte mit der Hämatoxylin-Eosin- sowie der Methylgrün-Pyronin-Färbung behandelt. Morphologische Hinweise auf die Existenz von Cytoplasmastrukturen, die mit Nukleinsäuren assoziiert sein könnten, fanden sich nach abgeschlossener Keratinisierung ausschließlich im Bereich der Kutikula. Im Bereich des Markstranges oder anderen Abschnitten des Haares konnten nach den abgeschlossenen Keratinisierungsprozessen keine Strukturen gefunden werden, die auf das Vorhandensein von Nukleinsäuren schließen lassen. Des Weiteren wurden mit geeigneten Verfahren die Extraktion von DNA aus telogenen Haarwurzeln und Haarschäften durchgeführt. Mit der Chelex-100-Extraktionsmethode und der Kombination der anschließenden Reinigung der Extrakte mit Diatomeenerde, war der DNA-Nachweis in mehr als die Hälfte der untersuchten Haarwurzeln möglich. Die Phenol-Chloroform-Extraktionsmethode erlaubte einen erfolgreichen DNA-Nachweis in durchschnittlich 14,3 % der Fälle. Zur Typisierung der genomen DNA wurde die Polymerasen-Ketten-Reaktion (PCR) angewandt. Untersucht wurde dabei zwei in der forensischen Praxis gängige STR-Systeme, zum einen das auf Chromosom 5 lokalisierte System HumACTBP2 (SE33) zum anderen das auf Chromosom 12 gelegene System HumVWA. Zusätzlich wurde das Geschlechtsbestimmungssystem HumAMEL X/Y in die Untersuchung mit einbezogen. Die Ergebnisse lassen zukünftig auf ein gezieltes Vorgehen und die Anwendung spezieller Methoden für die Individualtypisierung am Spurenmaterial Haar hoffen. Da Keratinisierungsprozesse im wachsendem Haar wohl eine Schlüsselrolle über das Schicksal der Zellkerne und der darin enthaltenen Degenerationsgrad der DNA spielen, sollten sich zukünftige Untersuchungen in der Rechtsmedizin verstärkt dieser Thematik widmen.
Der DNA-analytischen Untersuchung von frischem und gelagertem Skelettmaterial kommt bei der Identifikation unbekannter Toter zunehmende Bedeutung zu, insbesondere in Fällen, in denen nur Skelettüberreste einer DNA-Analyse zur Verfügung stehen. Zur Aufklärung der praktischen Durchführbarkeit von Knochen-DNA-Typisierungen im rechtmedizinischen Laboralltag wurden 21 Knochenproben unterschiedlicher Liegezeit analysiert. 14 Knochenproben stammten aus Sektionsgut (Liegezeit von einer Stunde bis 41 Wochen), 7 Proben aus Skelett- bzw. Knochenfunden (geschätzte Liegezeit zwischen 10 und über 200 Jahren). Die DNA-Extraktion wurde mittels reversibler DNA-Bindung an einer Silica-Membran durchgeführt. Die Typisierung erfolgte im Rahmen eines Multiplex-PCR-Ansatzes unter Amplifizierung von neun STR-Loci und dem Amelogenin-Locus. Zusätzlich wurden drei besonders kurze, sog. vs-STRs bestimmt und exemplarisch für zwei Proben Bereiche des mt-Genoms sequenziert. Bei der Multiplex-Analyse ließ sich für 13 der 14 aus Sektionsgut gewonnenen Proben (93 %) ein komplettes, reproduzierbares Allelprofil gewinnen, an einer der Proben konnte nur eine molekulare Geschlechtszuordnung durchgeführt werden. Ebenso konnten alle drei vs-STR-Loci für 13 der 14 Proben reproduzierbar bestimmt werden; eine Probe war in einem der drei vs-STR-Loci typisierbar. Die sieben Proben aus Skelett- bzw. Knochenfunden waren bei der Multiplex-Analyse nicht reproduzierbar typisierbar, die Bestimmung der vs-STR-Loci führte im Fall der ältesten Probe zur Typisierung eines der drei Loci (TPOXvs). Bei zwei Proben, welche im Rahmen der nukleären DNA-Analyse kein reproduzierbares Ergebnis gebracht hatten, erfolgte die mt-DNA-Sequenzierung eines jeweils 234, bzw. 194 Nukleotide langen Segmentes der HV1-Region des mitochondrialen Genoms. Umwelteinflüsse und Lagerungsbedingungen haben mehr Einfluss auf den Erhaltungszustand der DNA in Knochenmaterial, als der Faktor Zeit. Die Analyse und Typisierung von Knochen-DNA hat sich als wichtiges Verfahren zur Identifizierung im rechtsmedizinischen Alltag etabliert, die unverändert unbefriedigenden Typisierungsergebnisse bei der Analyse älteren Knochenmaterials unterstreichen jedoch die Notwendigkeit der Weiterentwicklung zuverlässiger und effektiver Extraktions- und Aufreinigungsverfahren.
Legionella pneumophila wurde 1976 als Erreger der Legionellose, einer schweren Form von Lungenentzündung, identifiziert. Die inzwischen 42 Arten umfassende Gattung ist weltweit in aquatischen Biotopen verbreitet. Die Bakterien leben vergesellschaftet mit anderen Mikroorganismen in Biofilmen oder intrazellulär in Protozoen. Sie haben ein duales Wirtssystem, das heißt, sie sind in der Lage, sich sowohl in Einzellern als auch in humanen Phagozyten zu vermehren. Für die Erweiterung ihrer Habitate spielen verschiedene Umweltfaktoren eine Rolle. Eine exakte und schnelle Detektion und Identifikation der humanpathogenen Keime ist sowohl für die Lokalisierung der Infektionsquelle als auch für eine rechtzeitige Therapie der Patienten von großer Bedeutung. Die Technik der fluoreszierenden in situ Hybridisierung (FISH) basiert auf der Bindung einer spezifischen, mit einem Fluoreszenzfarbstoff markierten Oligonukleotidsonde an eine komplementäre Zielsequenz der ribosomalen RNA. In der vorliegenden Arbeit wurde für die in situ Hybridisierung eine neue 16S rRNA-gerichtete Sonde LEGPNE1 entwickelt, die spezifisch ist für L. pneumophila. In Versuchsreihen mit verschiedenen Bakterienkulturen wurden die Spezifität und Sensitivität der Gensonde ermittelt. LEGPNE1 erwies sich als artspezifisch und erkannte alle getesteten L. pneumophila-Stämme, ungeachtet ihrer Serogruppe. Nicht-pneumophila-Referenzstämme hybridisierten nicht mit der Sonde, ein einziger Basenaus-tausch in der Sequenz war für diese Unterscheidung ausreichend. Die Anwendung der Sonde wurde auch in Amöben-Infektionsassays und Umweltproben erfolgreich durchgeführt. Unterschiedliche, intrazellulär vorliegende Bakterien wurden von der Sonde spezifisch erkannt. Eine in situ Dokumentation der Infektions- und Vermehrungsrate war damit möglich. Durch die meist fakultativ intrazelluläre Lebensweise der Legionellen ist es wichtig, auch die Wirtszellen der Keime qualitativ zu detektieren und zu identifizieren. Die Entwicklung neuer Gensonden wurde daher auf die beiden bekannten Wirtsamöben Hartmannella und Naegleria ausgedehnt. Basierend auf Sequenzvergleichen wurden die gattungsspezifischen 18S rRNA-gerichteten Sonden HART498 und NAEG1088 konstruiert und in Versuchsreihen mit Referenzstämmen bei steigender Stringenz etabliert. Mit ihrer Hilfe konnten die Ergebnisse der zeit- und arbeitsaufwendigen Determination unbekannter Amöben anhand morphologischer Merkmale bestätigt werden. In situ Hybridisierungen mit einer Kombination von 16S und 18S rRNA-gerichteten Sonden wurden in Amöben-Infektionsassays mit Hartmannella vermiformis und L. pneumophila erfolgreich durchgeführt. Eine Interferenz der Sonden fand nicht statt. Die in situ Untersuchung der Struktur und Funktion komplexer mikrobieller Lebensgemeinschaften erfordert eine kultivierungsunabhängige und hochauflösende Methode, wie sie die fluoreszierende in situ Hybridisierung darstellt. Mit dem Ziel, mögliche Präferenzen der Legionellen für bestimmte Parameter, wie pH, Temperatur, elektrische Leitfähigkeit, Strömungsverhältnisse, zu erkennen und zu definieren, wurden mit Hilfe der neu entwickelten 16S rRNA-gerichteten Sonde 21 verschiedene Kaltwasserhabitate auf die Verbreitung von Legionella untersucht. Die Bakterien zeigten jedoch ein breites Toleranzspektrum gegenüber den gemessenen Parametern. Sie waren in nahezu allen beprobten Gewässern zu finden und ließen sich unabhängig von der Jahreszeit nachweisen. Die neue Sonde LEGPNE1 zeigte sich in in situ Hybridisierungen der Umweltproben als hochspezifisch. Mit ihr konnten auch nicht kultivierbare Legionellen detektiert werden. In drei Legionella-positiven Gewässern wurde außerdem das Vorkommen von Amöben untersucht. Es konnten insgesamt acht Amöbengattungen isoliert, kultiviert und bestimmt werden. Dominierend waren Stämme des nicht humanpathogenen Naegleria gruberi-Komplexes, Echinamoeba spp. und Echinamoeba-like Amöben. In einzelnen Proben wurden Acanthamoeba spp. Gruppe II, Hartmannella spp., Platyamoeba placida, Saccamoeba spp., Thecamoeba quadrilineata und Vexillifera spp. gefunden. Durch in situ Hybridisierung mit den neuen 18S rRNA-gerichteten Sonden HART498 und NAEG1088 konnten die Ergebnisse der morphologischen Bestimmung der Amöben bestätigt werden. Auch die Amöben zeigten keine Präferenzen bezüglich der in den Standorten gemessenen Wasserparameter. Die in situ Hybridisierung mit rRNA-gerichteten Gensonden erlaubt eine Analyse der Struktur und Dynamik von Biozönosen, ermöglicht aber keine Aussage über die speziellen Aktivitäten der nachgewiesenen Bakterien. Eine Lösung hierfür könnte der spezifische in situ Nachweis von mRNA-Molekülen darstellen. Ein Problem hierbei stellt ihre, im Vergleich zu anderen Molekülen wie rRNA, sehr kurze Halbwertszeit und das Vorhandensein von nur wenigen Kopien pro Zelle dar. Daher ist im Anschluss an die in situ Hybridisierung in den meisten Fällen eine Signalamplifikation nötig, um ein detektierbares Signal zu erhalten. In dieser Arbeit sollte die für das iap-Gen in Listeria monocytogenes entwickelte Methode zum Nachweis der mip-mRNA in L. pneumophila etabliert werden. Erste Anwendungen in Dot blot- und in situ Hybridisierungen mit mehrfach DIG-markierten Polyribonukleotidsonden bzw. mit simultan eingesetzten, einfach DIG-markierten Oligonukleotiden zeigten noch nicht die gewünschte Spezifität. Diese Ergebnisse stellen jedoch eine wichtige Grundlage für zukünftige Experimente dar.