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Desoxyribonuklerinsäure (DNA), die Erbinformation, definiert die Struktur und Funktion jeder Zelle. In Eukaryoten ist sie um Oktamere aus den Histonen H2A, H2B, H3 und H4 gewunden. Sie bilden mit der DNA höhere Strukturen, das sog. Chromatin. Die Struktur des Chromatins beeinflusst direkt die Aktivität der gebundenen DNA. Eukaryoten besitzen daher viele molekulare Mechanismen zu ihrer Veränderung, z.B. posttranslationale Modifizierungen (PTMs) von Histonproteinen oder den Austausch von kanonischen Histonen mit Histonvarianten (z.B. H3.1, H3.2, H3.3, u.a.). Für einige Varianten sind ihnen eigene, charakteristische PTMs beschrieben, z.B. die Phosphorylierung des Serins 31 der Variante H3.3 (H3.3S31ph). Die Histone Code Hypothesis postuliert, dass PTMs von Histonen in festen Mustern vorliegen können. Die Switch Hypothesis beschreibt die Regulation von Bindemolekülen an Histone durch benachbarte PTMs. Auf ihrer Grundlage wurde die These der Doppelmodifizierung einer bekannten Trimethylierung der Aminosäure (AS) Lysin 79 mit einer mutmaßlichen Phosphorylierung der AS Threonin 80 auf Histon H3 aufgestellt (H3K79me3T80ph). Neben der Etablierung eines einfachen Systems zur Identifizierung bisher unbeschriebener Phosphorylierungen bestand ein zweites Ziel dieser Arbeit im Nachweis der Phosphorylierung von H3 Threonin 80 in vivo. Eine weitere Zielsetzung lag in der genaueren Charakterisierung der bereits beschriebenen Varianten-spezifischen PTM H3.3S31ph, deren Expression zwar eng umschrieben ist, über deren spezifische Funktionen, Kinase und mögliche Effektorproteine aber wenig bekannt ist. Um einen Überblick über Phosphorylierungen verschiedener Histonroteine zu gewinnen, wurden unterschiedliche Polyacrylamidgel-Elektrophoresen Verfahren (PAGE) etabliert. Zum Einsatz kamen A/U-, T/A/U- und 2D-T/A/U-PAGE Verfahren. Sie ermöglichten in Übereinstimmung mit der Literatur die Auftrennung bekannter PTM und stehen nun für weiterführende Studien zur Verfügung. Der massenspektrometrische Nachweis der putativen PTM H3K79me3T80ph in vivo gelang nicht. Trotz optimierter Versuchsbedingungen konnte die Phosphorylierung weder in der MALDI-ToF, noch in der Orbitrap MS/MS nachgewiesen werden. Initiale Antikörperdaten wurde aufgrund einer aufgedeckten Kreuzreaktivität in Frage gestellt. Obgleich nicht mit letzter Sicherheit gesagt werden kann, dass H3K79me3T80ph in vivo nicht existiert, wurde die These letztlich verworfen. Die molekularbiologische Untersuchung der Varianten-spezifischen PTM H3.3S31ph ergab bei verifizierter Überexpression und Chromatin-Integration punktmutierter Histone übereinstimmend Hinweise auf einen Effekt der PTM auf die Zellteilung. Es konnte gezeigt werden, dass Serin 31 bzw. ihre PTM H3.3S31ph sowohl Zellzyklus, als auch Wachstums- und Proliferationsgeschwindigkeiten von HeLa Zellen beeinflusst. Dies argumentiert für eine aktivierende Funktion von H3.3S31ph in der Mitose. Weiter konnten mithilfe eines ELISAs fünf potentielle Proteinkinasen für H3.3S31ph identifiziert werden. Vorrangig kommt dabei die nukleäre Kinase PIM1 in Betracht. Zur weiteren Untersuchung potentieller Effektorproteine wurde in vitro ein molekularbiologisches Modellsystem etabliert. Es steht nun für weiterführende Studien zur Verfügung. Erste Vorarbeiten konnten bereits zeigen, dass hier evtl. Interaktionen mit dem Linkerhiston H1 eine wichtige Rolle spielen.

Das Kalzium Signalnetzwerk ist ein wichtiger Übermittler von internen und externen Reizen in der Pflanze. Diese Signale werden unter anderem durch Calmodulin und calmodulin ähnlichen Proteine an verschiedene Effektorproteine weitergeleitet. AFG1L2 (AFG1 like Protein 2) wurde in dieser Arbeit als calmodulin bindendes Proteine aus der Familie der AAA+ Proteine (ATPasen associated with various cellular activities) identifiziert. Mit Hilfe von GFP Fusionskonstrukten konnte die in vivo Lokalisierung von AFG1L2 in Mitochondrien gezeigt werden, und die duale Lokalisierung des bereits zuvor beschriebenen Homologs AFG1L1 in Chloroplasten und Mitochondrien bestätigt werden. Die Bindung von Calmodulin erfolgt bei AFG1L2 kalziumabhängig und die Calmodulin Bindedomäne befindet sich homolog zu AFG1L1 nahe dem für die ATP Hydrolyse essenziellen Walker A Motiv in der AAA Domäne. Es konnte gezeigt werden, dass ADP die Interaktion von AFG1L2 und Calmodulin verstärkt. Das weist auf einen inhibierenden Effekt von Calmodulin hin, da die Nucleotid Bindetasche besetzt bleibt und keine erneute ATP Hydrolyse stattfinden kann. Neben den konservierten Motiven haben AAA+ Proteine die Bildung von Oligomeren, meist Hexameren gemeinsam. In der Regel ist der Komplex die hydrolytisch aktive Form. Es konnte gezeigt werden, dass AFG1L2 prinzipiell in der Lage ist Oligomere zu bilden, aber dass das Vorliegen als Komplex wahrscheinlich nicht für die Hydrolyse von ATP erforderlich ist. Um die Funktion von AFG1L1 und AFG1L2 in der Pflanze zu bestimmen, wurden afg1l1 und afg1l2 Mutanten untersucht. Diese zeigten aber unter den normalen Bedingungen keinen Phänotyp. Auch eine im Zuge dieser Arbeit generierte afg1l1/afg1l2 Doppel Mutante wies unter Standart-Bedingungen keine Beeinträchtigungen im Wachstum auf. Analysen der Expression der Proteine legen nahe, dass AFG1L1 und AFG1L2 unter Gewächshaus Bedingungen einander nicht substituieren. DNA Microarray Daten lassen jedoch auf eine Beteiligung von AFG1L1 an der Stress Toleranz gegen Salz und Hyper-Osmolarität schließen.

In dieser Arbeit sollte mittels eines in vitro-Systems die Wirkung des Yersinia-Effektorproteins YopT, einer Cysteinprotease, auf zelluläre Signalwege untersucht werden. Hierzu wurde rekombinant exprimiertes YopT, welches dieselbe biologische Aktivität aufwies wie Yersinia-transloziertes YopT, über die Coexpression mit seinem spezifischen Chaperon SycT in löslicher Form gereinigt. Mittels Interaktionsstudien wurde die Wirkung von YopT auf die RhoGTPasen RhoA, Rac1 und Cdc42 analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass RhoGTPasen, die im Komplex mit ihren zytosolischen Inhibitor RhoGDI vorliegen, als Target für YopT dienen. Dabei wird RhoA von YopT gebunden, proteolytisch modifiziert und anschließend entlassen. Als Folge der Modifikation wird der Komplex zwischen RhoA und RhoGDI getrennt. Rac1 und Cdc42 interagieren ebenfalls mit YopT. Es konnte jedoch keine Modifikation beider GTPasen durch YopT dargestellt werden. Stattdessen binden Cdc42 und Rac1 nach der Wechselwirkung mit YopT in erhöhtem Maße an RhoGDI. Zusätzlich werden die biochemischen Eigenschaften von RhoGDI durch die Wirkung von YopT verändert. RhoA wird durch den Einfluss der Cysteinprotease YopT inaktiviert und kann nicht mehr mit nachgeschalteten Effektoren interagieren. Rac1 und Cdc42 dagegen binden nach Interaktion mit YopT weiterhin in ihrem aktivierten Zustand an ihre Effektoren. Neben YopT ist ein weiteres Yersinia-Effektorprotein bekannt, das mit den RhoGTPasen RhoA und Rac1 interagiert: die Serin/Threonin-Kinase YopO. Hier konnte die Bindung beider GTPasen an YopO unabhängig von der Anwesenheit des Prenylrestes am CTerminus der GTPasen dargestellt werden. Auch als Komplex mit RhoGDI interagierten Rac1 und RhoA mit der Kinase YopO. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass durch die Translokation von YopO im Gegensatz zur Translokation von YopTC139S die drei GTPasen RhoA, Rac1 und Cdc42 zumindest vorübergehend aktiviert werden. In dieser Arbeit konnte außerdem die Kristallstruktur des Chaperons SycT aufgelöst werden. SycT bildet ein Dimer und weist im allgemeinen Ähnlichkeiten zur Struktur anderer Chaperone des Typ III Sekretions- und Translokationsapparates (TTSS) auf. Jedoch unterscheidet sich der Dimerisierungsbereich von SycT strukturell von dem der anderen TTSS-Chaperone. Außerdem konnte gezeigt werden, dass weniger SycT an das biologisch inaktive YopTC139S bindet, was auf eine Interaktion des Chaperons mit dem katalytischen Zentrum der Cysteinprotease YopT hinweist.

Die Pathogenität von Y. enterocolitica O:8 ist gekoppelt an das Vorhandensein des 70 kb großen Virulenzplasmides (pYV), das für die Gene eines Typ-III-Sekretionssystems kodiert und die Translokation von 6 Yop Effektorproteinen (YopE, YopH, YopM, YopO, YopP und YopT) in das Zytosol eukaryontischer Zellen ermöglicht. Intrazellulär interagieren Yop Proteine dabei mit verschiedenen Zellstrukturen und Signaltransduktionskaskaden, wodurch es zu einer Modulation der Immunantwort im Wirtsorganismus kommt. Durch systematische Mutagenese der yop-Gene und Untersuchung der yop Deletionsmutanten im Mausinfektionsmodell konnte in dieser Arbeit ein Einfluss der Yop Proteine auf die Virulenz und die Auslösung einer Immunantwort nachgewiesen werden. Die Translokation eines heterologen Antigens (YopE/LLO) durch das Typ-III-Sekretionssystem führte zur Induktion einer spezifischen CD4 und CD8 T-Zellantwort gegen Listeriolysin O (LLO) und ermöglichte die Verwendung von Y. enterocolitica als oralen Lebendimpfstoff zur Immunisierung gegen eine Listeria monocytogenes Wildtyp Infektion.

Diese Arbeit setzt sich mit den molekularen Mechanismen der Evolution von Virulenzfaktoren in Salmonella auseinander. Es wurde ein auf Sequenzvergleichen basierendes Verfahren eingesetzt, um neue lateral erworbene Elemente zu identifizieren, die möglicherweise Hinweise auf die Entwicklung von Virulenz und Wirtsspezifität innerhalb der Gattung Salmonella geben können. Mit Hilfe genetischer Analysen sollte darüber Aufschluss gewonnen werden, auf welche Weise diese genetischen Elemente in neue Wirtsgenome gelangen können. Des Weiteren wurde anhand der Salmonella Pathogenitätsinsel 2 (SPI2) nach möglichen Vehikeln und Transfermechanismen für den horizontalen Gentransfer gesucht. Es wurde analysiert, wie neu erworbene genetische Elemente in das regulatorische Netzwerk neuer Wirte integriert werden können und ob es Zusammenhänge zwischen der genetischen Ausstattung mit Virulenzmodulen und der Wirtsspezifität verschiedener Salmonella-Serotypen gibt. Dabei wurde festgestellt, dass einzelne Effektoren des SPI2-Virulons, die zum Teil außerhalb des SPI2-Locus im Genom kodiert sind, sehr heterogen innerhalb von Salmonella spp. verteilt sind. Diese Variabilität kann als Hinweis darauf gewertet werden, dass sich diese Faktoren nicht als ein initialer Komplex in der „Ur-Salmonella“ manifestiert haben, wie es im Invasions-Virulon von SPI1 der Fall ist. Vielmehr sind die SPI2-Effektoren vermutlich in mehreren Schritten im Laufe der Evolution in das Genom von Salmonella spp. gelangt und möglicherweise auch z.T. wieder deletiert worden. Die Bedeutung der Verteilung dieser Effektorproteine für die Virulenz und die Wirtsspezifität von Salmonella wird auch dadurch offensichtlich, dass S. bongori als Besiedler kaltblütiger Wirbeltiere keines dieser zum SPI2-Virulon gehörigen Gene besitzt, die im Zusammenspiel das intrazelluläre Replizieren innerhalb warmblütiger Wirbeltiere ermöglichen. Das Kernstück des SPI2-Virulons, das für das intrazelluläre Replizieren und die systemische Ausbreitung von S. enterica im Wirtsorganismus verantwortlich ist, konnte erfolgreich transferiert werden. Der Einbau des SPI2-TTSS im SPI2-negativen System von S. bongori ermöglichte die heterologe Expression von SPI2-abhängigen Genen und die Sekretion von SPI2-Effektorproteinen in vitro. Durch die Etablierung des SifA-Phänotyps und den Nachweis der intrazellulären Lokalisation von SseF konnte gezeigt werden, dass das transferierte SPI2-TTSS zur heterologen Translokation von SPI2-Effektorproteinen aus S. bongori in die eukaryontische Zielzelle in der Lage ist.

Salmonellosen gehören weltweit zu den drei häufigsten registrierten, lebensmittelbedingten bakteriellen Darmerkrankungen. Dabei sind bestimmte S. enterica-Subspezies-I-Serovare an einen speziellen Wirt adaptiert, andere Serovare zeigen hingegen ein breites Wirtsspektrum. Der Krankheitsverlauf einer Salmonellose wird aber auch von der Spezies des infizierten Wir- tes bestimmt. Je nach infiziertem Wirt können beispielsweise milde bis akute Enterocolitis, aber auch schwere systemische Infektionen beobachtet werden. Um sich im Laufe ihrer Evolution optimal an ihre Wirte anzupassen, haben Salmonella spp. nach der Abspaltung vom kommensalen E. coli schrittweise neue Virulenzeigenschaften er- worben. Dies geschah vor allem über horizontalen Gentransfer (Ochman und Moran, 2001). Im ersten Schritt wurde die Salmonella-Pathogenitätsinsel 1 (SPI1), später SPI2 erworben. Beide Inseln kodieren jeweils einen Typ-III-Translokationsapparat und dazu gehörende trans- lozierte Effektorproteine, welche die Wirtszellreaktionen zum Vorteil des Pathogens modulie- ren. Die Inseln sind zu unterschiedlichen Phasen der Salmonellosen aktiv. Das für die Wirts- zellinvasion verantwortliche Typ-III-Translokationssystem von SPI1 kann auch Effektoren in die Wirtszellen schleusen, die außerhalb der SPI1 kodiert sind. Der in SPI1 kodierte Translo- kationsapparat ist in Salmonella spp. hoch konserviert (Li et al., 1995). In der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle der translozierten Effektorproteine bei der Evolu- tion von Salmonella spp. hin zu tierpathogenen Erregern untersucht. Es konnte gezeigt wer- den, daß die meisten SPI1-abhängig translozierten Effektoren (SipA, SipB, SipC, SptP, SopB, SopD und SopE2), ob innerhalb oder außerhalb von SPI1 kodiert, ebenfalls hoch konserviert vorliegen. Phylogenetische Analysen zeigten, daß diese konservierten Effektoren früh in der Salmonella-Entwicklung, nämlich zwischen 50 und 160 Millionen Jahren (im Zeitrahmen der SPI1-Aufnahme), akquiriert wurden. So handelt es sich hierbei um Faktoren mit einer basalen bzw. zentralen Virulenzfunktion, die Salmonella spp. von kommensalen Escherichia spp. unterscheiden. Es konnte gezeigt, daß die konservierten Effektorproteine SopE2 und SopB maßgeblich an der Wirtszellinvasion beteiligt sind (Mirold et al., 2001). Diese Invasion-vermittelnden Effek- toren sind weit entfernt von SPI1, in separaten chromosomalen Loci, kodiert. Diese Beobach- tung steht in gewissem Widerspruch zur klassischen Definition der Pathogenitätsinsel. Die invasionsrelevanten Effektoren SopB und SopE2 bilden zusammen mit dem SPI1- Translokationsapparat eine funktionelle Einheit (ein sogenanntes „Invasionsvirulon“), obwohl sie nicht -wie für Pathogenitätsinseln postuliert- auf demselben chromosomalen Element ko- diert sind. Zusammen mit den phylogenetischen Daten aus dieser Arbeit, deuten diese Ergeb- nisse daraufhin, daß der letzte gemeinsame Vorfahre aller heutigen Salmonella spp. bereits sämtliche für die Wirtszellinvasion benötigten Effektorproteine kodierte und daß die Modula- tion der Signaltransduktionswege in der Wirtszelle in S. bongori und in sämtlichen S. enteri- ca-Subspezies konserviert sind. Es wird vielmehr ein Translokationsmodul durch die SPI1 bereitgestellt, durch das sowohl konservierte als auch variabel vorkommende Effektorproteine in die Wirtszelle geschleust werden können. Es konnten jedoch auch Variationen festgestellt werden. Die beiden für die Effektorproteine SopE- und AvrA-kodierenden Gene sind variabel in der Salmonella-Population verteilt. AvrA ist am Rande der SPI1 kodiert und es wird vermutet, daß es nicht zum Kern der SPI1 gehört. Das variable SopE ist bei Zentisom 60 des Salmonella-Chromosoms, abgetrennt von SPI1 (Zentisom 63), kodiert. Das variable Effektorprotein SopE und wahrscheinlich auch AvrA tragen vermutlich als „Adaptationsproteine“ zur Feinmodulation der Wechselwirkung mit dem Wirt bei. Vermutlich existieren noch wesentlich mehr variable Effektorproteine, die zu dieser Feinanpassung beitragen. In dieser Arbeit wurde weiterhin der horizontale Transfer von sopE detailliert untersucht. SopE ist in Typhimurium auf SopEΦ, einem Bakteriophagen der P2-Familie, kodiert. SopE ist das erste Effektorproteingen, bei dem die horizontale Übertragung über den Mechanismus der lysogenen Konversion nachgewiesen werden konnte. Bisher war bei Salmonella spp. nur der Phagen-vermittelte horizontale Transfer durch Transduktion bekannt. Die spezifische Integra- tionsstelle von SopEΦ in das Salmonella-Chromosom wurde näher charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, daß SopEФ in der attL-Region eines bereits integrierten kryptischen Propha- gen (CP4-57) integriert ist, der seinerseits in ssrA, dem Gen für die kleine stabile tmRNS, integriert ist. Epidemiologische Untersuchungen wiesen zudem darauf hin, daß der Erwerb des sopE-Gens durch lysogene Konversion mit SopEФ einen selektiven Vorteil gegenüber sopE-negativen Typhimurium-Stämmen darstellen. SopE-tragende S. enterica-Subspezies-I-Serovar Typhi- murium-Stämme lösten in den siebziger und achtziger Jahren verstärkt Epidemien aus. Darü- berhinaus konnte gezeigt werden, daß SopEФ-Lysogene eine gesteigerte Virulenz aufweisen. Dies wurde sowohl in Zellkulturversuchen (diese Arbeit) als auch in Rinderinfektionsversu- chen (Zhang, zur Publikation eingereicht) experimentell nachgewiesen. Schließlich wurde in dieser Arbeit auf die Koevolution von Salmonella spp. und Virulenzfak- tor-tragenden Bakteriophagen untersucht. Es wurde festgestellt, daß die genetischen Mecha- nismen, welche den Modulaustausch zwischen Bakteriophagen vermitteln, auch dazu führen, die Flexibilität der Salmonella spp. bezüglich der Wirtsanpassung zu steigern. Dieser Mecha- nismus stellt möglicherweise für die Bakterien und damit auch für die assoziierten Bakteri- ophagen einen Selektionsvorteil dar. Es wurde beobachtet, daß der Virulenzfaktor SopE in einigen Serovaren der S. enterica-Subspezies-I nicht auf einem P2-ähnlichen sondern auf ei- nem lambdoiden Bakteriophagen kodiert ist. Es konnte demzufolge zum ersten Mal beobach- tet werden, daß ein Virulenz-vermittelndes Effektorproteingen in dem Genom zweier ver- schiedener Phagenfamilien kodiert ist und durch diese Phagen möglicherweise horizontal transferiert werden kann. Die ermittelten DNS-Sequenzen um sopE lassen vermuten, daß eine konservierte sopE-tragende Kassette (oder „Moron“) durch homologe Rekombination zwi- schen den zwei verschiedenen Bakteriophagenfamilien (P2- und lambdoid) transferiert wor- den ist. Diese Art des Transfers von Virulenzgen-Modulen zwischen verschiedenen Phagen- Familien erlaubt die flexible Neukombination von Phagen-kodierten Effektorproteinen. Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß variabel vorkommende translozierte Effektorpro- teine die Pathogen-Wirt-Beziehung optimieren können. Neukombinationen dieser Effektoren können über horizontalen Transfer hergestellt werden und somit die optimale Anpassung an die jeweiligen Wirte gewährleisten. Dabei spielt der horizontale Transfer von Virulenzgenen über konvertierende Bakteriophagen eine wesentliche Rolle. Günstige Kombinationen von variablen Effektorproteinen sind wahrscheinlich entscheidend an der Entstehung neuer Epi- demiestämme beteiligt. Die effizienten horizontalen Transfermechanismen zwischen ver- schiedenen Salmonella spp. als auch zwischen verschiedenen Phagenfamilien tragen so dazu bei, daß Salmonella spp. ein äußerst breites Spektrum von Wirten infizieren können und daß neue Epidemieklone mit höherer Frequenz entstehen können.