Thesis (MSc)--Stellenbosch University, 2013. / ENGLISH ABSTRACT: Lignocellulose, which is composed of cellulose, hemicellulose and lignin, is the main structural component of plant cell walls. Xylan is the main structural component of hemicellulose. Xylan is a complex heteropolysaccharide and, therefore, requires numerous synergistically acting enzymes for its complete hydrolysis. The focus of this study was on xylanases, which is a main chain cleaving enzyme required for xylan hydrolysis. Xylanases have numerous industrial applications and are commonly used in the biofuels, pulp and paper, food, animal feed and textile industries. Of particular interest is the use of xylanases in the biofuels industry due to the depletion of fossil fuels. A major bottleneck is, however, the low yield and high cost of the enzymatic hydrolysis process. In this study, three different xylanase genes from Aspergillus fumigatus, isolated from a triticale compost heap, were cloned and expressed in Saccharomyces cerevisiae. This yeast is an attractive host for the expression of these heterologous proteins, since A. fumigatus is considered a human pathogen and would not be suited for large-scale enzyme production. The recombinant xylanases obtained in this study were functional after expression in the yeast host and yielded high levels of enzyme activity, ranging from 100 to 300 nkat/mg dry cell weight (DCW). Higher enzyme yields will reduce the overall cost of the enzymatic hydrolysis process, making these enzymes attractive to the biofuels industry. The recombinant xylanases obtained in this study were also free of other cellulases. This characteristic makes these enzymes attractive to the pulp and paper industry as cellulose fibres are required to remain intact. Two of the recombinant xylanases, F10 and F11, were relatively stable at a temperature of 50°C with pH optima at pH 6, while the recombinant xylanase G1 only maintained half of its activity at this temperature and displayed pH optimum at pH 5. No synergistic effect was observed between the recombinant xylanases in this study. Future studies could investigate the synergistic interaction between these recombinant xylanases and other accessory enzymes used for the degradation of xylan, such as the esterases. Xylan hydrolysis levels could increase significantly due to a synergistic effect, which would further reduce the overall cost of the lignocellulose enzyme hydrolysis process. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Lignosellulose, saamgestel uit sellulose, hemisellulose en lignien, vorm die hoof strukturele bestanddeel van plantselwande. Xilaan is die hoof strukturele komponent van hemisellulose. Xilaan is ʼn komplekse hetero-polisakkaried en verskeie saamwerkende ensieme vir volledige hidroliese hiervan word benodig. Die fokus van hierdie studie is op xilinases, die hoof kettingbrekende-ensiem vir xilaan hidroliese. Xilinases het verskeie industriële toepassings onder meer in die biobrandstof-, papier en pulp-, voedsel-, dierevoeding- en tekstielindustrieë. Weens die uitputting van fossielbrandstofreserwes word xilinases in die biobrandstof industrie van groot waarde geag. Lae opbrengste en hoë kostes van die ensiemhidroliese proses bly egter ʼn knelpunt. In hierdie studie is drie verskillende xilinase gene vanuit ʼn tritikale komposhoop Aspergillus fumigatus isolaat gekloneer en in Saccharomyces cerevisiae uitgedruk. Gis is ʼn aanloklike gasheer vir die uitdrukking van hierdie heteroloë proteïne aangesien A. fumigatus as menspatogeen nie vir grootskaalse ensiemproduksie geskik is nie. Die rekombinante xilinases verkry in hierdie studie is funksioneel in die gis gasheer uitgedruk en hoë vlakke ensiemaktiwiteit is verkry, van 100 tot 300 nkat/mg droë sel massa (DSM). In die lig van hoër ensiemopbrengste wat die totale koste van die ensiem hidroliese proses verlaag, word die ensieme in hierdie studie aanloklik vir die biobrandstof industrie. Die rekombinante ensieme in hierdie studie verkry is ook vry van ander sellulases, ʼn eienskap wat van waarde is vir die papier en pulp industrie waar die sellulose vesels intak moet bly. Twee van die rekombinante xilinases, F10 en F11, was relatief stabiel by ʼn temperatuur van 50°C met ‘n pH optimum van pH 6, terwyl die rekombinante xilinase G1 slegs die helfte van sy aktiwitieit by hierdie temperatuur kon behou met ʼn pH optimum van pH 5. Geen samewerkende effek kon tussen die drie rekombinante xilinases waargeneem word nie. Toekomstige studies kan die samewerkende effek tussen hierdie rekombinante xilinases en bykomstige ensieme betrokke by xilaanafbraak, soos byvoorbeeld die esterases, ondersoek. Xilaanhidroliese vlakke kan aansienlik as gevolg van hierdie samewerkende effek verhoog, wat die koste van ensiem hidroliese van lignosellulose verder kan verlaag. / Stellenbosch University and the Technology Innovation Agency for financial support

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Allogeneic hematopoietic stem cell transplantation (HSCT) is often the only effective treatment for patients with hematological malignancies, but its curative potential is often limited by the development of acute or chronic graft-versus-host disease (GvHD). Although extensive immunosuppressive therapy is highly efficient in the prevention or treatment of GvHD, it greatly increases the risk for life-threatening opportunistic fungal or viral infections and the recurrence of malignant disease. The possibility to selectively deplete alloreactive T cells from donor grafts prior or after transplantation would greatly diminish the need for immunosuppressive therapy in the transplant recipient and thereby greatly improve its clinical outcome. The molecular chaperone heat shock protein of 90 kDa (Hsp90) has been previously shown to stabilize many signal transduction proteins involved in T lymphocyte activation and proliferation and is furthermore able to exert anti-apoptotic effects in different cell types. The aim of this study was therefore to investigate the possibility to selectively target activated, proliferating T cells in lymphocyte populations by inhibition of Hsp90, without compromising viability and function of non-reactive T cell populations including pathogen-specific T lymphocytes. It could be shown in this work, that activated T cells are indeed more prone to apoptotic cell death in the presence of Hsp90 inhibitors than resting cells and that treatment of mixed lymphocyte cultures with such inhibitors eliminates the proliferation of alloreactive cells. In contrast, T cells remaining in a resting state during inhibitor treatment remain viable and also display functional virus-specific responses after inhibitor removal. These data suggest, that Hsp90 could represent a novel target for selective depletion of alloreactive T cells and that application of Hsp90 inhibitors could be a potential approach to prevent or treat GvHD without impairing pathogen-specific T cell immunity. In the second part of this work, the immune responses to strictly defined antigens of the opportunistic pathogenic fungus Aspergillus fumigatus were characterized. Opportunistic fungal infections are highly prevalent in immunocompromized and immunosuppressed individuals, especially in HSCT recipients suffering from GvDH. Although antifungal treatment is permanently improved, invasive fungal infections are still often fatal. In healthy individuals clinical disease is rare, because innate and adaptive immunity act in conjunction to protect the host. Therefore one possible strategy to prevent and treat life-threatening fungal infections in immunocompromized patients is to improve host resistance by augmenting the antifungal functions of the immune system, for example by vaccination or adoptive transfer of antigen-specific T cells. Based on previous findings, the objective of this dissertation was to identify and characterize distinct immunogenic A. fumigatus antigens that could be used for clinical application like vaccination or ex vivo generation of antigen-specific T cells and to characterize the interaction of this antigen-specific lymphocytes with cells of the innate immune system. First, memory T cell responses to different recombinant A. fumigatus proteins in healthy individuals were evaluated. The majority of tested donors displayed stable CD4+ TH1 responses to the Crf1 protein, whereas responses to the other antigens tested could only be detected in a limited number of donors, qualifying Crf1 as potential candidate antigen for clinical use. It was also possible to identify an immunodominant MHC class II DRB1*04-restricted epitope of Crf1 and to generate T cell clones specific for this epitope. This Crf1-specific T cell clones could be specifically activated by dendritic cells fed with synthetic peptide, recombinant protein or germinating A. fumigatus conidia or outgrown hyphae. Interestingly, these A. fumigatus-specific T cell clones also responded to stimulation with Candida albicans, which likewise causes opportunistic infections in immunocompromized patients and encodes for a glucosyltransferase similar to A. fumigatus Crf1. It was also possible to show that supernatant harvested from activated Crf1-specific T cell cultures was able to significantly increase fungal killing by monocytes. These data indicate that the specified FHT epitope of the A. fumigatus protein Crf1 could be potentially used as antigen for vaccination protocols or for the generation of Aspergillus-specific effector T cells for adoptive transfer. / Allogene, hämatopoietische Stammzelltransplantation ist häufig die einzige, effektive Behandlungsmethode für Patienten mit hämatologischen Erkrankungen, aber deren Erfolg ist häufig durch das Auftreten einer „Graft-versus-Host“-Erkrankung (GvHD) gefährdet. Obwohl durch eine weitreichende, immunsuppressive Therapie eine GvHD erfolgreich verhindert oder behandelt werden kann, erhöht diese jedoch beträchtlich das Risiko für das Auftreten lebensbedrohender opportunistischer Virus- und Pilz- Infektionen und das Wiederauftreten der malignen Erkrankung. Die Möglichkeit der selektiven Depletion alloreaktiver T-Zellen eines Transplantates bevor oder nach der Transplantation würde die Notwendigkeit immunsuppressiver Therapien des Empfängers deutlich reduzieren und dadurch den Behandlungserfolg enorm verbessern. Für das molekulare Chaperon-Protein „Hitzeschock-Protein von 90 kDa“ (Hsp90) konnte bereits zuvor gezeigt werden, dass es viele Signal-Transduktions-Proteine, die an der Aktivierung von T-Lymphozyten beteiligt sind stabilisiert und außerdem in verschiedenen Zelltypen einen anti-apoptotischen Effekt auszuüben scheint. Deshalb war es das Ziel dieser Untersuchung festzustellen, ob es möglich ist, durch Inhibition von Hsp90 spezifisch nur die aktivierten, proliferierenden T-Zellen in einer Lymphozyten-Population zu erreichen, ohne dabei die Viabilität und Funktionalität der nicht-reaktiven T-Zell-Population, einschließlich Pathogen-spezifischen TLymphozyten, zu beeinträchtigen. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass unter dem Einfluss von Hsp90-Inhibitoren in aktivierten T-Zellen tatsächlich eher Apoptose induziert wird, als in ruhenden Zellen und dass die Behandlung von gemischten Lymphozyten-Kulturen mit diesen Inhibitoren die Proliferation von alloreaktiven Zellen verhindert. Im Gegensatz dazu bleiben TZellen, die zum Zeitpunkt der Inhibitor-Behandlung in einem ruhenden Zustand waren überlebensfähig und zeigen zudem nach Entfernung des Inhibitors immer noch Virusspezifische Immunantworten. Wie diese Daten zeigen, könnte Hsp90 ein neues Angriffsziel für die selektive Depletion von alloreaktiven T-Zellen sein und Hsp90- Inhibitoren deshalb möglicherweise für die Vorbeugung oder Behandlung von GvHD eingesetzt werden, ohne dabei die pathogen-spezifische Immunität zu beeinträchtigen. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden die Immunantworten auf definierte Antigene das opportunistisch pathogenen Pilzes Aspergillus fumigatus charakterisiert. Opportunistische Pilzinfektionen sind eine häufige Begleiterscheinung bei Personen mit beeinträchtigtem Immunsystem und immunsupprimierten Patienten, vor allem bei Patienten die sich einer allogenen Stammzell-Transplantation unterziehen müssen und unter einer GvHD leiden. Trotz ständiger Verbesserung der Behandlungsmöglichkeiten, verlaufen invasive Pilzinfektionen häufig immer noch tödlich. Gesunde Menschen erkranken nur äußerst selten symptomatisch, da sowohl die angeborene als auch die erworbene Immunabwehr dazu beitragen, eine akute Infektion effektiv zu verhindern. Eine Möglichkeit, lebensbedrohliche Pilzinfektionen bei immunsupprimierten Patienten zu verhindern könnte deshalb die Stärkung der Immunabwehr durch Verbesserung der Funktionen des Immunsystems sein, beispielsweise durch Vakzinierung oder den adoptiven Transfer antigenspezifischer TZellen. Ziel dieser Arbeit war, aufbauend auf früheren Forschungsergebnissen, die Identifikation und Charakterisierung definierter immunogener A. fumigatus Antigene, die für die klinische Anwendung als Impfstoff oder für die ex vivo Generierung antigenspezifischer T-Zellen Verwendung finden könnten. Außerdem sollte die Interaktion dieser antigenspezifischen T-Lymphozyten mit den Zellen des angeborenen Immunsystems untersucht werden. Zunächst wurden hierfür die T-Zell-Antworten gesunder Spender auf verschiedene rekombinante A. fumigatus-Proteine untersucht. Die große Mehrheit der getesteten Spender reagierte auf das Protein Crf1 mit einer stabilen TH1 Antwort, während die übrigen getesteten Proteine nur in vereinzelten Spendern eine signifikante T-Zell- Antwort auslösten. Die offensichtlich weite Verbreitung von Crf1-spezifischen Gedächtnis-Zellen in der Bevölkerung lässt dieses Antigen als gut geeignet für potenzielle klinische Anwendungen erscheinen. Des weiteren wurde ein immundominantes Epitop von Crf1 identifiziert, das durch das relativ weit verbreite MHC Klasse II DRB1*04-Allel präsentiert wird. T-Zell-Klone, die spezifisch dieses Antigen erkennen, konnten mit dendritischen Zellen, die zuvor mit synthetischem Peptid, rekombinantem Protein oder ausgekeimten A. fumigatus Conidien oder Hyphen inkubiert worden waren aktiviert werden. Interessanterweise reagierten diese A. fumigatus-spezifischen T-Zell-Klone auch auf Stimulation mit Candida albicans, das ebenfalls opportunistische Infektionen in immunsupprimierten Patienten auslöst und für eine ähnliche Glucosyl-Transferase wie Crf1 in A. fumigatus codiert. Die Kultur-Überstände von aktivierten Crf1-spezifischen TZell- Klonen waren außerdem in der Lage, das Abtöten des Pilzes durch Monozyten deutlich zu verbessern. Diese Daten deuten darauf hin, dass das hier beschriebene FHT-Epitop des A. fumigatus Proteins Crf1 potenziell als Antigen für die Vakzinierung oder die Generierung von Aspergillus-spezifischen Effektor-T-Zellen für den adoptiven Transfer geeignet sein könnte.

In den letzten Jahren ist die Zahl immunsupprimierter Patienten aufgrund des stetigen Fortschritts in der Medizin stark angestiegen. Die bei diesen Patienten wegen ihrer hohen Mortalität gefürchtete, durch A. fumigatus ausgelöste invasive Aspergillose (IA) hat trotz der Anwendung verbesserter Antimykotika zugenommen. Die beiden Medikamente Mycophenolat (MPA) und Everolimus (RAD) werden zur Immunsuppression verwendet. Sie wirken durch die Inhibition von B- und T-Zellen. Allerdings wurde auch der direkte Einfluss auf DCs beschrieben. Diese Entdeckung ist insofern von Relevanz, als DCs eine wichtige regulatorische Rolle bei der Abwehr von Erregern, so auch von Pilzen, spielen und als Bindeglied zwischen dem angeborenen und erworbenen Immunsystem fungieren. DCs sind außerdem in den vergangenen Jahren in den Fokus der Wissenschaft geraten, da sie möglicherweise als Impfstoffe gegen verschiedenste Krankheiten, darunter auch die IA, eingesetzt werden können. Da die IA vor allem Patienten mit geschwächtem Immunsystem trifft, ist es von Bedeutung, die Wirkung von Immunsuppressiva auf DCs besser zu verstehen. In dieser Arbeit wurde der Einfluss von MPA und RAD auf die Entwicklung, die Reifung und die Immunantwort von aus Monozyten differenzierten DCs (moDCs) nach Kontakt mit A. fumigatus untersucht. Hierzu wurden die Medikamente zu verschiedenen Zeitpunkten der DC-Entwicklung hinzugefügt. Es konnte gezeigt werden, dass vor allem der Entwicklungsprozess der DCs beeinträchtigt wird. Neben einer verminderten Zytokinexpression von DCs nach Kontakt mit A. fumigatus wurde auch eine Veränderung der Oberflächenmarkerstruktur sowohl bei unreifen DCs (iDC) als auch bei reifen DCs (mDC) festgestellt. Des Weiteren wurde die Fähigkeit von DCs zur Phagozytose durch die Medikamente vermindert. Beide Substanzen, vor allem aber RAD, zeigten zudem eine starke Zytotoxizität gegenüber den Zellen. Es konnte in dieser Arbeit deutlich gemacht werden, dass sowohl MPA als auch RAD die Entwicklung und Reifung von moDCs beeinflussen, was zu einer Beeinträchtigung ihrer Immunantwort gegen A. fumigatus führt. / Over the past years, there has been an increasing amount of immunosuppressed patients due to substantial progress in medical research. Despite the development of more effective antifungal agents, those patients often suffer from invasive aspergillosis (IA) caused by the mold Aspergillus fumigatus. Mycophenolic acid (MPA) and Everolimus (RAD) are both immunosuppressive agents. They act through the inhibition of B- and T-cells. However, the direct influence on DCs has also been described which is important as DCs play an important role in pathogen defence and by linking innate and acquired immunity. In addition DCs have moved to the focus of science as they could also be used as vaccines against different diseases including IA. As IA mostly occurs in immunosuppressed patients, more comprehension about the impact of immunosuppressive agents on the functionality of DCs is needed. Here, the impact of MPA and RAD on the differentiation, maturation and immunresponse of human monocyte derived DCs (moDC) during interaction with A. fumigatus was investigated. MPA and RAD were added during different times of DC development. Both medicaments showed an influence on DC differentiation. Beside a reduced expression of cytokines after interaction with A. fumigatus, a decreased expression of surface markers was shown for immature DCs (iDC) and mature DCs (mDC). Furthermore, the phagocytotic capacity of iDCs was reduced. In addition, MPA and even more RAD showed high cytotoxic effects on DCs. In conclusion, a direct impact of MPA and RAD on the differentiation and maturation of moDCs and their immune response to A. fumigatus could be shown.

Humane neutrophile Granulozyten spielen eine wichtige Rolle in der Immunabwehr invasiver Infektionen durch die humanpathogenen Pilze Candida albicans und Aspergillus fumigatus. Das Ziel der hier vorliegenden Arbeit bestand in einer Charakterisierung der Interaktion beider Pilzspezies mit neutrophilen Granulozyten, mit Fokussierung auf die unterschiedlichen Effektormechanismen dieser Zellen. C. albicans exprimiert eine Reihe von Aspartatproteasen, welche mit der Virulenz des Erregers assoziiert sind und zu Adhäsion, Gewebeinvasion und Immunevasion beitragen können. In dieser Arbeit wurde die Rolle der Aspartatproteasen Sap1-6, Sap9 und Sap10 in der Interaktion mit neutrophilen Granulozyten analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass, im Gegensatz zu anderen Aspartatproteasen, das zelloberflächenassoziierte GPI-verankerte Enzym Sap9 einen maßgeblichen Einfluss auf die Erkennung von C. albicans durch neutrophile Granulozyten hat. SAP9-Expression ist erforderlich, um die gerichtete Motilität (Chemotaxis) neutrophiler Granulozyten zu C. albicans-Keimschläuchen hin zu induzieren. Dieser Prozess stellt eine Grundvoraussetzung zur effektiven Aktivierung neutrophiler Granulozyten darstellt. Die Chemotaxis neutrophiler Granulozyten kann durch autologe Sekretion des Zytokins IL-8 verstärkt werden. Es konnte jedoch kein Einfluss von SAP9 auf die IL-8 Sekretion beobachtet werden. Allerdings führte die Deletion von SAP9 zu reduzierter Freisetzung von reaktiven Sauerstoffspezies (engl. reactive oxygen species, ROS) in neutrophilen Granulozyten. Die mit der ROS-Generierung in Verbindung stehende und durch C. albicans induzierte Apoptose neutrophiler Granulozyten war ebenfalls vermindert. In Konfrontationsassays war die Abtötung einer SAP9-Deletionsmutante verglichen mit dem Wildtyp reduziert. Die Degranulation stellt neben der Produktion von ROS einen weiteren wichtigen Effektormechanismus zur Abtötung von Mikroben dar, jedoch verlief die Freisetzung von Elastase ebenso unabhängig von SAP9 wie die durch neutrophile Granulozyten ausgelöste Wachstumsinhibition von Keimschläuchen. Die hier präsentierten Daten verbinden die Aktivität der Protease Sap9, der zuvor bereits eine Rolle in der Immunevasion von C. albicans zugeschrieben wurde, mit der Initiation der protektiven angeborenen Immunität. Wie C. albicans stimuliert auch A. fumigatus die Aktivität der neutrophilen Granulozyten. Microarray- Analysen mit Fokus auf dem Zytokinprofil neutrophiler Granulozyten während der Interaktion mit A. fumigatus-Hyphen offenbarten, dass nur wenige Zytokine im Lauf der Infektion hochreguliert wurden. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass die Sap-Granulozyten-Interaktion neue molekulare Mechanismen zur Aktivierung dieser Zellen birgt. Zudem brachten die Microarray Analysen die Erkenntnis, dass die de novo-Zytokinsynthese durch A. fumigatus nur geringfügig beeinflusst wird und eine schnelle Abtötung des Pilzes offenbar im Vordergrund steht. / Human polymorphonuclear neutrophils (PMNs) play a major role in the immune defence against invasive infections caused by the pathogenic fungi Candida albicans and Aspergillus fumigatus. The aim of this work was to further characterize the interaction of both fungi with PMNs with a focus on diverse PMN effector functions. C. albicans expresses a set of aspartic proteases which are associated with virulence and can contribute to adhesion, tissue invasion and immune evasion. Here, the role of the aspartic proteases Sap1-6, Sap9 and Sap10 in the interaction with human neutrophils was analysed. It could be demonstrated that, in contrast to other aspartic proteases, the cell surface associated GPI-anchored enzyme Sap9 has a major impact on recognition of C. albicans by PMNs. SAP9 expression is required for the effective induction of PMN chemotaxis towards C. albicans filaments, an essential prerequisite of effective PMN activation. Targeted motility can be enhanced by autologous secretion of IL-8, but no influence of SAP9 on the process of IL-8 secretion could be observed here. However, deletion of SAP9 led to a mitigated release of reactive oxygen intermediates (ROI) in human PMNs. Likewise, C. albicans induced apoptosis triggered by ROI formation was decreased. In confrontation assays, killing of a SAP9 deletion mutant was reduced in comparison to the wild-type. Beside ROI production, degranulation represents an additional important effector mechanism contributing to microbial killing, however, the release of elastase in response to C. albicans was found to be not dependent on SAP9, as well as the PMN-mediated growth inhibition of germ tubes. The data presented here clearly implicate Sap9 protease activity, which was already attributed to immune evasion before, with the initiation of protective innate immunity. Like C. albicans, A. fumigatus evokes PMN antifungal activity. Custom-made microarray analyses focusing on the cytokine profile of PMNs during interaction with A. fumigatus hyphae revealed that only few cytokines are upregulated during the course of infection. In summary it could be demonstrated that the interaction between Saps and PMNs is revealing novel molecular mechanisms which lead to an activation of these cells. Furthermore, microarray analyses lead to the awareness that de novo cytokine synthesis of PMNs is barely influenced by A. fumigatus, pointing out that instant killing of the fungus might be of higher importance.

The saprophytic filamentous fungus Aspergillus fumigatus has been gaining importance as an opportunistic human pathogen over the past decades. Advances in modern medicine have created a growing group of patients susceptible to infection with A. fumigatus, often contracting potentially deadly invasive aspergillosis. The virulence of this pathogen appears to be a multifactorial trait, a combination of physiological characteristics that enables the fungus to infect immunocompromised humans. This work concentrates on the nitrogen metabolism of A. fumigatus, which is essential for meeting the nutritional needs inside the human host. Using DNA microarrays, the transcriptional response during growth on three different secondary nitrogen sources was examined, which revealed the metabolic versatility of A. fumigatus, especially when challenged with proteins as the sole source of nitrogen. In-depth transcriptional profiling of the eight-member oligopeptide transporter (OPT) gene family underlined the importance of oligopeptide transport for growth on complex nitrogen sources like BSA or collagen. Heterologous expression of the opt genes in Saccharomyces cerevisiae showed their functionality as oligopeptide transporters, and characterized their substrate specificity. Using a Cre/loxP based genetic tool, a complete deletion of all opt genes in A. fumigatus was achieved. The resultant strain exhibited diminished growth on medium where the oligopeptide GPGG was the sole nitrogen source, but did not show any other in vitro phenotype. The opt deletion strain was not attenuated in virulence in a murine model of pulmonary aspergillosis, suggesting that the OPT gene family is not necessary for successful infection. The connection of oligopeptide transport and extracellular proteolytic activity was investigated by deleting the genes encoding Dpp4 and Dpp5, two dipeptidyl peptidases, or PrtT, the transcriptional regulator of major secreted proteases, in the complete opt deletion background. In contrast to the deletion of dpp4 and dpp5, which did not result in any additional phenotype, the absence of prtT led to a drastic growth defect on porcine lung agar. This suggests a synergistic action of extracellular proteolytic digest of proteins and transport of oligopeptide degradation products into the cell. Finally, this work established the bacterial β-Rec/six site-specific recombination system as a novel genetic tool for targeted gene deletion in A. fumigatus. / Bedingt durch die medizinischen Fortschritte der vergangenen Jahrzehnte, hat sich die Zahl der Infektionen mit dem saprophytischen Schimmelpilz Aspergillus fumigatus drastisch erhöht. Die Virulenz von A. fumigatus für immungeschwächte Personen scheint hierbei auf einer Kombination an physiologischen Merkmalen und Fähigkeiten des Pilzes zu beruhen, weniger auf spezifischen Virulenzfaktoren. Diese Arbeit widmet sich dem Stickstoffmetabolismus von A. fumigatus, welcher essentiell für die Ernährung des Pilzes innerhalb des menschlichen Wirtes ist. Mittels DNA Microarrays gelang es die Reaktion des Pilzes auf das Vorhandensein dreier sekundärer Stickstoffquellen auf transkriptioneller Ebene zu erforschen, wobei sich besonders in Gegenwart von Protein die metabolische Vielseitigkeit von A. fumigatus zeigte. Tiefergehende transkriptionelle Studien der Oligopeptidtransporter (OPT) Genfamilie unterstrichen die Relevanz des Oligopeptidtransportes, während des Wachstums auf komplexen Stickstoffquellen wie BSA oder Collagen. Expression der opt Gene in Saccharomyces cerevisiae half deren Funktionalität als Oligopeptidtransporter und deren Substratspezifität zu untersuchen. Mittels eines Cre/loxP basierten Systems gelang es, sämtliche 8 opt Gene in A. fumigatus zu deletieren. Der daraus resultierende Stamm zeigte vermindertes Wachstum auf Medium mit dem Oligopeptid GPGG als einziger Stickstoffquelle, wuchs sonst allerdings wie der Wildtyp. Der Stamm zeigte keine verminderte Virulenz in einem Mausmodell für pulmonale Aspergillose, was darauf hindeutet, dass die OPT Genfamilie für einen erfolgreichen Infektionsverlauf nicht von nöten ist. Durch Deletion im OPT defizienten Stammhintergrund, entweder der zwei Dipeptidylpeptidasen Dpp4 und Dpp5, oder des transkriptionellen Regulators einiger zentraler sekretierter Proteasen PrtT, wurde die Verbindung zwischen Oligopeptidtransport und extrazellulärem Proteinabbau untersucht. Während die Deletion der Dipeptidylpeptidasen zu keinem weiteren Wachstumsphänotyp führte, resultierte das Entfernen des prtT Gens in einem drastischen Wachstumsdefekt auf einem Lungenagarmedium. Dies legt den Schluss nahe, dass sekretierte Proteasen und Oligopeptidtransporter synergistisch zusammenwirken, um extrazelluläres Protein als Nährstoffquelle zu erschließen. Schlussendlich gelang es in dieser Arbeit ebenfalls, das bakterielle β-Rec/six basierte Rekombinationssystem als genetisches Werkzeug zur gezielten Genmanipulation von A. fumigatus zu etablieren.

Die invasive Aspergillose stellt eine ersthafte Erkrankung sowie auch eine signifikante Ursache von Morbidität und Mortalität bei verschiedenen Patientengruppen dar. Dabei tritt sie hauptsächlich durch den opportunistischen Pathogen Aspergillus fumigatus hervorgerufen mit einer Inzidenz von 4% bis 15% vorwiegend bei immunsupprimierten Patienten nach allogenen hämatopoetischer Stammzelltransplantationen (HSCT) oder Organtransplantationen auf und führt bei 40% bis 90% der Fälle zum Tod des Patienten. Die Behandlung dieser Hochrisikogruppe erfolgt bestenfalls mit Antimykotika prophylaktisch, denn eine schnelle sowie auch verlässliche Diagnose von invasiver Aspergillose läßt sich aufgrund der hohen zeitlichen Latenz des Pilzes und dem Defizit an Sensitivität bzw. Spezifität in vielen Fällen nicht ermitteln. Zusätzlich steigt die Zahl der Resistenzen von Aspergillus-Stämmen gegen die verschiedenen Antimykotika stetig an, so dass klinische und ökonomische Nebenwirkungen unvermeidbar sind. Als Alternative zur konventionellen Behandlung mit Azolen stellt eine Immuntherapie mittels Antigen-behandelten dendritischen Zellen (DCs) dar, welche durch Präsentation von Aspergillus fumigatus-Antigenepitopen eine spezifische ex vivo T-Zellenexpansion von allogenen CD8+CD3+ T-Zellen bewirken kann und damit ein schonenderes Mittel für den Patienten ist. Dazu wurden sieben verschiedene rekombinante Proteine aus A. fumigatus in dieser Arbeit charakterisiert und deren Potential ermittelt, bei DCs eine pro-inflammatische Immunantwort auszulösen. Es stellte sich heraus, dass sowohl die Ribonuklease Mitogillin (Aspf1) als auch die myceliale Katalase Cat1 in der Lage waren, den nukleären Faktor kappa B (NFκB) zu aktivieren und eine Translokation der Untereinheit p65 in den Nukleus zu induzieren, woraufhin Gene von pro-inflammatorischen Zytokine und Chemokine sowie auch von Aktivierungs- und Reifungsmarker der DCs exprimiert wurden. Im Gegensatz zum Aspf1, war es beim Cat1 zusätzlich auch möglich gewesen eine Verifizierung auf Proteinebene für segregierte Zytokine und Chemokine bzw. Oberflächenmarker zu erhalten. Darüber hinaus konnte festgestellt werden, dass die Zytotoxizität von Cat1 entsprechend der unbehandelten Zellen gewesen ist und dass es den Cat1-behandelten moDCs gelang nach der Aufnahme des Antigens und dessen Prozessierung durch die darauffolgende Präsentation der Proteinepitope über den MHC II Komplex eine ex vivo-Aktivierung von autologen zytotoxischen T-Zellen zu erreichen. Damit ist nun ein potentieller Kandidat für eine auf Immuneffektorzellen basierte Immuntherapie gegen invasive Aspergillose für immungeschwächte Patienten gefunden. Ergänzt wurde diese Arbeit mit der experimentellen Untersuchung von Hämostase während einer invasiven Aspergillose, da gehäuft pathologische Beobachtungen von lokalen Einblutungen bei Patienten mit pulmonaler Aspergillose verzeichnet wurden. Es stellte sich heraus, dass die durch Collagen induzierte Aggregation sich durch aktive Pilzmorphologien beeinträchtigen läßt, wohingegen die untersuchten Gerinnungsparameter nicht betroffen gewesen sind. Dies verdeutlicht neben der bereits bekannten Bedeutung der Thrombozyten als antimikrobielle Komponente im Blut nun auch ihrer Empfindlichkeit gegenüber sezernierten oder Zellwand-gebundenen Aspergillus fumigatus-Faktoren während der invasiven Aspergillose. / Invasive Aspergillosis is a serious fungal disease and contributes significantly to morbidity and mortality in different patient cohorts. Predominantly caused by one major opportunistic pathogen named Aspergillus fumigatus, the incidence for invasive aspergillosis of 4% to 15% can be found mainly in immunocompromised patients after allogeneic hematopoetic stem cell transplantations (HSCT) or solid organ transplantations and leads in 40% to 90% of all affected cases to death. The clinical approach for this high risk group consists at the best of the treatment with antimycotics in a prophylactic way. Furthermore, fast and reliable diagnostic analysis for invasive aspergillosis misses the detection of A. fumigatus in many cases and therefore is still problematic, which is mainly caused due to the high latency of time for the fungal growth and the deficit in sensitivity and specificity, respecively. Additionally, steadily increasing numbers of resistant Aspergillus-strains against the different antimycotics complicate the situation so that clinical and economic side effects are unavoidable. Alternatively to conventional treatment with azoles is the immunotherapy with antigen-treated dendritic cells, which can be instrumentalized for a specific ex vivo T-cell expansion of allogenic CD8+CD3+ T-cells mediated by presentation of antigen epitopes and is a gently approach for patient’s care. Therefore, seven different recombinant A. fumigatus proteins were characterized in this thesis and their potential of inducing DCs immune response in a pro-inflammatory fashion was determined. It could be shown that the ribonuclease Mitogillin (Aspf1) as well as the mycelial catalase Cat1 was able to activate the nuclear factor kappa B (NFκB) and induced afterwards the translocation of subunit p65 into the nucleus, whereupon genes of pro-inflammatory cytokines and chemokines as well as activation and maturation marker of DCs were expressed. In contrast to Aspf1, Cat1 finally caused the segregation of cytokines and chemokines in DCs and furthermore the upregulation of cell surface marker. Moreover, lower cytotoxicity was determined in experiments with Cat1 and also moDCs, which were treated with the recombinant antigen, were able to internalize the protein, processed it and afterwards to activate ex vivo autologic cytotoxic T-cells by presentation of protein epitopes over MHC II complex coupling. Thus, a potential candidate for an immune effector cell-based immunotherapy for invasive aspergillosis in human patients has been found. This work was complemented by the experimental investigation of hemostasis during invasive aspergillosis because of the strong impact of observed local bleeding in patients with pulmonary aspergillosis. It exposed that Collagen-induced aggregation was impaired by active fungal morphologies, whereas analysed coagulation parameters in sera were not affected. Beside the already known meaning of thrombocytes as antimycotic component in human blood, this impact elucidate also the sensitivity of platelets to segregated or cell wall-accociated Aspergillus fumigatus factors during invasive aspergillosis.

The opportunistic fungus Aspergillus fumigatus has emerged as one of the most common fungal human pathogens, causing severe and usually fatal systemic infections that account for more than 200,000 cases annually with mortality rates usually exceeding 50%. During infection, the virulence of A. fumigatus highly depends on its capacity to rapidly respond to external stress encounters in the human niche, such as the host immunological response and the activity of antifungal drugs. The echinocandin, caspofungin, is one of most commonly used antifungal drugs to treat intolerant or refractive patients suffering from invasive aspergillosis. Caspofungin disrupts the catalytic subunit of the β-1,3-glucan synthase complex, Fks1, resulting in the reduced production of the main cell wall component of A. fumigatus, the polysaccharide β-1,3-glucan. Despite its clinical relevance in patients with aspergillosis, caspofungin displays attenuated activity at high concentrations, a phenomenon known as ‘the paradoxical effect’. Little is known about the paradoxical growth of A. fumigatus during caspofungin treatment. Therefore, in this thesis, I investigated the key cellular and molecular responses of A. fumigatus upon caspofungin treatment, particularly during paradoxical growth by live-cell imaging. High-resolution confocal live-cell microscopy revealed that treatment with either low (0.5 µg/ml) or high (4 µg/ml) concentrations of caspofungin for 36 h caused similar abnormalities in A. fumigatus, including wider, hyperbranched hyphae, increased septation and repeated hyphal tip lysis. Regenerative intrahyphal growth occurred as a rapid adaptation to the lytic effects of caspofungin on hyphal tips and the dynamic relocation of Fks1 to vacuoles was a key feature observed in response to caspofungin treatment. The reduced amount of β-1,3-glucan resulting from caspofungin treatment was compensated by increased α-1,3-glucan and chitin content in mature hyphal tips. Interestingly, all lysed cells recovered by regenerative intrahyphal growth. However, after 48 h treatment, only cells exposed to high caspofungin concentrations developed paradoxical growth in leading hyphae. This response was associated with a relocalization of Fks1 at hyphal tips. Consistently, cells undergoing paradoxical growth showed normal morphology and ceased to undergo cell lysis, as well as having a normal content of β-1,3-glucan and α-1,3-glucan but not chitin, which remained high. Notably, the localization of the regulatory subunit of the β-1,3-glucan synthase complex, Rho1, was unaffected by caspofungin, but it was required for the development of paradoxical growth. Interestingly, the gene expression of the β-1,3-glucan synthase complex was downregulated by caspofungin treatment. In addition, caspofungin activity induced the nuclear translocation of the Ca+2 regulated transcription factor CrzA to nuclei and only hyphal tip cells in which this translocation occurred underwent cell lysis. Finally, similarly high concentrations of caspofungin also induced paradoxical growth of Aspergillus fumigatus during human A549 alveolar cell invasion. This thesis outlines several critical adaptations that occur at the cellular, subcellular and molecular levels at different times during exposure to high and low concentration of caspofungin.

Aspergillus fumigatusis a ubiquitous environmental soil fungus. With recent development and advancement in medical treatments leading to immunosuppression, there has been an increase in incidence in aspergillosis. With the emergence of antifungal resistance isolates and the continued high mortality rate for invasive aspergillosis, the hunt for new antifungal drug targets is critical. Research on A. fumigatus is still in its infancy, partly due to the relatively recent rise of A. fumigatus as a clinically significant pathogen. The cell wall has been demonstrated to be critical for survival of this fungal organism, with interference of cell wall construction leading to cell death or reduced growth. This, coupled with the lack of shared mechanisms in humans, makes targeting cell wall synthesis for antifungal therapy a reasonable possibility. The cell wall of A. fumigatus shares a few similarities to S. cerevisiae. However, major differences exist, including the presence of β-1,3;1,4-glucan in the cell wall of A. fumigatus. In fact, the presence of β-1,3;1,4-glucan was never previously described in fungi before Latge's group reported it a number of years ago. It comprises about 10% of the glucans in the cell wall of A. fumigatus, but its role in the cell wall is unknown. In 2006 and 2009, two papers were published that demonstrated the role of CslF and CslH(Cellulose like synthases) in the production of β-1,3;1,4-glucan of the cell wall in rice and barley, respectively. Taking both protein sequences for these genes, we blasted it against the A. fumigatus database for any possible orthologues. A single orthologue, albeit with weak homology, was identified that named TFT1. We hypothesize that TFT1a plays a direct role in A. fumigatus β-1,3;1,4-glucan synthesis. Through Agrobacterium tumefaciens mediated transformation, an A. fumigatus strain lacking this enzyme (tft1Δ) was generated. From tft1Δ a revertant strain (revtft1) was created where the gene was reintroduced. Immunofluorescence staining with antibodies against β-1,3;1,4-glucan and biochemical quantification both demonstrated complete loss of β-1,3;1,4-glucan within the cell wall of the tft1Δ strain, with recovery detected in revtft1. This strongly suggests that this enzyme does indeed play a role in β-1,3;1,4-glucan synthesis in A. fumigatus. Growth experiments, spore size determination and an in vitro model of virulence also indicated that the loss of TFT1 leads to additional phenotypes. While the precise mechanism for β-1,3;1,4-glucan synthesis is unknown, the results shown herein indicate a pivotal role forTFT1 in its biosynthesis, and resulting phenotypes upon loss of mixed linkage glucan adds some clues to its role in the cell wall of A. fumigatus.

The mold Aspergillus fumigatus causes life-threatening infections in immunocompromised patients. Over the past decade new findings in research have improved our understanding of A. fumigatus-host interactions. One of them was the detection of localized areas of tissue hypoxia in the lungs of mice infected with A. fumigatus. The transcription factor hypoxia-inducible factor 1α (HIF 1α) is known as the central regulator of cellular responses to hypoxia. Under normoxia, this constitutively expressed protein is degraded by oxygen-dependent mechanisms in most mammalian cell types. Interaction with pathogens can induce HIF 1α stabilization under normoxic conditions in innate immune cells. Bacterial infection models revealed that hypoxic microenvironments and signaling via HIF 1α modulate functions of host immune cells. Moreover, it was recently described that in murine phagocytes, HIF 1α expression is essential to overcome an A. fumigatus infection. However, the influence of hypoxia and the role of HIF 1α signaling for anti-A. fumigatus immunity is still poorly understood, especially regarding dendritic cells (DCs), which are important regulators of anti-fungal immunity. In this study, the functional relevance of hypoxia and HIF 1α signaling in the response of human DCs against A. fumigatus has been investigated. Hypoxia attenuated the pro-inflammatory response of DCs against A. fumigatus during the initial infection as shown by genome-wide microarray expression analyses and cytokine quantification. The up-regulation of maturation-associated molecules on DCs stimulated with A. fumigatus under hypoxia was reduced; however, these DCs possessed an enhanced capacity to stimulate T cells. This study thereby revealed divergent influence of hypoxia on anti-A. fumigatus DC functions that included both, inhibiting and enhancing effects. HIF-1α was stabilized in DCs following stimulation with A. fumigatus under normoxic and hypoxic conditions. This stabilization was partially dependent on Dectin-1, the major receptor for A. fumigatus on human DCs. Using siRNA-based HIF 1α silencing combined with gene expression microarrays, a modulatory effect of HIF-1α on the anti-fungal immune response of human DCs was identified. Specifically, the transcriptomes of HIF-1α silenced DCs indicated that HIF-1α enhanced DC metabolism and cytokine release in response to A. fumigatus under normoxic and hypoxic conditions. This was confirmed by further down-stream analyses that included quantification of glycolytic activity and cytokine profiling of DCs. By that, this study demonstrated functional relevance of HIF 1α expression in DCs responding to A. fumigatus. The data give novel insight into the cellular functions of HIF 1α in human DCs that include regulation of the anti-fungal immune response under normoxia and hypoxia. The comprehensive transcriptome datasets in combination with the down-stream protein analyses from this study will promote further investigations to further characterize the complex interplay between hypoxia, activation of Dectin-1 and HIF-1α signaling in host responses against A. fumigatus. / Der Schimmelpilz Aspergillus fumigatus verursacht lebensbedrohliche Infektionen in immunsupprimierten Patienten. Im letzten Jahrzehnt haben neue Forschungsergebnisse unser Verständnis der Interaktion von A. fumigatus mit seinem Wirt verbessert. Dazu zählt die Beschreibung von lokalisierten Arealen der Hypoxie im Lungengewebe von Mäusen die mit A. fumigatus infiziert wurden. Der Transkriptionsfaktor Hypoxie-induzierbarer Faktor 1α (HIF 1α) ist schon lange als der zentrale Regulator der zellulären Antwort gegenüber Hypoxie bekannt. Unter Normoxie wird dieses konstitutiv exprimierte Protein in den meisten Körperzellen durch sauerstoffabhängige Prozesse abgebaut. In angeborenen Immunzellen kann die Interaktion mit Pathogenen zu einer Stabilisierung von HIF 1α unter normoxischen Bedingungen führen. Bakterielle Infektionsmodelle haben gezeigt, dass hypoxische Mikromilieus und der HIF 1α Signalweg die Funktion von Immunzellen des Wirtes beeinflussen können. Zudem konnte kürzlich nachgewiesen werden, dass die Expression von HIF 1α in murinen Phagozyten während einer Infektion mit A. fumigtus essentiell für eine effektive Bekämpfung des Pilzes ist. Der Einfluss der Hypoxie und die Rolle von HIF 1α für die gegen A. fumigatus gerichtete Immunantwort sind jedoch immer noch unzureichend charakterisiert. Das trifft besonders auf die für die Regulation der anti-fungalen Immunantwort wichtigen dendritischen Zellen (DCs) zu. In dieser Studie wurde die funktionale Bedeutung der Hypoxie und des HIF 1α Signalweges für die Antwort humaner DCs gegenüber A. fumigatus untersucht. Hypoxie hatte einen abschwächenden Effekt auf die initiale pro-inflammatorische Antwort von DCs gegen A. fumigatus. Dies konnte durch genomweite Microarray Expressionsanalysen sowie Zytokinbestimmungen gezeigt werden. Die Hochregulation von Markern, die mit einer Maturierung von mit A. fumigatus-stimulierten DCs assoziiert sind, war unter Hypoxie reduziert. Jedoch zeigten diese DCs eine erhöhte Fähigkeit zur Stimulation von T Zellen. Damit wurden in dieser Studie divergente Effekte der Hypoxie auf die gegen A. fumigatus gerichtete Immunantwort humaner DCs aufgedeckt. Dies beinhaltete sowohl einen inhibierenden als auch einen verstärkenden Einfluss in Abhängigkeit der untersuchten DC Funktion. HIF 1α wurde in DCs nach Stimulation mit A. fumigatus unter normoxischen als auch hypoxischen Bedingungen stabilisiert. Diese Stabilisierung war teilweise abhängig von Dectin-1, dem wichtigsten Rezeptor für A. fumigatus auf humanen DCs. Durch eine Kombination aus RNAi-vermittelter Herunterregulation von HIF 1α und Genexpressions-Microarrays wurde ein modulierender Effekt von HIF 1α auf die anti-fungale Immunantwort humaner DCs identifiziert. Die Transkriptomanalyse von HIF 1α herunterregulierten DCs deutete darauf hin, dass HIF 1α den Metabolismus und die Zytokinfreisetzung in DCs während der Antwort auf A. fumigatus unter normoxischen als auch hypoxischen Bedingungen verstärkt. Dieser Befund wurde durch weiterführende Analysen bestätigt, die eine Quantifizierung der glykolytischen Aktivität sowie die Erstellung eines Zytokinprofils der DCs beinhalteten. Damit konnte in dieser Studie eine funktionale Relevanz der Expression von HIF 1α in DCs für die gegen A. fumigatus gerichtete Immunantwort aufgedeckt werden. Diese Daten geben einen neuen Einblick in die zellulären Funktionen von HIF 1α in humanen DCs, die eine Regulierung der anti-fungalen Immunantwort beinhalten. Die umfassenden Transkriptom-Datensätze dieser Studie, die durch Proteinanalysen funktional ergänzt wurden, bilden die Grundlage für weiterführende Untersuchungen. Damit wird es möglich sein, das komplexe Zusammenspiel aus Hypoxie, Aktivierung von Dectin-1 und Signalübertragung über HIF 1α in der Immunantwort gegen A. fumigatus über die Ergebnisse dieser Studie hinaus noch besser zu charakterisieren.