Das thermophile Bakterium Campylobacter jejuni gehört weltweit zu den häufigsten Erregern bakterieller Gastroenteritiden beim Menschen. Der Erreger wird hauptsächlich durch kreuzkontaminierte Lebensmittel, zumeist ausgehend von Geflügelprodukten, übertragen. Aufgrund seines weiten Wirtsspektrums weist C. jejuni eine hohe genetische Vielfalt unter seinen Isolaten auf. Mit dem Ziel herauszufinden, ob das Auftreten spezifischer Markergene mit bestimmten klonalen Komplexen korreliert, wurden im Rahmen dieser Arbeit 266 C. jejuni-Isolate unterschiedlicher Herkunft (Mensch, Rind, Huhn, Pute) molekularbiologisch auf das Vorhandensein von zehn Virulenz-assoziierten Faktoren: cj1321-1326 (ein sechs Gen umfassender Komplex zur Flagellin-O-Glykolisierung), ciaB (Campylobacter-Invasions-Antigen B), cdtB (cytolethales distendierendes Toxin, CDT) Untereinheit B, fucP (L-Fucose-Permease), cj0178/cj0755 (Eisentransportprotein), ceuE (Enterochelin bindendes Protein), pldA (Phospholipase A der äußeren Membran) und cstII/cstIII (Lipooligosaccharid-Sialyltransferase) untersucht. In einer vorrangegangen Studie von ZAUTNER et al. 2011 wurden bereits 266 C. jejuni-Isolate durch Kombination von MLST und den sechs genetischen Metabolismus-assoziierten Markern: ansB (periplasmatische Asparaginase), dmsA (Untereinheit A der Dimethyl-sulfoxid-Oxidoreduktase), ggt (γ-Glutamyl-Transpeptidase), cj1585c (Oxidoreduktase), cjj811-76-1367/71 (Serin-Protease) und tlp7m+c (transducer-like Protein 7 (Ameiseisäure-spezifische Chemotaxisrezeptor), Heterodimer aus Cj0951c und Cj0952c) in sechs Gruppen unterteilt. Zur Konkretisierung dieser bestehenden Gruppendefinitionen und zur Identifikation der Gruppen mit dem höchsten gesundheitsgefährdenden Potential wurden dieselben 266 Isolate nun weiter charakterisiert. Vor allem die genetischen Marker cj1321-1326; fucP; cj0178 und cj0755 sind weitestgehend miteinander assoziiert und splitten die Testpopulation in 2 Haupt- und 7 Untergruppen und bestätigen damit die alte Gruppendefinition. Abgesehen vom Virulenz-assoziierten Marker pldA zeigen alle ermittelten genetischen Marker signifikante Unterschiede unter den verschiedenen MLST-Sequenztypen. Basierend auf den Daten der Arbeit konnte ein Biotyp von C. jejuni-Isolaten, der durch die Präsenz von ansB, dmsA, ggt und die Absenz von cj1321-1326; fucP; cj0178, cj0755, cj1365c, cj1585c sowie cstII/cstIII charakterisiert ist, bestimmt werden. Isolate dieser Gruppe gehören hauptsächlich den MLST-CC 22, 42, 45, 283 an und sind eher an eine Persistenz in der Umwelt-adaptiert. Zum Wachstum nutzen die Stämme dieser Gruppe einen erweiterten Aminosäurestoffwechsel sowie einen alternativen anaeroben Stoffwechselweg (dmsA- positiv). Hingegen kann aufgrund des fehlenden fucP keine L-Fucose verstoffwechselt werden. Außerdem sind die Stämme dieser Gruppe toleranter gegen oxidativen Stress und besser frostbeständig. Die jahreszeitliche Prävalenz ist am stärksten im Frühsommer. Dieser Umwelt- aber schlechter Wirts-adaptierte Biotyp wird mit mehr Campylobacteriosen beim Menschen in Verbindung gebracht, ist häufiger mit blutigen Stühlen und Hospitalisierungen assoziiert und ist somit hochgradiger virulent für den Menschen. Im Gegensatz dazu ist die zweite Hauptgruppe stärker an tierische Wirte, insbesondere Säuger, adaptiert und in der Lage, L-Fucose aus Mucosa oder Milch zu metabolisieren. Isolate dieses Biotyps tolerieren für C. jejuni extreme Temperaturen besser und zeigen eine relativ gleichmäßige Prävalenz im Jahresverlauf. Alle fünf bekannten C. jejuni-Eisentransportsysteme sind detektierbar, ebenso die Marker cj1321-1326, cj1365c, cj1585c und cstII und/oder cstIII. Die vorherrschenden MLST-CC sind CC 21, 48, 61 und 20. Dieser besser Wirts-adaptierte Biotyp wird mit weniger schweren Campylobacteriosen in Zusammenhang gebracht. Alle anderen Gruppen stellen einen sukzessiven evolutionären Übergang an Markergen-Kombinationen zwischen diesen beiden Hauptgruppen dar.

Mitglieder der CCC1 like Proteinfamilie sind Metalltransportproteine und Homologe zum vakuolären Eisen- und Mangantransporter CCC1 aus S. cerevisiae. VIT1-Homologe als CCC1-like Proteine pflanzlicher Herkunft können eine Anwendung in der Eisen-Biofortifikation finden. Bei der Überexprimierung von TaVIT2 in Weizen wurde von der 4 fachen Erhöhung des Eisen- und Mangangehalts im Mehl berichtet (Connorton et al., 2017). Die Überexprimierung von OsVIT1 oder OsVIT2 in Reis hat zur Erhöhung sowohl vom Eisengehalt als auch von Zink- und Mangangehältern geführt (Zhang et al., 2012). In dieser Arbeit wurden 6 CCC1-like Proteine aus A. thaliana bezüglich ihrer Substratspezifität untersucht. VIT1 und fünf VIT-Like Proteine (VTLs) wurden an ihren N- und C Termini modifiziert und im Hefekomplementationsverfahren auf ihre Fähigkeit Eisen, Mangan oder Zink zu transportieren untersucht. Ein einfacher Algorithmus zur Modifizierung von Membranproteinen durch Entfernung mehrerer AS-Reste vom N- bzw. vom C-Terminus ist beschrieben. Es sollte untersucht werden, ob diese Modifizierung einen Einfluss auf die Hefekomplementation hat. Native und modifizierte VTLs wurden mittels GFP-Fusion in den Zelllokalisierungsstudien untersucht. Es sollte festgestellt werden, ob Modifikationen die Zelllokalisierung beeinflussen. Eine Lokalisierung an der Vakuolenmembran wurde für VIT1, VTL1-4 und für einige modifizierte VTL4-Konstrukte nachgewiesen. Dagegen zeigte das VTL5-Konstrukt vorwiegend eine Plasmamembranlokalisierung. Die Entfernung von 21 AS vom N Terminus von VTL4 bzw. von 23 AS vom N-Terminus von VIT1 hatten keinen Effekt auf die Komplementation der Δccc1 Mutante. Dagegen zeigten die entsprechenden Konstrukte keine Komplementation der Δpmr1 Mutante. Es wurden modifizierte Konstrukte von AtVIT1 und AtVTL4 gefunden, die nicht in der Lage waren Mangan und Zink zu transportieren und dadurch für Eisen spezifisch gewesen wären. Diese wären gute Kandidaten für eine eisenselektive Biofortifikation. / CCC1 like protein family are metal transport proteins with high homology to the S. cerevisiae vacuolar iron and manganese transporter CCC1. The plant members of this family such as VIT1-homologue might find an application in iron biofortification of crops. An almost 4-fold increase in the iron content in flour of TaVIT2 overexpressing wheat was demonstrated (Connorton et al., 2017), but the overexpressing plants showed a significant increase in manganese content as well. OsVIT1 or OsVIT2 overexpressing in rice (Zhang et al., 2012) lead to increased iron, zinc and manganese. In this thesis six member of A. thaliana CCC1-like proteins were investigated for their substrate specificity. VIT1 itself and five other VIT1-like proteins (called VTLs) were modified at their N- and C-termini and investigated for iron, manganese and zinc transport capacity via a yeast complementation assay. A simple algorithm to modify membrane proteins by removing AA rests from their N- and / or C-terminal regions is presented, and the effects of these modifications on the functionality of the modified protein by the yeast complementation test are reported. The cell localization of native and modified VTLs was studied using fusion to GFP to determine if modifications would alter the subcellular localization in yeast. VTL1-4 as well as VIT1 were localized to the vacuolar membrane of yeast cell. VTL5 was predominantly localized to the plasma membrane of the yeast cell. Some modified VTL4 constructs could still be localised to the vacuolar membrane. Removal of 21 AA from the N-terminus of AtVTL4 as well as removal of 23 AA from the N-terminus of AtVIT1 didn't affect the complementation of the Δccc1 mutant. In contrast no complementation of Δpmr1 mutant was seen with the same constructs. Certain modified forms of AtVIT1 and AtVTL4 were unable to transport either manganese or zinc. We propose that they might be iron-specific, and thus would be candidates for a selective iron biofortification.

Eisenmangel ist ein weltweites Ernährungsproblem für Pflanzen und allen von Ihnen abhängigen Sekundärkonsumenten. Er reduziert den Ertrag, die Qualität und Produktivität von z.B. Kulturpflanzen, was wiederum zu Mangelerscheinungen beim Menschen führen kann. Die Nahrungsmittelforschung hat ein großes ökonomisches und wirtschaftliches Interesse daran, die Eisenverfügbarkeit und -Aufnahme der Pflanzen zu erhöhen. In der vorliegenden Arbeit wurde eine kleine Familie von fünf (VTL1-5) neuen potentiellen Eisentransportern in Arabidopsis thaliana identifiziert und charakterisiert und somit ein weiterer Baustein zu der Aufklärung der Eisenhomöostase hinzugefügt. Bei den fünf Transportern handelt es sich um CCC1-like Proteine, von denen vier (VTL1-3 und 5) eine eisenabhängig regulierte Expression zeigen. Für VTL1 kann mittels Protein-tag Markierung sehr überzeugend eine Lokalisation in der Vakuolenmembran und ein damit verbundener Eisentransport in die Vakuole, analog zur Funktion von VIT1, gezeigt werden. Da vermutlich ein knockout von VTL1 zur Embryo Lethalität führt und auch die vit1-1 Mutante einen sehr verkümmerten Phänotyp unter Eisenmangel zeigt, scheinen beide Proteine getrennt voneinander an verschiedenen Schlüsselpositionen im Eisenhaushalt zu wirken. Auch für VTL2 und VTL5 kann eine Lokalisation an der Vakuolenmembran und der damit verbundene Eisenimport postuliert werden. Die heterologe Expression aller drei Gene in ∆ccc1 Zellen führt zur Erhöhung der vakuolären Eisenkonzentration. Für VTL4 wird mittels Protein-tag Markierung eine Lokalisation an der Plasmamembran mit einer Exportfunktion vorgeschlagen. VTL3 und VTL4 heterolog exprimierende ∆ccc1 Hefe-Zellen weisen einen geringeren Eisengehalt als Kontrollzellen auf. Alle fünf Proteine sind in der Lage sowohl den Mutanten-Phänotyp der ∆ccc1 Hefe-Mutante, wie auch der Arabidopsis vit1-1 und nramp3/nramp4 Doppelmutante zu komplementieren. Anhand dieser Tatsachen konnte die Eisentransportfähigkeit bewiesen werden. / Iron deficiency is a worldwide nutritional problem for plants and in general all heterotrophic organisms. Iron deficiency reduces crop productivity, quality and yield, which in consequence lead to iron deficiency symptoms in humans. Because approximately 50 % of the global human caloric intake is derived from a cereal grain diet, it is not surprising that the emphasis of nutrition research is on uptake, transport and storage of iron in plants, specifically in seeds. In this doctoral thesis a small family of five potential iron transporters (VTL1-5) in Arabidopsis thaliana has been identified and characterized. These five transporters are CCC1-like proteins, four of which (VTL1-3, 5) show a pattern of iron-dependent expression. Through the use of a protein tag, VTL1 is shown to be localized on the vacuolar membrane and associated with import of iron into the vacuole. In this respect VTL1 displays an analogous function to VIT1. Since the knockout of VTL1 likely leads to embryo lethality and seedlings of the vit1-1 mutant display an ephemeral phenotype caused by iron deficiency, both proteins seem to uniquely influence the iron homeostasis. As for VTL1 both VTL2 and VTL5 are localized on the vacuolar membrane and catalyze iron import. The heterologous expression of all three genes in ∆ccc1 cells leads to an increased vacuolar iron concentration. In contrast, VTL3 and VTL4 may function as iron exporters and play possibly roles in xylem loading. This conclusion is supported by the facts that a mCherry-VTL4 signal is localized to the plasma membrane of tobacco leaf cells and that ∆ccc1 cells in which VTL3 and VTL4 are heterologous expressed, show a decreased iron content compared to control cells. All five proteins are able to complement the ∆ccc1 yeast mutant and the two Arabidopsis vit1-1 and nramp3/nramp4 mutant phenotypes, thereby demonstrating a function in iron transport.