In this study, the role of histone-like proteins in gene regulation in uropathogenic Escherichia coli isolate 536 was monitored. The histone-like nucleoid structuring protein H-NS is a global regulator in Escherichia coli that has been intensively studied in non-pathogenic strains. No comprehensive study on the role of H-NS and it’s homolog StpA on gene expression in a pathogenic E. coli strain has been carried out so far. Moreover, we identified a third, so far uncharacterized member of the H-NS-like protein family in uropathogenic E. coli isolate 536, which was designated Hlp (H-NS-like protein). Hlp is a 134-amino acid protein, which shares 58 % sequence identity with H-NS. The gene coding for the Hlp protein, hlp, is found in several uropathogenic E. coli variants, but not in non-pathogenic E. coli K-12. In UPEC strains 536 and CFT073, Hlp is encoded on a possibly horizontally acquired 23-kb genomic region inserted into the serU locus. Studies on hlp transcription revealed, that the gene is transcribed monocistronically from a single promoter and that expression is repressed by H-NS. Purified Hlp protein was binding to its own and to the hns promoter, thereby mediating negative auto- and crossregulation. Furthermore, Hlp and H-NS were directly interacting, resulting in the formation of stable heteromers. Complementation studies with hns mutant strains in a K-12 background revealed that the Hlp protein had in vivo activity, being able to complement the lack of H-NS in terms of motility, growth, and repression of the proU, bgl, and clyA genes. When analyzing the role of the histone-like proteins in expression of virulence-associated genes by using DNA arrays and classical phenotypic assays, most of the observed effects were mediated by the H-NS protein alone. Expression profiling revealed that transcript level of more than 500 genes was affected by an hns mutation, resulting in increased expression of alpha-hemolysin, fimbriae and iron-uptake systems, as well as genes involved in stress adaptation. Furthermore, several other putative virulence factors were found to be part of the H-NS regulon. On the other hand, no effect of StpA alone was observed. An hns stpA double mutant, however, exhibited a distinct gene expression pattern that differed in great parts from that of the hns single mutant. This suggests a direct interaction between the two homologs and the existence of distinct regulons of H-NS and an H-NS/StpA heteromeric complex. Although the H-NS protein has – either as homomer or in complex with StpA – a marked impact on gene expression in pathogenic E. coli strains, its effect on urovirulence is ambiguous. At a high infection dose, hns mutants accelerate lethality in murine UTI and sepsis models relative to the wild type, probably due to increased production of alpha-hemolysin. At lower infectious dose, however, mutants lacking H-NS are attenuated through their impaired growth rate, which can only partially be compensated by the higher expression of numerous virulence factors. As seen with StpA, an hlp single mutant did not exhibit a notable phenotype under standard growth conditions. A severe growth defect of hns hlp double mutants at low temperatures, however, suggests a biological relevance of H-NS/Hlp heteromers under certain circumstances. Furthermore, these mutants expressed more capsular polysaccharide and curli fimbriae, thereby indicating a distinct role of H-NS and Hlp in regulation of these surface structures. The H-NS paralogs Hlp and StpA also modulated H-NS-mediated regulation of fimbrial adhesins, and are oppositely required for normal growth at low or high temperatures, respectively. Finally, expression levels of the three histone-like proteins H-NS, StpA and Hlp itself varied with different temperatures, thereby suggesting a flexible composition of the nucleoid-associated protein pool. Hence, we propose that the biological role of Hlp and StpA does not rely on a distinct function of the single protein, but rather on their interaction with the global regulator H-NS. / In dieser Studie wurde die Rolle von Histon-ähnlichen Proteinen bei der Genregulation im uropathogenen Escherichia coli (UPEC) Isolat 536 untersucht. Das Histon-ähnliche Protein H-NS (engl. histone-like nucleoid structuring protein) ist ein globaler Regulator in E. coli, der in apathogenen Stämmen eingehend untersucht worden ist. Im Gegensatz dazu liegen noch keine umfassenden Studien zur Rolle von H-NS und des homologen Proteins StpA in einem pathogenen E. coli Stamm vor. Zudem konnten wir ein drittes, bis jetzt noch nicht charakterisiertes Mitglied der Familie von H-NS-ähnlichen Protein im uropathogenen E. coli Isolat 536 identifizieren, das Hlp benannt wurde (für H-NS-like protein). Hlp ist ein aus 134 Aminosäuren bestehendes Protein, dessen Sequenz zu 58 % identisch mit der des H-NS Proteins ist. Das Gen, das für das Hlp Protein kodiert, hlp, konnte in zahlreichen uropathogenen und Fäkalisolaten nachgewiesen werden, jedoch nicht im apathogenen E. coli K-12. In den UPEC Isolaten 536 und CFT073 ist das hlp Gen auf einer 23-kb großen genomischen Insel lokalisiert, die in den serU Lokus inseriert ist und möglicherweise über horizontalen Gentransfer erworben wurde. Untersuchungen zur Transkription des hlp Gens ergaben, dass das Gen monocistronisch von einem einzigen Promotor transkribiert, und dessen Expression durch H-NS reprimiert wird. Rekombinantes Hlp Protein war befähigt, sowohl an seinen eigenen, als auch an den hns Promotor zu binden, was zu negativer Auto- und Kreuzregulation führte. Zudem konnte gezeigt werden, dass Hlp und H-NS direkt miteinander interagieren, was zu stabilen Heteromeren führte. Komplementierungsstudien in hns Mutanten einiger K-12 Stämme ergaben, dass das Hlp Protein über in vivo Aktivität verfügt, was es befähigte, die Abwesenheit von H-NS bei zahlreichen Phänotypen wie z.B. Motilität, Wachstum, und Repression der proU, bgl und clyA Gene zu komplementieren. Die Rolle der Histon-ähnlichen Proteine bei der Expression von Virulenz-assoziierten Genen wurde mittels DNA Array Technologie, sowie klassischen phänotypischen Tests analysiert. Dabei wurden die meisten der beobachteten Effekte einzig durch das H-NS Protein bedingt. Die Expressionsstudien ergaben, dass über 500 Gene von einer hns Mutation beeinflusst wurden, was eine verstärkte Expression des alpha-Hämolysins, mehrerer Fimbrien und Eisenaufnahmesysteme sowie von Genen, die in Stress-Antworten involviert sind, bedingte. Des Weiteren konnten zahlreiche putative Virulenzfaktoren dem H-NS-Regulon zugeordnet werden. Andererseits konnten keine Effekt durch StpA beobachtet werden. Eine hns stpA Doppelmutante wies jedoch ein eindeutiges Expressionsmuster auf, das in großen Teilen von dem der hns Einzelmutante abwich. Dies legt nahe, dass beide Proteine direkt miteinander interagieren, was das Auftreten von unterschiedlichen Regulons zur Folge hat, die entweder durch H-NS oder einem heteromeren H-NS/StpA Komplex beeinflusst werden. Obwohl das H-NS Protein – entweder als Homomer oder als Komplex mit StpA – einen sehr starken Einfluss auf die Genexpression pathogener E. coli Stämme nimmt, bleiben dessen Effekte auf die tatsächliche Virulenz im Urogenitaltrakt unklar. In einem experimentellen Mausmodell der aufsteigenden Harnwegsinfektion bewirken hns Mutanten, in hoher Dosis verabreicht, eine rasch eintretende Lethalität, was vermutlich der verstärkten Produktion von alpha-Hämolysin zuzuschreiben ist. In verringerter Dosis verabreicht, sind diese Mutanten durch ihre langsameren Wachstumsraten jedoch attenuiert, was nur teilweise durch die vestärkte Expression zahlreicher Virulenzfaktoren kompensiert werden kann. Wie schon bei StpA beobachtet, besitzt eine hlp Mutante keinen offensichtlichen Phänotyp, zumindest unter Standard-Wachstumsbedingungen. Jedoch macht sich in hns hlp Doppelmutanten ein starker Wachstumsdefekt bei erniedrigten Temperaturen bemerkbar, was eine biologische Relevanz von H-NS/Hlp Heteromeren unter bestimmten Bedingungen nahe legt. Des Weiteren exprimierten diese Mutanten erhöhte Mengen an Kapsel-Polysacchariden und Curli-Adhesin, was als Indiz für eine besondere Rolle für H NS und Hlp bei der Regulation dieser Oberflächenstrukturen dienen kann. Zudem hatten beide H-NS-Paraloge Hlp und StpA einen modulierenden Effekt bei der H-NS-vermittelten Regulation weiterer Fimbrien-Adhesine und waren in gegenläufigen Maßen für normales Wachstum bei erhöhten bzw. erniedrigten Temperaturen notwendig. Zuletzt variierte das Expressionsniveau der drei Histon-ähnlichen Proteine H-NS, StpA und Hlp bei unterschiedlichen Temperaturen, was auf eine flexible Zusammensetzung verfügbarer Nucleoid-assoziierter Proteine hindeutet. Dies alles impliziert, dass die biologische Relevanz von Hlp, und StpA gleichermaßen, nicht auf gesonderten Funktionen des einzelnen Proteins beruht, sondern vielmehr auf deren Interaktionen mit dem globalen Regulatorprotein H-NS.

Precise control of mitotic progression is vital for the maintenance of genomic integrity. Since the loss of genomic integrity is known to promote tumorigenesis, the identification of knew G2/M regulatory genes attracts great attention. LINC, a human multiprotein complex, is a transcriptional activator of a set of G2/M specific genes. By depleting LIN9 in MEFs, a core subunit of LINC, Gas2l3 was identified as a novel LINC target gene. The so far uncharacterized Gas2l3 gene encodes for a member of the family of growth arrest specific 2 (GAS2) proteins, which share a highly conserved putative actin binding CH and a putative microtubule binding GAS2 domain. In the present study GAS2L3 was identified as a LINC target gene also in human cells. Gene expression analysis revealed that GAS2L3 transcription, in contrast to all other GAS2 family members, is highly regulated during the cell cycle with highest expression in G2/M. The GAS2L3 protein showed a specific localization pattern during the M phase: In metaphase, GAS2L3 localized to the mitotic spindle, relocated to the spindle midzone microtubules in late anaphase and concentrated at the midbody in telophase where it persisted until the end of cytokinesis. Overexpression of a set of different GAS2L3 deletion mutants demonstrated that the localization to the mitotic microtubule network is dependent on the C-terminus, whereas the midbody localization is dependent on full length GAS2L3 protein. Additionally, exclusive overexpression of the CH domain induced the formation of actin stress fibers, suggesting that the CH domain is an actin binding domain. In contrast, the GAS2 domain was neither needed nor sufficient for microtubule binding, indicating that there must be an additional so far unknown microtubule binding domain in the C-terminus. Interestingly, immunoblot analysis also identified the C-terminus as the domain responsible for GAS2L3 protein instability, partially dependent on proteasomal degradation. Consistent with its specific localization pattern, GAS2L3 depletion by RNAi demonstrated its responsibility for proper mitosis and cytokinesis. GAS2L3 depletion in HeLa cells resulted in the accumulation of multinucleated cells, an indicator for chromosome mis-segregation during mitosis. Also the amount of cells in cytokinesis was enriched, indicating failures in completing the last step of cytokinesis, the abscission. Strikingly, treatment with microtubule poisons that lead to the activation of the spindle assembly checkpoint (SAC) indicated that the SAC was weakened in GAS2L3 depleted cells. Although the exact molecular mechanism is still unknown, fist experiments support the hypothesis that GAS2L3 might be a regulator of the SAC master kinase BUBR1. In conclusion, this study provides first evidence for GAS2L3 as a novel regulator of mitosis and cytokinesis and it might therefore be an important guardian against tumorigenesis. / Der korrekte Verlauf durch die Mitose des Zellzyklus trägt entscheidend zur Aufrechterhaltung der genomischen Integrität bei. Da ein Verlust der genomischen Integrität die Tumorentstehung begünstigt, ist die Identifizierung neuer G2/M regulatorischer Gene ein Forschungsbereich, der großes Interesse weckt. Der humane Multiproteinkomplex LINC ist für die transkriptionelle Aktivierung einer Vielzahl G2/M spezifischer Gene verantwortlich. Durch die Depletion von LIN9 in MEFs, einer Kernkomponente von LINC, wurde Gas2l3 als ein neues Zielgen von LINC identifiziert. Das bisher uncharakterisierte Gas2l3 Gen codiert für ein der GAS2 (growth arrest specific 2) Familie zugehöriges Protein, deren Mitglieder sich durch eine hoch konservierte putative Aktin-bindende Domäne (CH) und eine putative Mikrotubuli-bindende Domäne (GAS2) auszeichnen. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass GAS2L3 auch in humanen Zellen ein Zielgen von LINC ist. Die Transkription von GAS2L3 wies, im Gegensatz zu allen anderen GAS2 Familienmitgliedern, eine starke Regulation während des Zellzyklus auf, wobei die höchste Genexpression in der G2/M Phase vorlag. Das GAS2L3 Protein zeigte eine spezifische Lokalisation während der M Phase: In der Metaphase findet sich GAS2L3 an der mitotischen Spindel, wandert von dort an die Mikrotubuli der zentralen Spindel der Anaphase und konzentriert sich in der Telophase am Midbody, wo es bis zum Ende der Zytokinese verweilt. Der Einsatz unterschiedlicher Deletionsmutanten demonstrierte, dass die Lokalisation an die mitotischen Mikrotubuli vom C-Terminus abhängig ist, wohingegen die Lokalisation am Midbody von der gesamten Proteinsequenz abhängt. Die Ausbildung von Aktin-Streß-Filamenten nach alleiniger Überexpression der CH Domäne deutete darauf hin, dass die CH Domäne eine Aktin-bindende Domäne ist. Die GAS2 Domäne hingegen wurde weder für die Interaktion mit Mikrotubuli gebraucht, noch war sie alleine für diese ausreichend. Alle Daten weisen darauf hin, dass GAS2L3 eine bisher unbekannte Mikrotubuli-bindende Domäne im C-Terminus trägt. Interessanterweise ist der C-Terminus auch für die hohe Instabilität des GAS2L3 Proteins, die teilweise durch den Abbau im Proteasom verursacht wird, verantwortlich. Entsprechend der spezifischen Lokalisation zeigte die Depletion von GAS2L3 durch siRNA Transfektion dessen Wichtigkeit für den korrekten Verlauf der M Phase. GAS2L3 depletierte HeLa Zellen zeigten eine Anreicherung von multinukleären Zellen, welche ein Indikator für die fehlerhafte Verteilung der Chromosomen in der Mitose sind. Ein Hinweis auf Probleme im Beenden der Zytokinese stellte die erhöhte Anzahl von Zellen dar, die sich in der Zytokinese befanden. Eines der auffallendsten Merkmale war ein geschwächter mitotischer Spindelkontrollpunkt, den GAS2L3 depletierte Zellen nach der Behandlung mit den Kontrollpunkt aktivierenden Mikrotubuli-Giften aufwiesen. Auch wenn der exakte molekulare Mechanismus hierbei noch unbekannt ist, deuten erste Experimente darauf hin, dass GAS2L3 die Aktivität von BUBR1, einer essentiellen Kinase des mitotischen Spindelkontrollpunkts, beeinflusst. Alle Daten dieser Arbeit verdeutlichen die Wichtigkeit von GAS2L3 als einen neuen Regulator der Mitose und Zytokinese. Somit ist anzunehmen, dass die korrekte Funktion von GAS2L3 entscheidend zum Schutz vor Tumorentstehung beiträgt.

Neisseria meningitidis is a facultative human pathogen that occasionally shows strong resistance against serum complement exposure. Previously described factors that mediate meningococcal serum resistance are for example the capsule, LPS sialylation, and expression of the factor H binding protein. I aimed for identification of novel serum resistance factors, thereby following two approaches, i) the analysis of the impact of global regulators of gene expression on serum resistance; and ii) a comparative analysis of closely related strains differing in serum resistance. (i) Of six meningococcal global regulators of gene expression studied, only mutation of the zinc uptake regulator Zur reduced complement deposition on meningococci. Little was known about meningococcal Zur and regulatory processes in response to zinc. I therefore elucidated the yet unidentified meningococcal Zur regulon comparing the transcriptional response of the N. meningitidis strain MC58 under zinc-rich and zinc-deficient conditions using a common reference design of microarray analysis. The meningococcal Zur regulon comprises 17 genes, of which 15 genes were repressed and two genes were activated at high zinc condition. Amongst the Zur-repressed genes were genes involved in zinc uptake, tRNA modification, and ribosomal assembly. A 23 bp meningococcal consensus Zur binding motif (Zur box) with a conserved central palindrome was established (TGTTATDNHATAACA) and detected in the promoter region of all regulated transcriptional units (genes/operons). In vitro binding of meningococcal Zur to the Zur box of three selected genes was shown for the first time using EMSAs. Binding of meningococcal Zur to DNA depended specifically on zinc, and mutations in the palindromic sequence constrained Zur binding to the DNA motif. ii) Three closely related strains of ST-41/44 cc from invasive disease and carriage which differed in their resistance to serum complement exposure were analysed to identify novel mediators of serum resistance. I compared the strains’ gene content by microarray analysis which revealed six genes being present in both carrier isolates, but absent in the invasive isolate. Four of them are part of two Islands of horizontally transferred DNA, i.e. IHT-B and –C. The working group furthermore applied a comprehensive screening assay, a transcriptome and a proteome analysis leading to identification of three target proteins. I contributed to establish the role of these three proteins in serum resistance: The adhesin Opc mediates serum resistance by binding of vitronectin, a negative regulator of the complement system; the hypothetical protein NMB0865 slightly contributes to serum resistance by a yet unknown mechanism; and NspA, recently identified to bind the negative complement regulator factor H, led to considerable reduced complement-mediated killing. / Neisseria meningitidis ist ein fakultatives Humanpathogen, welches mitunter sehr resistant gegenüber Serumkomplement-Exposition ist. Bereits beschriebene Faktoren, welche die Serumresistenz von Meningokokken fördern, sind beispielsweise die Kapsel, LPS-Sialylierung und Expression des fH-bindenden Proteins. Das Ziel dieser Arbeit war die Identifikation neuartiger Serumresistenzfaktoren, wobei ich zwei Ansätzen verfolgte: i) Die Analyse des Einflusses von globalen Regulatoren der Genexpression auf die Serumresistenz; und ii) eine vergleichenden Analyse von eng verwandten Stämmen, die sich hinsichtlich ihrer Serumresistanz unterschieden. i) Von sechs untersuchten globalen Regulatoren der Genexpression, war die Komplementdeposition auf Meningokokken nur nach Mutation des Regulators der Zinkaufnahme, Zur, reduziert. Über Zur selbst und die regulatorischen Prozesse in Reaktion auf Zink war in Meningokokken wenig bekannt. Ich habe daher das bisher nicht bestimmte Zur-Regulon von Meningokokken aufgeklärt, wofür ich mittels Mikroarrays die transkriptionelle Antwort des N. meningitidis-Stammes MC58 unter Zink-Überfluss und Zink-Mangel zu vergleichen. Das Zur-Regulon von Meningokokken umfasst 17 Gene, von denen unter Zinküberfluss 15 reprimiert und zwei aktiviert wurden. Unter den Zur-reprimierten Genen fanden sich Gene, die in die Aufnahme von Zink, die Modikation von tRNAs und den Zusammenbau des Ribosoms involviert sind. Ein 23 bp langes Binde-Konsensusmotiv für Meningokokken-Zur (Zur-Box) mit einem konservierten zentralen Palindrom wurde ermittelt (TGTTATDNHATAACA) und in der Promotorregion aller regulierten Transkriptionseinheiten (Gene/Operons) detektiert. In vitro-Bindung des N. meningitidis Zur an die Zur-Box dreier ausgewählter Genen konnte mittels EMSAs erstmals gezeigt werden. Die Bindung von Zur an DNA war spezifisch abhängig von Zink, und Mutationen in der palindromischen Sequenz hemmten die Zur-Bindung an das DNA-Motiv. ii) Drei eng verwandte Stämme des ST-41/44-Komplexes aus invasiver Erkrankung und Trägertum, die sich in ihrer Resistenz gegenüber Serumkomplement-Exposition unterschieden, wurden analysiert um neuartige Mediatoren der Serumresistenz zu identifizieren. Der Gengehalt der Stämme wurde mittels Mikroarray-Analyse verglichen. Dies offenbarte sechs Gene, die in den beiden Trägerstämmen vorhanden, aber in dem invasiven Isolat abwesend waren. Vier dieser Gene liegen innerhalb zweier Inseln horizontal transferierter DNA, d.h. IHT-B und –C. Weiterhin führte die Arbeitsgruppe eine Transkriptom- und Proteom-Analyse der drei Stämme sowie einen umfangsreichen Screening-Assay durch. Diese Ansätze führten zur Identifikation dreier Kandidaten-Proteine für die weitere Analyse. Ich wirkte daran mit, die Rolle dieser Proteine für die Serumresistenz von Meningokokken zu ermitteln: Das Adhäsin Opc vermittelt Serumresistenz durch Bindung von Vitronektin, einem negativen Regulator des Komplementsystems; das hypothetische Protein NMB0865 trägt über einen bisher unbekannten Mechanismus geringfügig zur Serumresistanz bei; und NspA, für welches vor Kurzem erkannt wurde, dass es den negativen Komplementregulator Faktor H bindet, führte zu beträchtlich reduzierter Abtötung durch Komplement.

Neisseria meningitidis is a commensal bacterium which sometimes causes serious disease in humans. Recent studies in numerous human pathogenic bacteria have shown that the stringent response contributes to bacterial virulence. Therefore, this study analyzed the regulation of the stringent response in meningococci and in particular of RelA as well as its contribution to ex vivo fitness in a strain- and condition- dependent manner by using the carriage strain α522 and the hyperinvasive strain MC58 in different in vitro and ex vivo conditions. Growth experiments revealed that both wild-type strains were almost indistinguishable in their ex vivo phenotypes. However, quantitative real time PCR (qRT-PCR) found differences in the gene expression of relA between both strains. Furthermore, in contrast to the MC58 RelA mutant strain α522 deficient in RelA was unable to survive in human whole blood, although both strains showed the same ex vivo phenotypes in saliva and cerebrospinal fluid. Moreover, strain α522 was depended on a short non-coding AT-rich repeat element (ATRrelA) in the promoter region of relA to survive in human blood. Furthermore, cell culture experiments with human epithelial cells revealed that in both strains the deletion of relA resulted in a significantly decreased invasion rate while not significantly affecting adhesion. In order to better understand the conditional lethality of the relA deletion, computational and experimental analyses were carried out to unravel differences in amino acid biosynthetic pathways between both strains. Whereas strain MC58 is able to synthesize all 20 amino acids, strain α522 has an auxotrophy for cysteine and glutamine. In addition, the in vitro growth experiments found that RelA is required for growth in the absence of external amino acids in both strains. Furthermore, the mutant strain MC58 harboring an ATRrelA in its relA promoter region showed improved growth in minimal medium supplemented with L-cysteine and/or L-glutamine compared to the wild-type strain. Contrary, in strain α522 no differences between the wild-type and the ATRrelA deletion mutant were observed. Together this indicates that ATRrelA interferes with the complex regulatory interplay between the stringent response pathway and L-cysteine as well as L-glutamine metabolism. It further suggests that meningococcal virulence is linked to relA in a strain- and condition- depended manner. In conclusion, this work highlighted the role of the stringent response and of non-coding regulatory elements for bacterial virulence and indicates that virulence might be related to the way how meningococci accomplish growth within the host environments. / Neisseria meningitidis ist ein kommensal lebendes, fakultativ pathogenes Bakterium, welches unter nicht vollständig verstandenen Umständen lebensbedrohliche Krankheitsbilder bei Menschen verursacht. Aktuelle Studien haben gezeigt, dass die stringente Antwort einen Einfluss auf die bakterielle Virulenz haben kann. Aus diesem Grund untersucht diese Arbeit die Regulation der stringenten Antwort, insbesondere die Rolle von RelA, sowie den Einfluss der stringenten Antwort auf die Ex-vivo-Fitness der Meningokokken. Die Ergebnisse wurden für den Trägerstamm α522 und den hyperinvasiven Stamm MC58 erhoben und miteinander verglichen. Wachstumsexperimente zeigten, dass sich beide Wildtyp-Stämme in ihren Ex-vivo-Phänotypen nicht unterscheiden. Jedoch wurden mittels quantitativer Echtzeit-PCR (qRT-PCR) Unterschiede zwischen beiden Stämmen in der Genexpression von relA gefunden. Zudem war die α522 relA Mutante im Gegensatz zu der MC58 relA Mutante nicht in der Lage, in menschlichem Vollblut zu überleben. Allerdings zeigten in Saliva und Liquor beide Stämme den gleichen Phänotyp. Außerdem war der Trägerstamm auf eine kurze, nicht-codierende AT-reiche Region (ATRrelA) in der Promotorregion von relA angewiesen, um im menschlichen Blut überleben zu können. Darüber hinaus zeigten Zellkulturexperimente mit humanen Epithelzellen, dass die Deletion relA die Invasionsrate in beiden Stämmen signifikant verringerte, obwohl die Adhäsionsrate durch die Deletion unbeeinflusst blieb. Um besser verstehen zu können, weshalb die Deletion von relA unter bestimmten Bedingungen letal ist, wurden mit In-silico- und experimentellen Analysen nach Unterschieden in den Aminosäurebiosynthesewegen beider Stämme gesucht. Es zeigte sich, dass Stamm MC58 in der Lage ist alle 20 Aminosäuren zu synthetisieren, während Stamm α522 eine Auxotrophie für Cystein und Glutamin aufweist. Ferner zeigten die In-vitro-Wachstumsversuche, dass RelA bei Aminosäuremangel essentiell für beide Stämme ist. Darüber hinaus zeigte eine MC58 Mutante mit einer ATRrelA –Kopie in der relA Promotorregion ein im Vergleich zum Wildtyp-Stamm verbessertes Wachstum in mit L-Cystein und/oder L-Glutamin angereichertem Minimalmedium. Gegensätzlich dazu zeigte der Stamm α522 keine Unterschiede im Wachstum zwischen dem Wildtyp und einer ATRrelA Deletions-Mutante. Dies deutet darauf hin, dass ATRrelA an dem komplexen regulatorischen Zusammenspiel der stringenten Antwort und dem L-Cystein- beziehungsweise dem L-Glutamin-Metabolismus beteiligt ist. Es lässt sich vermuten, dass RelA zu der Virulenz von Meningokokken in einer stamm- und umgebungsspezifischen Weise beiträgt. Abschließend hebt diese Arbeit die Rolle von kleinen regulatorischen Elementen für die bakterielle Virulenz hervor und postuliert, dass die Virulenz der Meningokokken auf ihrer Fähigkeit basiert, sich der durch den Wirt gegebenen Umgebung anzupassen.

Biological systems such as cells or whole organisms are governed by complex regulatory networks of transcription factors, hormones and other regulators which determine the behavior of the system depending on internal and external stimuli. In mathematical models of these networks, genes are represented by interacting “nodes” whose “value” represents the activity of the gene. Control processes in these regulatory networks are challenging to elucidate and quantify. Previous control centrality metrics, which aim to mathematically capture the ability of individual nodes to control biological systems, have been found to suffer from problems regarding biological plausibility. This thesis presents a new approach to control centrality in biological networks. Three types of network control are distinguished: Total control centrality quantifies the impact of gene mutations and identifies potential pharmacological targets such as genes involved in oncogenesis (e.g. zinc finger protein GLI2 or bone morphogenetic proteins in chondrocytes). Dynamic control centrality describes relaying functions as observed in signaling cascades (e.g control in mouse colon stem cells). Value control centrality measures the direct influence of the value of the node on the network (e.g. Indian hedgehog as an essential regulator of proliferation in chondrocytes). Well-defined network manipulations define all three centralities not only for nodes, but also for the interactions between them, enabling detailed insights into network pathways. The calculation of the new metrics is made possible by substantial computational improvements in the simulation algorithms for several widely used mathematical modeling paradigms for genetic regulatory networks, which are implemented in the regulatory network simulation framework Jimena created for this thesis. Applying the new metrics to biological networks and artificial random networks shows how these mathematical concepts correspond to experimentally verified gene functions and signaling pathways in immunity and cell differentiation. In contrast to controversial previous results even from the Barabási group, all results indicate that the ability to control biological networks resides in only few driver nodes characterized by a high number of connections to the rest of the network. Autoregulatory loops strongly increase the controllability of the network, i.e. its ability to control itself, and biological networks are characterized by high controllability in conjunction with high robustness against mutations, a combination that can be achieved best in sparsely connected networks with densities (i.e. connections to nodes ratios) around 2.0 - 3.0. The new concepts are thus considerably narrowing the gap between network science and biology and can be used in various areas such as system modeling, plausibility trials and system analyses. Medical applications discussed in this thesis include the search for oncogenes and pharmacological targets, as well their functional characterization. / Biologische Systeme wie Zellen aber auch ganze Organismen werden durch ein komplexes Netzwerk von Transkriptionsfaktoren, Hormonen und anderen Regulatoren kontrolliert, welche das Verhalten des Systems in Abhängigkeit von internen und externen Einflüssen steuern. In mathematischen Modellen dieser Netzwerke werden Gene durch „Knoten“ repräsentiert, deren „Wert“ die Aktivität des Gens wiederspiegelt. Kontrollvorgänge in diesen Regulationsnetzwerken sind schwierig zu quantifizieren. Existierende Maße für die Kontrollzentralität, d.h. die Fähigkeit einzelner Knoten biologische Systeme zu kontrollieren, zeigen vor allem Probleme mit der biologischen Plausibilität der Ergebnisse. Diese Dissertation stellt eine neue Definition der Kontrollzentralität vor. Dabei werden drei Typen der Kontrollzentralität unterschieden: Totale Kontrollzentralität quantifiziert den Einfluss von Mutationen eines Gens und hilft mögliche pharmakologische Ziele wie etwa Onkogene (z. B. das Zinkfingerprotein GLI2 oder Bone Morphogenetic Proteins in Chondrozyten) zu identifizieren. Dynamische Kontrollzentralität beschreibt signalweiterleitende Funktionen in Signalkaskaden (z. B. in Kontrollprozessen in Stammzellen des Mauskolons). Wert-Kontrollzentralität misst den Einfluss des Werts des Knotens (zum Beispiel die Rolle von Indian hedgehog als essentieller Regulator der Chondrozytenproliferation). Durch gezielte Manipulation von Netzwerken können die Zentralitäten nicht nur für Knoten, sondern auch für die Interaktionen zwischen ihnen bestimmt werden, was detaillierte Einblicke in Netzwerkpfade erlaubt. Möglich wird die Berechnung der neuen Maße durch substantielle Verbesserungen der Simulationsalgorithmen mehrerer häufig verwendeter mathematischer Muster für Genregulationsnetzwerke, welche in der für diese Dissertation entwickelten Software Jimena implementiert wurden. Durch die Anwendung der neuen Metriken auf biologische Netzwerke und künstliche Zufallsnetzwerke kann gezeigt werden, dass die mathematischen Konzepte experimentell bestätigte Funktionen von Genen und Signalpfaden im Immunsystem und der Zelldifferenzierung korrekt wiedergeben. Im Gegensatz zu umstrittenen Ergebnissen der Forschungsgruppe Barabási zeigt sich hier, dass die Fähigkeit, biologische Netzwerke zu kontrollieren, in nur wenigen Knoten konzentriert ist, welche sich vor allem durch viele Verbindungen zum Rest des Netzwerks auszeichnen. Knoten, welche ihre eigene Expression beeinflussen, steigern die Fähigkeit eines Netzwerkes sich selbst zu kontrollieren (Kontrollierbarkeit), und biologische Netzwerke zeichnen sich durch hohe Kontrollierbarkeit bei gleichzeitig hoher Resistenz gegenüber Mutationen aus. Diese Kombination kann am besten durch eher schwach verbundene Netzwerke erreicht werden, bei denen auf einen Knoten nur etwa 2 bis 3 Verbindungen kommen. Die neuen Konzepte schlagen so eine Brücke zwischen Netzwerkwissenschaften und Biologie, und sind in einer Vielzahl von Gebieten wie der Modellierung von Systemen sowie der Überprüfung ihrer Plausibilität und ihrer Analyse anwendbar. Medizinische Anwendungen, auf welche in dieser Dissertation eingegangen wird, sind zum Beispiel die Suche nach Onkogenen und pharmakologischen Zielen, aber auch deren funktionelle Analyse.

Zugl.: Leipzig, Univ., Diss., 2007

University, Diss., 2006--Frankfurt (Main). / Zsfassung in engl. und dt. Sprache.

Darmstadt, Techn. Universiẗat, Diss., 2007. / Dateien im PDF-Format.

Heidelberg, Universiẗat, Diss., 2007.

Zugl.: Zürich, Techn. Hochsch., Diss., 2009