Ulm, Univ., Diss., 2008.

Universiẗat, Diss.--Hannover, 1992.

Würzburg, Univ., Diss., 2009. / Zsfassung in engl. Sprache.

Univ., Diss., 2010--Würzburg.

Universiẗat, Diss., 2001--München.

Halle, Universiẗat, Diss., 2000.

Universiẗat, Diss., 2004--Kassel.

Die 2001 beschriebene Art B. petrii stellt den ersten Umweltkeim der Gattung Bordetella dar, welcher aus einer anaeroben, dechlorinierenden Anreicherungskultur aus Flusssediment isoliert wurde. Phylogenetisch wird B. petrii an die Basis der Gattung Bordetella eingeordnet und ist in evolutionärer Hinsicht deshalb interessant, weil er sowohl für orthologe Gene bestimmter Virulenzfaktoren der pathogenen Bordetellen kodiert als auch typische Eigenschaften von Umweltkeimen aufweist und somit eine Art Bindeglied darstellt. Da B. petrii ein orthologes BvgAS-System besitzt (der Hauptregulator der Virulenzgenexpression in den pathogenen Bordetellen), wurde dessen Struktur im Rahmen dieser Arbeit mittels in silico Analysen untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass eine Konservierung nur auf Aminosäureebene deutlich zu erkennen ist und der Response Regulator BvgA von B. petrii die stärkste Konservierung aufweist. Desweiteren besitzt B. petrii Gene für zwei Histidinkinasen, BvgS1 und BvgS2, sowie ein separates Gen, welches für eine Hpt-Domäne kodiert. Weitere putative Virulenzfaktoren von B. petrii gehören in die Gruppe der Adhäsionsfaktoren. Diese Faktoren spielen bei den „klassischen“ Bordetellen im Infektionszyklus eine wichtige Rolle für die Anheftung z.B. an die Epithelzellen des Respirationstraktes. Um ein mögliches pathogenes Potential von B. petrii abschätzen zu können, wurden vergleichende Zellkulturstudien mit B. bronchiseptica durchgeführt. Dabei konnte gezeigt werden, dass B. petrii um den Faktor 7,5 weniger in Makrophagen aufgenommen wird. Hinweise auf die Funktionalität des BvgAS-Systems in B. petrii wurden durch Proteomstudien mit einer BvgA-Mutante erhalten, und deuten darauf hin, dass das BvgAS-System in B. petrii möglicherweise eine Funktion in der Respirationskontrolle haben könnte. Im Rahmen der Genomsequenzierung wurden acht genomische Inseln beschrieben, die in dieser Arbeit hinsichtlich ihrer Struktur und ihrem Excisionsverhalten untersucht wurden. Es konnte gezeigt werden, dass die genomischen Inseln, mit Ausnahme der Insel GI0, in verschiedenen Kombinationen, als ringförmige Intermediate aus dem B. petrii Genom ausgeschnitten werden können. Vier der genomischen Inseln (GI1-GI3 und GI6) weisen strukturelle Ähnlichkeiten zu einer Familie syntenischer genomischer Inseln auf, zu denen auch das clc-Element von Pseudomonas sp. Strain B13 zählt. Die größte Ähnlichkeit zum clc-Element weist die Insel GI3 von B. petrii auf. Diese beiden Inseln haben annähernd die gleiche Größe und besitzen Gene zu Abbau von 3-Chlorobenzoat (3-CBA). Die Untersuchung der Stabilität von GI3 ergab, dass nach 125-150 Generationen nur noch 1,5 % der Bakterien die Insel GI3 enthielten. Desweiteren konnte die Übertragung der Insel GI3 von B. petrii auf B. bronchiseptica PS2 gezeigt und der Integrationsbereich bestimmt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde auch ein neuer Stammbaum der Gattung Bordetella erstellt, in welchen eine Reihe kürzlich neu beschriebener B. petrii Isolate mit aufgenommen wurden wodurch ein zu den pathogenen Bordetellen abgegrenztes Cluster gebildet wird. / The in 2001 described species B. petrii represents the first environmental isolate of the genus Bordetella and was derived from an anaerobic, dechlorinating bioreactor culture enriched from river sediment. Phylogenetically B. petrii is placed at the root of the genus Bordetella. Since it possesses several orthologous genes to virulence factors of the pathogenic Bordetella species but also shows typical features of environmental bacteria, B. petrii might represent some sort of evolutionary missing link. A putative virulence factor in B. petrii is for example the BvgAS-system, which appears to be the master regulator for virulence gene expression in the pathogenic Bordetellae. In this work the structure of this BvgAS ortholog was to be investigated via in silico analyses. We could show that there is a clear conservation on amino acid level and that it is the response regulator BvgA that displays the strongest conservation. Furthermore B. petrii possesses two histidine kinase genes, bvgS1 and bvgS2, as well as a separate gene, coding for an Hpt-domain. Further putative virulence factors of B. petrii are adhesion factors. These play an important role in the infectious cycle of the classical Bordetellae to adhere e.g. to the epithelial cells of the respiratory tract. To assess a possible pathogenic potential of B. petrii, comparative cell culture studies with B. bronchiseptica were performed. They showed that the uptake of B. petrii into macrophages is 7,5 times less than the uptake of B. bronchiseptica. To learn about the function of the BvgAS-system in B. petrii, proteome studies with a BvgA-mutant were performed which indicate that the BvgAS-system in B. petrii might play a role in respiratory control and may react to changing oxygen availabilities. The genome sequencing project determined eight genomic islands which were investigated in this work regarding their structure and excision behaviour. We showed that all genomic islands, except island GI0, were able to excise from the B. petrii genome in different combinations and to form circular intermediates. Four of the genomic islands (GI1-GI3 and GI6) show structural similarity to a family of syntenic genomic islands also comprising the clc-element of Pseudomonas sp. strain B13. The island GI3 exhibits the highest similarity to the clc-element. Both islands are approximately of the same size and contain genes for 3-chlorobenzoate (3-CBA) degradation. Investigation of the GI3 stability revealed a loss of GI3 in 98,5 % of the bacteria after 125-150 generations. We further demonstrated the transfer of GI3 form B. petrii to B. bronchiseptica PS2 and also identified the integration site. In this work also a new phylogenetic tree of the genus Bordetella had to be created by integrating the recently described new B. petrii isolates which showed that the B. petrii isolates derived from different habitats form an independent cluster.

Horizontaler Gentransfer zwischen Bakterien – sogar zwischen verschiedenen Spezies – ist ein wichtiger Mechanismus für den Austausch genetischer Information. Dies kann dem Rezipienten einen selektiven Vorteil verleihen, z. B. durch die schnelle Aneignung von Genclustern, die für Pathogenitäts- oder Fitnessfaktoren kodieren. Die Variabilität bakterieller Genome durch Aneignung und Inkorporation genetischen Materials in das Genom trägt somit erheblich zur Evolution von Bakterien bei. Bakterielle Genome neigen allerdings dazu, nutzlose genetische Information zu verlieren und daher kann horizontal erworbener DNA häufig eine distinkte biologische Funktion zugeordnet werden. Das Colibactin-Gencluster, welches zuerst in Escherichia coli gefunden wurde, weist mehrere Charakteristika einer horizontal erworbenen genomischen Insel auf. Die Größe dieser genomischen Insel beträgt 54 kb und sie umfasst 20 offene Leseraster (ORFs), von denen acht für putative Polyketidsynthasen (PKS), nichtribosomale Peptidsynthasen (NRPS) und Hybride dieser kodieren. Colibactin übt einen zytopathischen Effekt (CPE) auf eukaryotische Zellen in vitro aus. Nach Kokultivierung Colibactin-Gencluster-positiven Bakterien mit eukaryotischen Zellen kommt es zu DNA Doppelstrang Brüchen, Zellzyklus-Arrest in der G2-Phase, Megalozytose und schließlich zum Zelltod. Diese Effekte sind mit denen des Zyklomodulins „Cytolethal Distending Toxin“ (CDT) vergleichbar, allerdings konnte die biologische Funktion des Colibactins in vivo bisher nicht aufgeklärt werden. Das Colibactin-Gencluster wurde bisher nur in Escherichia coli Stämmen der phylogenetischen Gruppe B2 als individuelle genomische Insel, integriert im tRNA-asnW-Gen, vorgefunden. Im Rahmen dieser Arbeit konnte das Colibactin-Gencluster auch in E. coli der phylogenetischen Gruppe B1 und in Citrobacter koseri, Enterobacter aerogenes und Klebsiella pneumoniae subsp. pneumoniae nachgewiesen werden. In diesen Bakterienstämmen ist das Colibactin-Gencluster Teil eines genetischen Elements, das Ähnlichkeit zu integrativen und konjugativen Elementen (ICE) aus E. coli und K. pneumoniae aufweist. Im Gegensatz zur hochkonservierten Integrationsstelle des Colibactin-Genclusters in tRNA-asnW in E. coli der phylogenetischen Gruppe B2 konnte die Integrationsstelle dieses ICE in E. coli der Gruppe B1 in tRNA-asnU bestimmt werden. In Bakterienstämmen der Spezies K. pneumoniae subsp. pneumoniae wurden vier verschiedene Integrationsstellen in fünf analysierten Stämmen identifiziert. Neben der Studien zur Verbreitung und chromosomalen Integration des Colibactin-Genclusters wurden Kolonisierungsstudien im murinen streptomycinbehandelten Intestinaltrakt mit E. coli Stamm Nissle 1917 durchgeführt, um eine mögliche Funktion des Colibactins im Darmtrakt näher zu untersuchen. Weder in nicht-kompetitiven noch in kompetitiven Versuchsdurchführungen konnte dabei ein Kolonisierungsvorteil durch Colibactin nachgewiesen werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit haben gezeigt, dass das Colibactin-Gencluster in verschiedenen Spezies der Enterobacteriaceae vorhanden und funktional ist. Das Auftreten dieses sowohl als individuelle genomische Insel als auch als Teil eines ICE veranschaulicht die genetische Plastizität dieses Elements und die Bedeutung des horizontalen Transfers genetischen Materials. Die biologische Funktion des Colibactins in vivo bleibt weiterhin unklar und könnte sowohl die bakterielle Fitness als auch die Virulenz beeinflussen. / Horizontal gene transfer between bacteria – even between different species – has been shown to be an important mechanism for exchange of genetic material. This may confer a selective advantage to the recipient, e. g. the rapid acquisition of gene clusters coding for pathogenicity or fitness factors. The variability of bacterial genomes enabled by acquisition and incorporation of genetic material into their genome contributes considerably to bacterial evolution. Bacterial genomes tend to lose useless genetic information and therefore horizontally acquired DNA can most frequently be connected to a distinct biological function. The colibactin gene cluster initially discovered in Escherichia coli displays several features of a horizontally acquired genomic island. This genomic island is approximately 54 kb in size and consists of 20 open reading frames (ORFs), of which eight code for putative polyketide synthases (PKS), non-ribosomal peptide synthases (NRPS) and hybrids thereof. The synthesized hybrid non-ribosomal peptide-polyketide colibactin exerts a cytopathic effect (CPE) on eukaryotic cells, DNA double strand breaks are induced, the cells are arrested in the G2-phase of the cell cycle and exhibit megalocytosis and cell death. These effects are comparable to the effects of the cyclomodulin cytolethal distending toxin (CDT), but the biological function of colibactin in vivo is still unknown. So far the colibactin gene cluster has only been found in Escherichia coli strains of the phylogenetic lineage B2 as an individual genomic island integrated at the tRNA-asnW gene. In context of this thesis the colibactin gene cluster could be identified in E. coli strains of the phylogenetic group B1 as well as in Citrobacter koseri, Enterobacter aerogenes and Klebsiella pneumoniae subsp. pneumoniae. In those bacterial strains the colibactin gene cluster is part of a genetic element, which exhibits similarities to integrative and conjugative elements (ICE) previously described in E. coli and K. pneumoniae. In contrast to the highly conserved integration site of the colibactin gene cluster at tRNA-asnW in E. coli of the phylogenetic lineage B2, integration at tRNA-asnU was determined in E. coli of group B1. In bacterial strains of the species K. pneumoniae subsp. pneumoniae four different integration sites in a total of five strains were identified. Besides the surveys concerning the distribution and chromosomal integration of the colibactin gene cluster colonization studies of the murine streptomycin-treated intestinal tract were conducted using E. coli strain Nissle 1917 to examine a possible effect of colibactin in this context. However, there was no evidence providing a colibactin-related advantage during colonization neither in non-competitive nor in competitive experimental setups. In this thesis the existence and functionality of the colibactin gene cluster within different species of the Enterobacteriaceae was shown. Its occurrence as an individual genomic island as well as a part of an ICE demonstrates the genetic plasticity of this element and the impact of horizontally transferred genetic material. The biological function of colibactin in vivo remains to be elucidated and may affect both bacterial fitness and virulence.

Virulenz-attenuierte Bakterien sind geeignete Vektoren für den Transport von Vakzine-DNA in das Zytosol von Antigen-präsentierenden Zellen ("DNA delivery"). In dieser Arbeit wurde dazu das intrazelluläre Bakterium Listeria monocytogenes verwendet, welches sich im Zytosol von Zellen vermehrt und fortbewegt. Ausgestattet mit einer intrazellulären Lysis-Kassette kann Listeria in vitro effektiv Plasmid-DNA in das Zytosol verschiedener Zelltypen freisetzen. Zur Virulenz-Attenuierung wurde das Gen iap im Chromosom des Bakteriums deletiert. Der daraus resultierte Stamm, in Folgenden als iap bezeichnet, erwies sich als hoch attenuiert im Modell der murinen Listeriose. Diese Attenuation konnte auf einen Defekt in der Beweglichkeit der Bakterien innerhalb von Wirtszellen zurückgeführt werden, da sich bei diesem Stamm das Protein ActA, das essentiell für die Aktin-basierte Motilität von L. monocytogenes ist, fehlerhaft auf der Oberfläche der Bakterien anordnet. Zusätzlich konnte demonstriert werden, dass iap in der Zellteilung beeinträchtigt ist und deshalb eine veränderte Morphologie aufweist. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein so genanntes "Balanced-lethal" System etabliert. Dazu wurde das essentielle Gens trpS im Chromosom deletiert, während gleichzeitig eine trpS-Expressions-Kassette auf einem Vakzine-Plasmid inseriert wurde. Dieses System gewährleistet, dass das Trägerbakterium dieses Plasmid weder in vitro noch in vivo verliert. Dies ist besonders wichtig im Hinblick auf eine bakteriolytische Lysis-Kassette, welche ebenfalls auf diesem Plasmid kodiert ist. Es wurden verschiedene Lysis-Kassetten, die alle aus einem Listeria-spezifischen Phagenlysin und einem vorangestellten zytosolischen listeriellen Promotor zusammengesetzt waren, miteinander verglichen. Dabei wurde beobachtet, dass die für die Übertragung von Plasmid-DNA in das Zytosol von Wirtszellen wirksamste Phagenlysin-Kassette (PactA-ply118) die Bakterien in vitro nur partial abtötet, während sie in vivo zu einer besonders hohen Attenuation der Bakterien führt. Unter Verwendung dieses "DNA delivery" Systems wurden Mäuse oral mit Listerien infiziert, die ein DNA-Vakzine-Plasmid zur Expression des Leishmania Antigens KMP-11 trugen. Dabei konnte bei 27 % aller Tiere, die zweimal mit diesen Listerien infiziert worden sind, eine KMP-11 spezifische, proliferative Immunantwort gemessen werden. Listerien, die einen Defekt in ihrer Motilität besitzen (delta-iap, delta-actA), erwiesen sich darin beeinträchtigt, Plasmid-DNA im Zytosol von Zellen freizusetzen. Anhand dieser Stämme konnte gezeigt werden, dass die Fähigkeit von L. monocytogenes, sich innerhalb von Zellen zu bewegen und in benachbarte Zellen einzudringen eine wichtige Voraussetzung für einen effizienten Transfer von Plasmid-DNA in vitro darstellt. / Virulence-attenuated bacteria are useful carriers to introduce a DNA vaccine into antigen presenting cells (DNA delivery). To this end, the intracellular bacterium Listeria monocytogenes was used in this work, which is able to replicate and spread inside host cells. Hence Listeriae are able to efficiently release plasmid DNA within the cytosol in vitro when they are provided with a cytosolic lysis cassette. The expression of the antigen by the cell leads to the presentation of antigenic epitopes on the cell's major histocompatibilty complex (MHC) class I molecules, due to the antigen being endogenous. This stimulates the activation of CD8+ T cells which are important for clearance of tumours, parasites and virus infected cells. In order to create a virulence-attenuated carrier strain the gene iap was deleted in the chromosome of the bacterium. The resulting strain, designated as iap, was shown to be highly attenuated in mice. This was due to a defect of the intracellular motility since ActA, a protein which is necessary for actin-based motility of Listeria, was localised incorrectly at the bacterial surface. Additionally, it was demonstrated that iap is impaired in cell division which leads to an altered cell morphology. In this work a so-called balanced-lethal plasmid system was established. The essential gene trpS was deleted from the chromosome of L. monocytogenes and a trpS transcription unit was inserted in a vaccine DNA plasmid thus ensuring that no plasmid loss happens in vitro and also within the host organism. This is in particular important in terms of a bacteriolytic lysis cassette which is also encoded by the plasmid. Different lysis cassettes were tested consisting of a Listeria-specific phage lysin and an intracellular promoter of Listeria. The cassette PactA-ply118 was found the be most effective due to its DNA delivery capacity but it mediates only a partial lysis of the intracellular bacteria. However, this cassette leads to a high attenuation of Listeria in mice. Using this DNA delivery system mice were orally infected with Listeria harbouring a KMP-11 expression plasmid. 27 % of animals infected twice exhibited a specific proliferative response to the leismanial antigen KMP-11. Listeriae with a defect in their spreading capacity (delta-iap, delta-actA) were impaired in the cytosolic release of plasmid DNA. With these strains it was demonstrated, that spreading is an important prerequisite for L. monocytogenes to be an efficient DNA delivery carrier in vitro.