Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Doctor of Philosophy / Food Science Institute / Kelly J. K. Getty / Salt is used as a preservative in food. Reducing sodium in food, due to its link to hypertension, and replacing NaCl with other types of salt could have an effect on food safety. The main objective was to determine differences in salts and salt substitutes on growth of Listeria monocytogenes in broth and meat and poultry systems. Salts (NaCl, KCl, CaCl2, MgCl2, sea salt, and replacement salt) were added (0.5, 1, and 2.5%) to Listeria monocytogenes (five-strain cocktail) inoculated Listeria enrichment broth at 25 °C and sampled at 0, 24, and 48 h. Results showed that MgCl2, regardless of concentration, caused Listeria monocytogenes populations to grow approximately 0.6 log CFU/mL more (P < 0.05) than the other salts. Fresh ground beef, pork, and turkey with NaCl, KCl, CaCl2, MgCl2, sea salt, and replacement salt (2.0%) were inoculated with Listeria monocytogenes (five-strain cocktail) to determine growth/survival during 5 d at 4 °C to simulate a pre-blend process. Listeria monocytogenes populations significantly decreased (0.41 log CFU/g) during the storage time in beef, however no differences (P > 0.05) were observed over time in pork or turkey. Salt type did not affect (P > 0.05) Listeria monocytogenes populations during pre-blend storage. However, salts (MgCl2 and NaCl) allowed growth (P < 0.05) of aerobic populations during storage. Emulsified beef and pork products were processed with NaCl, KCl, sea salt and a NaCl/KCl blend (2%) and post-processed surface inoculated with Listeria monocytogenes (five-strain cocktail) to determine growth/survival at 4 °C for 28 d. Pork products showed greater (P < 0.05) Listeria monocytogenes population growth at all sampling times (0, 7, 14, 21, and 28 d) than beef products; whereas salt type had no effect on Listeria monocytogenes populations with sampling times pooled for data analysis. Although salt types were not shown to have an impact on Listeria monocytogenes growth/survival in pre-blend and emulsified post-processed surface inoculated meat products, pork and turkey pre-blends and emulsified pork had greater Listeria monocytogenes populations compared to beef products. These studies demonstrate that sodium reduction or replacement may not affect safety of pre-blends and emulsified meat and poultry products.

Die Gattung Listeria umfasst sechs bekannte Arten ubiquitär vorkommender Gram-positiver, nicht sporulierender Stäbchenbakterien. Von diesen Spezies sind Listeria monocytogenes und L. ivanovii in der Lage bei Mensch und Tier das Krankheitsbild der Listeriose zu verursachen (Rocourt & Seeliger, 1985; Vázquez-Boland et al., 2001b; Weis & Seeliger, 1975), wobei L. ivanovii vorwiegend bei Tieren als Krankheitserreger vorkommt (Cummins et al., 1994; Hof & Hefner, 1988). L. monocytogenes gilt als wichtiges Modell für ein intrazelluläres Pathogen, das mit Hilfe seiner Internaline auch in nicht-professionelle Phagozyten invadieren (Gaillard et al., 1991; Lingnau et al., 1995) und sich dank einer Reihe weiterer Virulenzfaktoren im Zytoplasma vermehren, fortbewegen und Nachbarzellen infizieren kann (Tilney & Portnoy, 1989). Die beiden pathogenen Arten und das apathogene L. seeligeri besitzen eine als LIPI-1 bezeichnete Pathogenitätsinsel (Gouin et al., 1994; Kreft et al., 2002). Internalingene sind bei L. monocytogenes teilweise geclustert und bei L. ivanovii zu einem großen Teil in einer LIPI-2 genannten Pathogenitätsinsel organisiert (Domínguez-Bernal et al., 2006; Dramsi et al., 1997; Gaillard et al., 1991; Raffelsbauer et al., 1998). Die Expression vieler dieser Virulenzgene wird durch das zentrale Regulatorprotein PrfA gesteuert, dessen Gen prfA selbst Teil der LIPI-1 ist (Domínguez-Bernal et al., 2006; Leimeister-Wächter et al., 1990; Lingnau et al., 1995; Mengaud et al., 1991a). Im Rahmen dieser Arbeit sollten die Internaline InlC, InlE, InlG und InlH von L. monocytogenes näher untersucht werden. Dazu wurden rekombinante His6-markierte Internaline aufgereinigt und polyklonale Antiseren gegen die Internaline A, B, E, G und H hergestellt. Darüber hinaus gelang die Herstellung zweier monoklonaler Antikörper gegen InlG. Obwohl die Antikörper gegen InlG und InlE ihre rekombinanten Antigene gut dekorieren, konnten mit ihnen keine Proteine in Zellwand- oder Überstandspräparaten von L. monocytogenes EGD und EGDe detektiert werden. Das Antiserum gegen InlH kreuzreagierte mit InlA und auch schwach mit anderen Internalinen. In Zellwandpräparaten von L. monocytogenes dekorierte es ein ~50 kDa schweres Protein, welches mit InlH identisch sein könnte. Es fehlt in inlG/H/E Deletionsmutanten und wird in einer inlA/B Deletionsmutante stärker exprimiert. Im Kulturüberstand ist es etwas schwerer, wie man es von einem Protein mit LPXTG Motiv erwartet, das nicht von Sortase (Bierne et al., 2002; Garandeau et al., 2002) prozessiert wurde. In L. monocytogenes EGDe wird dieses ~50 kDa Protein um ein bis zwei dekadische Größenordungen stärker exprimiert als in L. monocytogenes EGD. Die Expression des Proteins war bei 30 und 37 °C gleich stark und wurde nicht durch PrfA reguliert. In Zellwandpräparaten von L. ivanovii ATCC 19119 dekorierten die Seren gegen InlA und InlH ein Protein das in seiner Größe dem InlA von L. monocytogenes entspricht. Mit Hexosaminidase Assays zur Untersuchung von Zelladhärenz (nach Landegren, 1984) an rekombinante His6-markierte Internaline konnte keine Interaktion der Internaline InlE, InlG oder InlH mit Oberflächenfaktoren von Caco-2, HeLa oder HepG2 Zellen nachgewiesen werden, während Positivkontrollen mit InlA und InlB weitestgehend erwartungsgemäß ausfielen. InlC besitzt jedoch offenbar einen bisher noch nicht genauer identifizierten Rezeptor auf der Zelloberfläche. An InlC und EGF adhärierten Caco-2 Zellen stark wachstumsphasenabhängig und etwa tausendfach schwächer als an InlA. Die beste Bindung erfolgte bei semikonfluent gewachsenen Zellen, die am Vortag ausgesät wurden. Unter diesen Bedingungen war auch die von Bergmann et al. beobachtete unterstützende Wirkung von InlC auf die InlA-abhängige Invasion am größten (Bergmann et al., 2002). In dieser Arbeit wurden außerdem die Promotoren von Internalingenen aus L. ivanovii, sowie weitere Virulenzgene (plcA, hly, actA) der Spezies L. monocytogenes, L. ivanovii und L. seeligeri mit Hilfe eines zellfreien in vitro Transkriptionssystems (Lalic-Mülthaler et al., 2001) untersucht, um deren PrfA-Abhängigkeit und Aktivität unabhängig von physiologischen Faktoren analysieren zu können, da die PrfA-Aktivität in vivo pleiotrop reguliert wird (Dickneite et al., 1998; Ermolaeva et al., 2004; Milenbachs et al., 1997; Milenbachs Lukowiak et al., 2004; Renzoni et al., 1997; Ripio et al., 1996). Dafür wurde in dieser Arbeit RNA-Polymerase aus L. monocytogenes &#916;prfA &#916;sigB (Stritzker et al., 2005) isoliert. Gleichzeitig wurde die Aktivität von rekombinanten His6-markierten PrfA Proteinen untersucht. Dazu wurden die PrfA Proteine von L. monocytogenes (m-PrfA und hyperaktives m-PrfA* (Ripio et al., 1997b)), L. ivanovii (i-PrfA) und L. seeligeri (s-PrfA), so wie ein Hybridprotein (sm-PrfA) aufgereinigt. Das Hybridprotein sm-PrfA entspricht s-PrfA bis auf die letzten 38 Aminosäurereste, die durch jene von m-PrfA ersetzt wurden. ... / The genus Listeria comprises six known species of ubiquitous Gram-positive, non-sporulating, rod-shaped bacteria. Of these species Listeria monocytogenes and L. ivanovii are able to cause the clinical picture of listeriosis in humans and animals (Rocourt & Seeliger, 1985; Vázquez-Boland et al., 2001b; Weis & Seeliger, 1975) with L. ivanovii predominantly occurring in animals (Cummins et al., 1994; Hof & Hefner, 1988). L. monocytogenes is considered as important model of an intracellular pathogen that can also invade non-professional phagocytes with the aid of internalins (Gaillard et al., 1991; Lingnau et al., 1995) and can multiply and spread due to a set of virulence factors (Tilney & Portnoy, 1989). The two pathogenic species and the apathogenic L. seeligeri possess a pathogenicity island termed LIPI-1 (Gouin et al., 1994; Kreft et al., 2002). In L. monocytogenes internalin genes are partially clustered and mainly form a pathogenicity island termed LIPI-2 in L. ivanovii (Domínguez-Bernal et al., 2006; Dramsi et al., 1997; Gaillard et al., 1991; Raffelsbauer et al., 1998). The expression of many virulence genes is controlled by the central regulatory protein PrfA which gene prfA is part of LIPI-1 (Domínguez-Bernal et al., 2006; Leimeister-Wächter et al., 1990; Lingnau et al., 1995; Mengaud et al., 1991a). In the context of this work the internalins InlC, InlE, InlG and InlH of L. monocytogenes should be further investigated. Therefore recombinant His6-tagged internalins were purified and polyclonal antisera against the internalins A, B, E, G and H were raised. In addition the creation of two monoclonal antibodies against InlG succeeded. While the antibodies against InlG and InlE decorated well their recombinant antigens, they could not detect proteins in cell wall preparations or culture supernatant of L. monocytogenes EGD and EGDe. The antiserum against InlH cross-reacted with InlA and weakly also with other internalins. In cell wall preparations of L. monocytogenes it decorated a ~50 kDa protein which could be identical with InlH. This protein is missing in inlG/H/E deletion mutants and is stronger expressed in inlA/B deletion mutants. It is slightly bigger in the supernatant as expected for a protein with LPXTG motif that was not processed by sortase (Bierne et al., 2002; Garandeau et al., 2002). In L. monocytogenes EGDe the ~50 kDa protein was expressed stronger than in L. monocytogenes EGD by two orders of magnitude. The expression of this protein was equal at 30 and 37 °C and was not regulated by PrfA. In cell wall preparations of L. ivanovii ATCC 19119 the antisera against InlA and InlH decorated a protein matching the size of InlA of L. monocytogenes. Hexosaminidase assays for analysis of cell adherence (after Landegren, 1984) with recombinant His6-tagged internalins showed no interaction of the internalins InlE, InlG or InlH with surface factors of Caco-2, HeLa or HepG2 cells while positive controls with InlA and InlB mainly resulted as expected. However InlC has a not yet identified receptor on the eukaryotic cell surface. Caco-2 cells adhered to InlC and EGF in a strongly growth phase dependent manner and roughly thousand fold weaklier then to InlA. Best binding was observed with semi confluent grown cells which were prepared one day before the assay. Under these conditions the supportive effect of InlC in InlA-dependent invasion reported by Bergmann et al. was also maximal (Bergmann et al., 2002). Furthermore in this work the promoters of internalin genes from L. ivanovii and other virulence genes (plcA, hly, actA) from the species L. monocytogenes, L. ivanovii and L. seeligeri were investigated with the aid of the cell free in vitro transcription assay (Lalic-Mülthaler et al., 2001) to analyze their PrfA-dependency and activity independent of metabolic factors because PrfA activity is pleiotropicly regulated in vivo (Dickneite et al., 1998; Ermolaeva et al., 2004; Milenbachs et al., 1997; Milenbachs Lukowiak et al., 2004; Renzoni et al., 1997; Ripio et al., 1996). Therefore RNA polymerase from L. monocytogenes &#916;prfA &#916;sigB (Stritzker et al., 2005) was isolated in this work. Simultaneously the activity of recombinant His6-tagged PrfA proteins was investigated. For this purpose PrfA proteins of L. monocytogenes (m-PrfA and hyperactive m-PrfA* (Ripio et al., 1997b)), L. ivanovii (i-PrfA), L. seeligeri (s-PrfA) and the hybrid protein (sm-PrfA) were purified. The hybrid protein sm-PrfA corresponds to s-PrfA except for the last 38 amino acid residues which were substituted by those of m-PrfA. ...

In dieser Arbeit wurden neue Methoden zur Analyse des Proteoms von Listeria monocytogenes in infizierten Wirtszellen entwickelt und evaluiert. Proteomische Analysen können im Vergleich zu transkriptomischen Analysen durch Erfassung von Proteinmengen und eventuell auch posttranslationalen Modifikationen, sowie von Abbauprozessen ein genaueres Abbild des Funktionszustands einer Zelle unter unterschiedlichen Umweltbedingungen darstellen. Das Hauptproblem bei proteomischen Untersuchungen an in eukaryontischen Wirtszellen gewachsenen Bakterien, nämlich die Überlagerung des bakteriellen Proteinmusters durch die im Überschuss vorhandenen Wirtszellproteine, musste in dieser Arbeit überwunden werden. Es wurde eine Methode etabliert, intrazellulär gewachsene Bakterien über Bindung an paramagnetische Partikel („Beads“) und anschließende Magnetseparation selektiv von Wirtszellkomponenten abzutrennen. Dabei wurden drei Beads-Varianten mit unterschiedlicher Beschichtung gewählt: Dynabeads anti Listeria (Dynal, Oslo), Kieselgel &#61483; Magnetit Beads (MERCK in Entwicklung), Dynabeads M-270 Epoxy – CBD Beads (Beschichtung mit Phagenlysin Ply 118). Hierbei konnte nur für die Kieselgel + Magnetit Beads eine hinreichende Isolierungsrate für die Methode der 2-D-Gelelektrophorese von 6-7* 10**7 Listerien/ Zellkulturflasche erreicht werden. Im 2-D-Proteingel zeigte sich jedoch eine starke Streifenbildung, wodurch sich dieser Ansatz als nicht auswertbar erwies. In einem alternativen Ansatz gelang es, aus Infektionen an J774-Makrophagen, die Listerien mittels konsekutiver Waschschritte von Wirtszellproteinen aufzureinigen. Es konnten aus den Infektionen 30-50 µg listerielles Protein isoliert und zweidimensional aufgetrennt werden, wobei das Proteinpattern qualitativ eindeutig dem von in vitro gewachsenen Listeria monocytogenes entsprach. Auf diese Weise konnten 38 Proteine von Listeria monocytogenes, welche von Listerien während der Infektion in Makrophagen induziert oder reprimiert werden anhand der Deta-2-D Software identifiziert, quantifiziert und statistisch ausgewertet werden. Für einige der hier mittels der neu entwickelten Methode identifizierten Proteine konnte anhand der der vorliegenden Literatur (zu Transkriptom, Sekretom, Virulenz von Listeria) bereits eine Beteiligung am Virulenzgeschehen nachgewiesen werden. Zum jetzigen Zeitpunkt unterliegt die proteomische Analyse einigen Limitierungen, z.B. beim Nachweis von schwach exprimierten, stark alkalischen, stark hydrophoben, hochmolekularen und niedermolekularen Proteinen, so dass die derzeitige Methodik noch nicht das gesamte Proteom abdecken kann. Dass die „klassischen“ Virulenzfaktoren pathogener Listerien, Listeriolysin O (LLO), die Phospholipasen PlcA und PlcB, sowie ActA hier nicht erfasst wurden, ist darin begründet, dass es sich um sekretierte Proteine handelt. Besondere Bedeutung kommt der Beobachtung zu, dass nur in ganz wenigen Fällen (z.B. Pgm, ClpP, Pgi, TrxB, MurC) die nachgewiesenen intrazellulären Veränderungen der Proteinmenge mit den von anderen publizierten Transkriptionsdaten übereinstimmen. Diese Diskrepanzen stellen keine Artefakte dar, sondern sind durch intrazelluläre posttranskriptionelle Mechanismen begründet. Insgesamt zeigte auch diese Proteinanalyse , dass bei Replikation von Listeria monocytogenes im Cytosol eukaryontischer Wirtszellen zahlreiche komplexe Anpassungen von teils zentralen aber auch peripheren Stoffwechselwegen und Biosynthesen der Bakterien an dieses spezielle Milieu ablaufen. / In this thesis new methods to analyse the proteome of Listeria monocytogens in infected host cells have been developed. Proteomic analyses, in comparison to transcriptomic analysis, by their capacity to detect actual protein amounts and possibly post translational modifications as well as degradation processes are able to give a more precise picture of the functional status of a cell under diverse environmental conditions.The main problem of proteomic analyses, with bacteria grown inside eukaryotic host cells, the superimposition of the bacterial protein pattern by the exceedingly present host cell proteins had to be overcome. Methods have been established to selectively isolate intracellularly grown bacteria by binding to paramagnetic beads and subsequent magnetic separation from the host cell components. At this three differently coated types of beads [Dynabeads anti Listeria (Dynal, Oslo), silica gel &#61483; magnetite Beads (MERCK under way), Dynabeads M-270 Epoxy – CBD Beads (coated with phagolysine Ply 118)] have been used. At this it was only possible for the “Kieselgel + Magnetit Beads” to reach a sufficient isolation rate for the method of 2-D-electrophoresis of 6-7 * 10**7 Listeria/ cell culture flask. In the 2-D-proteingel there showed up a bad streaking whereby this approach proved not to be evaluable. In an alternative approach at infections of J774-macrophages it succeded to purify the listeria by consecutive washing steps out of the host cells. It was possible to isolate 30-50 µg listerial proteins out of infections in J774-macrophages and to have them two-dimensionally separated whereby the protein pattern qualitatively clearly matched that of in vitro grown Listeria monocytogenes. In such way it was possible to identify 38 proteins of Listeria monocytogenes, which have been induced or suppressed during the infections in macrophages and to have them identified, quantified and statistically evaluated with the Delta-2-D software. There was already evidence for some of the proteins that have been identified by the newly established method, on the basis of the present literature (on transcriptome, secretome, virulence of Listeria), for a participation in the course of infection. Up to now the proteomic analysis is subject to some restrictions for example in the detection of weakly expressed, strong alkaline, strong hydrophobic, high-molecular weight and low-molecular weight proteins so that the current methodology can not cover the whole proteome. That the “classic” virulence factors of pathogenic listeria, listeriolysin O (LLO), the phospholipases PlcA and PlcB, as well as ActA are not captured is caused by the fact that these proteins are secreted. Of particular importance is the observation that in very little cases (e.g. Pgm, ClpP, Pgi, TrxB, MurC) the detected intracellular changes in protein amount are consistent with the published transcription data. These discrepancies constitute no artefacts but are caused by intracellular posttranscriptional mechanisms. Altogether also this protein analysis reveals that during replication of Listeria monocytogenes in the eucaryotic host cell cytosol numerous complex adaptations of partly central but also peripheral metabolic pathways and biosyntheses to that specific milieu take place.

Food borne pathogens that cause systemic disease must cross the intestinal barrier. Many of these pathogens, eg Salmonella typhimurium and Shigella flexneri, use M cells, found only within the follicle associated epithelium (FAE) that overlies Peyer’s patches and other lymphoid follicles, to enter the host. This study is primarily an investigation into the interaction of S. typhimurium and Listeria monocytogenes with the intestinal epithelium, representing the early stage of an infection. / Alle in Nahrungsmitteln vorkommenden Pathogene, die eine systemische Infektion auslösen, müssen die Darmwand überwinden. Für die Invasion bevorzugtes Ziel vieler Lebensmittelpathogene, wie z.B. Salmonella typhimurium und Shigella flexneri, sind M-Zellen, die nur innerhalb des Follikel-assoziierten Epithels (FAE) über den Peyer’schen Plaques und anderen Lymphoid-Follikel vorkommen. In dieser Arbeit wurde in erster Linie die Interaktion von S. typhimurium und Listeria monocytogenes mit dem FAE untersucht, welche die frühe Phase einer Infektion repräsentiert.

Listeria monocytogenes überwindet endotheliale Barrieren, um eine Meningitis oder Encephalitis auszulösen. Das Hindurchtreten durch diese Barriere könnte über die Invasion von Endothelzellen durch Listerien aus dem Blut und anschließender Freisetzung der Bakterien ins Gehirn erfolgen. In den ersten Infektionsmodellen, in denen gezeigt wurde, daß Listerien in der Lage sind Endothelzellen zu invadieren, wurden humane, makrovaskuläre Nabelschnurendothelzellen (HUVEC) verwendet. Die für die Ausbildung der Blut-Hirn-Schranke verantwortlichen mikrovaskulären Hirnendothelzellen (BMEC) unterscheiden sich aber deutlich von den makrovaskulären HUVEC. In der vorliegenden Arbeit wurde die Interaktion von L. monocytogenes mit HUVEC und mit humanen BMEC (HBMEC) untersucht. Es konnte gezeigt werden, daß L. monocytogenes HBMEC effizient invadieren kann. Nach der Aufnahme und dem Entkommen der Bakterien aus dem Phagosom bilden sie Aktinschweife aus, mit deren Hilfe sie sich im Zytoplasma frei bewegen können. Listerien sind in der Lage, sich in HBMEC über einen Zeitraum von 20 Stunden zu vermehren und über eine Ausbreitung von Zelle zu Zelle in benachbarte Zellen zu gelangen. Mit einem Listerien-Stamm, der das grün-fluoreszierende Protein (GFP) exprimiert, konnte der Infektionsverlauf in HBMEC über einen Zeitraum von 20 Stunden in Echtzeit verfolgt werden. Hierbei zeigte sich, daß auch stark infizierte HBMEC sich nicht vom Untergrund ablösen oder lysieren und somit gegenüber intrazellulären Listerien sehr widerstandsfähig sind. Wie rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von HBMEC-Monolayern nach einer Infektion mit L. monocytogenes erkennen ließen, adhärieren Listerien an HBMEC, indem sie einen engen Kontakt mit Mikrovilli auf HBMEC eingehen. Mit Listerien infizierte HBMEC bilden wenige Stunden nach der Infektion Membranausstülpungen aus, in denen sich Listerien befinden. Diese Ausstülpungen sind mit der Zelle nur noch über sehr dünne Membranschläuche verbunden. Um herauszufinden, welche Listerienproteine an der Aufnahme von L. monocytogenes in HUVEC und HBMEC beteiligt sind, wurden verschiedene Deletionsmutanten auf ihre Invasivität in HUVEC und HBMEC getestet. In Gegenwart von 20 Prozent Humanserum wurden HUVEC in einer von den Oberflächenproteinen InlA, InlB und ActA unabhängigen Weise von L. monocytogenes invadiert. Wurde das Gen, welches für den positiven Regulationsfaktor PrfA kodiert, deletiert, reduzierte dies die Invasionsrate beträchtlich. Listerienstämme mit einer Deletion im für InlB kodierenden Gen sind unfähig, HBMEC zu invadieren. Neben InlG und ActA spielt auch PrfA eine entscheidende Rolle bei der Invasion von L. monocytogenes in HBMEC. Die Adhäsion von L. monocytogenes an HBMEC ist von InlB unabhängig. Auch die apathogene und nicht-invasive Art L. innocua bindet an HBMEC. Humanserum hemmt die Invasion von L. monocytogenes in HBMEC, nicht aber in HUVEC. Während sich die Invasionsraten von L. monocytogenes in HUVEC durch Zentrifugation bei der Infektion erhöhen ließen, hatte die Zentrifugation keine Auswirkung auf die Invasivität von L. monocytogenes in HBMEC. Neben diesen konnten in dieser Arbeit noch weitere Infektionsparameter gefunden werden, die unterschiedliche Auswirkungen auf die Invasion von L. monocytogenes in HUVEC und HBMEC haben. Im Zellüberstand von HUVEC konnten bis zu 6 Stunden nach einer Infektion mit L. monocytogenes große Mengen an IL-8 nachgewiesen werden. Während eine Infektion von HUVEC mit L. monocytogenes die Expression von IL-6-spezifischer mRNA schwach induzierte, war keine vermehrte Expression von MCP-1- und VCAM-1-spezifischer mRNA feststellbar. Indem Caco-2-Zellen und HBMEC auf gegenüberliegenden Seiten eines Filters bis zur Konfluenz kultiviert wurden, konnte ein in-vitro-Modell des choroid plexus etabliert werden. Wenige Stunden nach der Infektion von HBMEC mit L. monocytogenes befanden sich auch in den Caco-2-Zellen Listerien. Wie elektronenmikroskopisch nachgewiesen werden konnte, waren diese Listerien durch die Filterporen in die Epithelzellen gelangt. Der Mechanismus, dem diese Ausbreitung zugrunde liegt, ist noch unbekannt. / Listeria monocytogenes cross endothelial barriers to cause meningitis or encephalitis. Passage through the barrier may be achieved by invasion of endothelial cells by Listeria from the blood stream followed by release of the bacteria into the brain. Internalization of L. monocytogenes by endothelial cells has been previously demonstrated using macrovascular human umbilical vein endothelial cells (HUVEC) as a model system. However, brain microvascular endothelial cells (BMEC) which form the blood brain barrier, are strikingly different from the macrovascular HUVEC. Therefore, in this investigation, the interaction of L. monocytogenes with HUVEC and human BMEC (HBMEC) was studied. It was found that L. monocytogenes efficiently invades HBMEC. After invasion and escape from the phagosome the bacteria induce the formation of actin tails which allows them to move intracellularly. Once within the HBMEC, L. monocytogenes are able to multiply over a period of at least 20 hours and enter neighbouring cells by cell-to-cell spread. Using a green fluorescent protein-expressing L. monocytogenes strain, this process of infection was followed in real time. It was shown that heavily infected HBMEC do not detach from the tissue culture dish and do not lyse, indicating that they are highly resistant to intracellular L. monocytogenes. Scanning electron microscopy studies of infected HBMEC-monolayers showed adherent Listeria in close contact with surface microvilli. Listeria-infected HBMEC shows bacteria-containing membrane protrusions within a few hours after infection. These protrusions are connected with the cell suface via thin stalk-shaped membrane connections. To determine which listerial proteins are responsible for the uptake of L. monocytogenes in HUVEC and HBMEC, different deletion mutants of L. monocytogenes were tested with respect to their effect on the efficiency of invasion. It was found that L. monocytogenes invades HUVEC in the presence of 20 per cent human serum independently of InlA, InlB, and ActA. However, deletion of the gene encoding the positive virulence regulatory factor PrfA results in a strong inhibition of invasion. Listeria-strains with a deletion in the InlB encoding gene are unable to invade HBMEC. Moreover, InlG, ActA, and also PrfA play important roles in invasion of HBMEC by L. monocytogenes. Adherence of L monocytogenes to HBMEC is independent of InlB. Even the nonpathogenic and noninvasive species L. innocua adheres to HBMEC. Human serum was shown to inhibit the uptake of L. monocytogenes by HBMEC but not by HUVEC. Centrifugation of Listeria onto the cells enhanced the invasion of HUVEC, but had no effect on invasion of HBMEC. In addition to these differences, other parameters were identified which have different effects on the invasiveness of L. monocytogenes for HUVEC and HBMEC. High amounts of IL-8 could be detected in the supernatants of Listeria-infected HUVEC within 6 hours. Additionally, a weak induction of IL-6 specific mRNA could be detected during infection of HUVEC, but mRNA-expression specific for MCP-1 and VCAM-1 was not altered. Using HBMEC and Caco-2 cells, an in-vitro-model of the choroid plexus was developed by growing each cell type on either side of porous membrane filters. A few hours after infection of HBMEC with L. monocytogenes, bacteria were found in the underlying Caco-2 cells. In transmission electron microscopic studies it could be shown that Listeria reached the epithelial cells via the filter pores. The mechanism for this spreading is so far unknown.

Listeriae are Gram positive, facultative, saprophytic bacteria capable of causing opportunistic infections in humans and animals. This thesis presents three separate lines of inquiries that can lead to the eventual convergence of a global view of Listeria as pathogen in the light of evolution, genomics, and function. First, we undertook to resolve the phylogeny of the genus Listeria with the goal of ascertaining insights into the evolution of pathogenic capability of its members. The phylogeny of Listeriae had not yet been clearly resolved due to a scarcity of phylogenetically informative characters within the 16S and 23S rRNA molecules. The genus Listeria contains six species: L. monocytogenes, L. ivanovii, L. innocua, L. seeligeri, L. welshimeri, and L. grayi; of these, L. monocytogenes and L. ivanovii are pathogenic. Pathogenicity is enabled by a 10-15Kb virulence gene cluster found in L. seeligeri, L. monocytogenes and L. ivanovii. The genetic contents of the virulence gene cluster loci, as well as some virulence-associated internalin loci were compared among the six species. Phylogenetic analysis based on a data set of nucleic acid sequences from prs, ldh, vclA, vclB, iap, 16S and 23S rRNA genes identified L. grayi as the ancestral branch of the genus. This is consistent with previous 16S and 23S rRNA findings. The remainder 5 species formed two groupings. One lineage represents L. monocytogenes and L. innocua, while the other contains L. welshimeri, L. ivanovii and L. seeligeri, with L. welshimeri forming the deepest branch within this group. Deletion breakpoints of the virulence gene cluster within L. innocua and L. welshimeri support the proposed tree. This implies that the virulence gene cluster was present in the common ancestor of L. monocytogenes, L. innocua, L. ivanovii, L. seeligeri and L. welshimeri; and that pathogenic capability has been lost in two separate events represented by L. innocua and L. welshimeri. Second, we attempted to reconstitute L. innocua of its deleted virulence gene cluster, in its original chromosomal location, from the L. monocytogenes 12 Kb virulence gene cluster. This turned out particularly difficult because of the limits of genetic tools presently available for the organism. The reconstitution was partially successful. The methods and approaches are presented, and all the components necessary to complete the constructs are at hand for both L. innocua and the parallel, positive control of L. monocytogenes mutant deleted of its virulence gene cluster. Third, the sequencing of the entire genome of L. monocytogenes EGDe was undertaken as part of an EU Consortium. Our lab was responsible for 10 per cent of the labor intensive gap-closure and annotation efforts, which I helped coordinate. General information and comparisons with sister species L. innocua and a close Gram positive relative Bacillus subtilis are presented in context. The areas I personally investigated, namely, sigma factors and stationary phase functions, are also presented. L. monocytogenes and L. innocua both possess surprisingly few sigma factors: SigA, SigB, SigH, SigL, and an extra-cytoplasmic function type sigma factor (SigECF). The stationary phase genes of L. monocytogenes is compared to the well-studied, complex, stationary phase networks of B. subtilis. This showed that while genetic competence functions may be operative in unknown circumstances, non-sporulating Listeria opted for very different approaches of regulation from B. subtilis. There is virtually no overlap of known, stationary phase genes between Listeria and Gram negative model organism E. coli. / Listerien sind Gram-positive, fakultativ intrazelluläre, saprophytische Bakterien, die in der Lage sind, bei Mensch und Tier opportunistische Infektionen hervorzurufen. Die vorliegende Arbeit veranschaulicht drei unterschiedliche Versuchsansätze, die schließlich hinsichtlich Evolution, Genom- und Funktionsanalysen zur Konvergenz der globalen Sichtweise von Listeria als pathogener Mikroorganismus führen können. Zunächst wurden phylogenetische Analysen durchgeführt, die einen Einblick in die Evolution des pathogenen Potentials von Mitgliedern der Gattung Listeria geben sollten. Aufgrund mangelnder phylogenetischer Informationen bezüglich der 16S und 23S rRNAs war eine genaue phylogenetische Entschlüsselung der Gattung Listeria jedoch nicht möglich. Die Gattung Listeria umfaßt sechs verschiedene Spezies: L. monocytogenes, L. ivanovii, L. innocua, L. seeligeri, L. welshimeri und L. grayi, wobei L. monocytogenes und L. ivanovii zu den pathogenen Bakterien zählen. Die Pathogenität wird hierbei durch ein 10-15 kb großes Virulenzgencluster determiniert, das in L. monocytogenes, L. ivanovii sowie in L. seeligeri vorzufinden ist und neben einigen Virulenz-assoziierten Internalin-Genen zum genetischen Vergleich der sechs verschiedenen Spezies herangezogen wurde. Die im Rahmen der phylogenetischen Analysen untersuchten Nukleinsäuresequenzen der Gene prs, ldh, vclA, vclB, iap sowie die der 16S und 23S rRNA-Gene deuteten darauf hin, daß L. grayi dem gemeinsamen Vorläufer der Gattung Listeria am nächsten steht, was mit den bisher verfügbaren 16S und 23S rRNA-Daten übereinstimmt. Die verbleibenden fünf Spezies bilden zwei Gruppen, die sich zum einen aus L. monocytogenes und L. innocua und zum anderen aus L. welshimeri, L. ivanovii und L. seeligeri zusammensetzen. Die Positionen der im Virulenzgencluster von L. innocua und L. welshimeri identifizierten Deletionen bestätigen den hier vorgeschlagenen Stammbaum, was darauf hindeutet, daß im gemeinsamen Vorfahren von L. monocytogenes, L. innocua, L. ivanovii, L. seeligeri und L. welshimeri das Virulenzgencluster vorhanden war und daß das pathogene Potential in L. innocua bzw. in L. welshimeri durch zwei unabhängige Ereignisse verloren ging. Weiterhin wurde versucht, das 12 kb-Virulenzgencluster von L. monocytogenes in der ursprünglichen Lokalisation in das Chromosom der Spezies L. innocua, die eine Deletion des Virulenzgenclusters aufweist, zu integrieren. Dieser Ansatz erwies sich aufgrund der derzeit limitierten Methodik zur genetischen Manipultation dieses Organismus als sehr problematisch und führte bisher nur teilweise zum Erfolg. Die angewandten Strategien zur Klonierung der erforderlichen Konstrukte, die zur Erstellung der beschriebenen L. innocua-Mutante und einer L. monocytogenes-Mutante mit Deletion des Virulenzgenclusters erforderlich sind, werden vorgestellt. Der dritte Schwerpunkt der Arbeit befaßte sich mit der vollständigen Sequenzierung des Genoms von L. monocytogenes EGDe, die im Rahmen eines EU-Konsortiums durchgeführt wurde. Unser Labor war zu 10 Prozent an der Lückenschließung zwischen den Sequenz-Contigs sowie an der Annotierung beteiligt, für deren Koordinierung ich verantwortlich war. Vergleiche der Genomsequenzen von L. monocytogenes, L. innocua und dem verwandten Gram-positiven Bakterium Bacillus subtilis werden vorgestellt, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf den Genen für Sigma-Faktoren und Stationärphase-Funktionen liegt. Sowohl L. monocytogenes und L. innocua enthalten mit SigA, SigB, SigH und einem extrazytoplasmatischen Sigma-Faktor, SigECF, überraschend wenige Sigma-Faktoren. Die Stationärphase-Gene von L. monocytogenes werden mit dem gut untersuchten, sehr komplexen Stationärphase-System von B. subtilis verglichen. Dies zeigte, daß, obwohl genetische Kompetenz unter nicht bekannten Umständen eine Rolle spielen könnten, in Listeria völlig unterschiedliche Mechanismen der Genregulation wirksam sind. Es ist keinerlei Überlappung mit den bekannten Stationärphase-Genen des Gram-negativen Modellorganismus Escherichia coli festzustellen.

Listeria monocytogenes, ein fakultativ intrazellulärer Krankheitserreger, besitzt die Fähigkeit, Wirtszellen zu penetrieren, sich in ihnen zu vermehren, sich intrazellulär zu bewegen und auch benachbarte Zellen direkt zu infizieren. Die intrazelluläre Fortbewegung erfolgt durch Polymerisation von zellulärem Aktin, wodurch charakteristische Aktinschweife an einem Pol der Bakterien entstehen. Der einzige bakterielle Faktor, der für die Aktinpolymerisation notwendig ist, ist das Oberflächenprotein ActA. ActA allein ist aber nicht in der Lage, Aktin zu polymerisieren, sondern kann dies nur in Assoziation mit Proteinen der Wirtszelle. Die einzigen bisher bekannten Wirtszellproteine, die direkt mit ActA interagieren, sind das Phosphoprotein VASP und der Arp2/3-Komplex. VASP bindet an den zentralen prolinreichen Bereich von ActA und beschleunigt durch die Rekrutierung von Profilin den Prozeß der Aktinpolymerisation. Der Arp2/3-Komplex interagiert mit dem N-terminalen Bereich von ActA und initiiert die eigentliche Aktin-Polymerisation. Um weitere eukaryotische, mit ActA interagierende Proteine (AIPs) zu isolieren, wurde über einen "Yeast Two-Hybrid"-Test mit ActA als Köder eine embryonale Maus-cDNA-Genbank getestet. Dabei wurden drei verschiedene AIPs identifiziert, von denen eines identisch mit dem humanen Protein LaXp180 (auch "CC1" genannt) ist. LaXp180 ist ein 180 kDa Protein mit über 50 theoretischen Phosphorylierungsstellen in der N-terminalen Hälfte, während die C-terminale Hälfte "coiled-coil"-Strukturen ausbilden kann. Darüberhinaus enthält LaXp180 eine Kern-Lokalisations-Sequenz und ein Leucin-Zipper-Motiv. Die Bindung von LaXp180 an ActA wurde in vitro unter Verwendung von rekombinantem His6-Tag-LaXp180 und rekombinantem ActA bestätigt, da rekombinantes ActA nur an einer Ni-Agarose-Säule gebunden wurde, wenn diese vorher mit His6-Tag-LaXp180 beladen war. Über RT-PCR konnte zum ersten Mal die Expression LaXp180-spezifischer mRNA in verschiedenen Säugerzellen nachgewiesen und mit einem polyklonalen anti-LaXp180-Serum durch Immunopräzipitation erstmals ein 194 kDa großes Protein in Säugerzellextrakten detektiert werden. Die intrazelluläre Lokalisation von LaXp180 wurde über Immunfluoreszenzmikroskopie untersucht. Immunfluoreszenzfärbungen von Fibroblasten mit dem anti-LaXp180-Serum zeigten eine starke Färbung der Zellkerne und definierter Bereiche direkt neben den Kernen, während das restliche Zytoplasma schwach gefärbt war. Über Immunfluoreszenzmikroskopie mit dem anti-LaXp180-Serum an mit L. monocytogenes infizierten Zellen konnte gezeigt werden, daß LaXp180 mit der Oberfläche vieler, aber nicht aller intrazellulärer, ActA-exprimierender Listerien kolokalisiert. Dagegen wurde nie eine Kolokalisation mit intrazellulären, aber ActA-defizienten Mutanten beobachtet. Darüberhinaus ist LaXp180 asymmetrisch auf der Bakterienoberfläche verteilt und schließt sich gegenseitig mit der F-Aktin-Polymerisation aus. LaXp180 ist ein putativer Bindungspartner von Stathmin, einem 19 kDa Phosphoprotein, das die Mikrotubuli-Dynamik reguliert. Über Immunfluoreszenz konnte gezeigt werden, daß auch Stathmin mit intrazellulären, ActA-exprimierenden L. monocytogenes kolokalisiert. / Listeria monocytogenes, a facultative intracellular pathogen, is able to penetrate and to multiply in host cells, to move intracellularly and to infect neighbouring cells directly. Intracellular movement is caused by the polymerisation of host cell actin leading to the generation of characteristic actin tails at one pole of the bacterium. The only bacterial factor necessary for actin polymerisation is the surface protein ActA. However, ActA itself is unable to polymerize actin, and can only do so in association with host cell proteins. So far the only known host cell proteins directly interacting with ActA are the phosphoprotein VASP and the Arp2/3 complex. VASP binds to the central proline-rich repeat region of ActA and accelerates actin polymerisation by the recruitment of profilin. The Arp2/3 complex interacts with the N-terminal domain of ActA and initiates the actin polymerisation process. To identify additional eukaryotic ActA-interacting proteins (AIPs), an embryonic mouse cDNA library was screened in a yeast two-hybrid approach using ActA as bait. Three different AIPs were isolated, one of which was identical to the human protein LaXp180 (also called "CC1"). LaXp180 is a 180 kDa protein with more than 50 theoretical phosphorylation sites in the N-terminal part. The C-terminal part is able to form coiled-coil structures. Furthermore, LaXp180 contains a nuclear localisation sequence and a leucine-zipper motif. Binding of LaXp180 to ActA was demonstrated in vitro using recombinant histidine-tagged LaXp180 and recombinant ActA. Recombinant ActA was retained on a Ni-agarose column after prior loading of the column with histidine-tagged LaXp180. Using RT-PCR, the expression of LaXp180 specific mRNA in different mammalian cells was demonstrated for the first time. A protein with a molecular weight of 194 kDa was detected in cell extracts by immunoprecipitation with a polyclonal anti-LaXp180 antiserum. The intracellular localisation of LaXp180 was analysed by immunofluorescence microscopy. Immunofluorescence staining of fibroblasts with the anti-LaXp180 serum showed a strong staining of the nuclei and of defined regions next to the nuclei as well as a weak staining of the rest of the cytoplasm. Fluorescence microscopy with the anti-LaXp180 antiserum of cells infected with L. monocytogenes revealed colocalisation of LaXp180 with the bacterial surface of a subset of intracellular, ActA-expressing listeriae. In contrast, colocalisation with intracellularly growing but ActA-deficient mutants was never observed. Furthermore, LaXp180 binding to intracellular L. monocytogenes was asymmetrical and mutually exclusive with F-actin polymerisation on the bacterial surface. LaXp180 is a putative binding partner of stathmin, a 19 kDa phosphoprotein regulating microtubule dynamics. Using immunofluorescence, colocalisation of stathmin with intracellular, ActA-expressing L. monocytogenes was also demonstrated.

The primary focus of this dissertation is the metabolic enzyme pyruvate carboxylase (PC). The structure and function of this fascinating enzyme has been studies and characterized by many laboratories over many decades. This extensive background is reviewed in Chapter 1, with an overview of the biotin-dependent carboxylase family and a particular focus on PC. In this dissertation, we primarily use X-ray crystallography to study PC at a structural level. This dissertation is divided into two overarching sections, with the first section (Chapters 2-5) focusing on the bacterial second messenger cyclic-di-AMP (c-di-AMP). This project was initiated by our collaborators in the laboratory of Josh Woodward at the University of Washington, who performed the first screen to identify c-di-AMP binding proteins in the bacterium Listeria monocytogenes. In Chapters 2 and 3, the regulation of PC by c-di-AMP in L. monocytogenes as well as the bacterium Lactococcus lactis is discussed. Crystal structures of the PC from each of these species in complex with cyclic-di-AMP reveal the binding site and give insights into the molecular mechanisms of this regulation. In Chapters 4 and 5, structural studies of other c-di-AMP binding proteins identified in the screen are discussed. The second section (Chapters 6) focuses on a second class of PC enzymes called the two-subunit PCs, which are found in a subset of Gram-negative bacteria. In Chapter 6, the first crystal structure of a two-subunit PC from the bacterium Methylobacillus flagellatus is determined. In collaboration with the Lars Dietrich laboratory at Columbia University, we investigate the physiological function of the two-subunit PC in the pathogen Pseudomonas aeruginosa. A theme which emerges from these studies is that PC is an incredibly diverse enzyme which has been adapted for the peculiar physiological needs of each organism it inhabits. Because PC is found throughout nature in every kingdom of life, further studies of its unique properties and role in each organism are sure to provide more surprising insights in the years to come.

Señala que la contaminación microbiana de alimentos durante la cadena de producción es una de las principales causas de enfermedades transmitidas por alimentos (ETAS). Listeria monocytogenes, es un microorganismo patógeno causante de la listeriosis humana, una enfermedad con alta morbilidad, hospitalización y mortalidad, principalmente en poblaciones vulnerables. Su presencia en alimentos es favorecida por su resistencia a bajas temperaturas y amplio rango de pH; los brotes están vinculados a carnes frescas y procesadas, productos lácteos y alimentos listos para comer. En los últimos años los bacteriófagos han sido propuestos para su uso con fines terapéuticos y como una alternativa para el control biológico de Listeria monocytogenes y otros microorganismos patógenos en alimentos. Los bacteriófagos son virus que infectan a las bacterias, se componen de una cadena simple o una cadena doble de ADN o ARN cubiertos por una cápside proteica y están presentes casi en todos los ecosistemas. A partir de un filtrado de aguas servidas de camales de la ciudad de Lima, se seleccionó, aisló y caracterizó fisicoquímica y biológicamente un bacteriófago lítico para Listeria monocytogenes: el fago ASCF1. Este bacteriófago es estable a temperaturas entre 4°C y 45°C, es tolerante a un amplio rango de pH (desde 4 hasta 9), presenta un amplio rango de hospedero, infectando también cepas de Salmonella typhimurium y Vibrio cholerae. Tiene una multiplicidad de infección (MOI) óptima de 10, un periodo de latencia de 120 minutos y un tamaño de explosión promedio de 9.72 unidades formadoras de placa por célula infectada. Estos resultados indican que el bacteriófago ASCF1 puede ser aplicado para la descontaminación de alimentos y superficies. / Tesis