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

La dissémination des herpèsvirus au travers de contact cellule-cellule jouerait un rôle essentiel dans l'établissement de la latence et la réactivation. Le virus de la maladie de Marek (MDV), sur lequel nous travaillons, constitue un excellent modèle pour l'exploration des mécanismes de passage des herpèsvirus d'une cellule à une autre. En effet, aucune particule virale extracellulaire n'a été détectée dans les systèmes réplicatifs étudiés. Au laboratoire, nous avons mis en évidence l'interaction de la protéine virale VP22 avec le cytosquelette d'actine, et son rôle essentiel pour une dissémination virale efficace. De plus, nous avons montré une conservation fonctionnelle entre la VP22 du MDV et les protéines orthologues de virus du même genre Mardivirus mais d'espèce différente, et celle du virus humain HSV-1 du genre Simplexvirus. Pour finir, nous avons démontré le rôle non essentiel de la protéine kinase virale pUL13 dans la pathogénèse et le tropisme cellulaire du MDV in vivo. / The spreading of herpesviruses through cell-to-cell contact would play an essential role in the establishment of the latency and the reactivation. The Marek's disease virus (MDV), we are working on, is an excellent model for studying the mechanisms implicated in this process as no extracellular viral particle was detected to date in the different culture systems. In our laboratory, we underscored the interaction of the VP22 viral protein with the actin cytoskeleton, and its essential role for an efficient MDV cell-to-cell spreading. Moreover, we showed a functional preservation between the MDV VP22 and the orthologous proteins of the other Mardiviruses species, or of the HSV-1 humain virus belonging to a distinct genus (Simplexvirus). Finally, we demonstrated the dispensable role of the pUL13 viral kinase protein in the pathogenesis and in the cellular tropism of the MDV in vivo.

SPRED2 ist ein Membran-assoziiertes Protein, das als wichtiger Regulator der Zelle fungiert. Es übt eine inhibitorische Wirkung auf dem Ras/ERK/MAPK-Signalweg und ist u.a. in der Neurogenese im zentralen Nervensystem beteiligt. Durch diverse Verhaltenstests in SPRED2-KO Mäusen konnten OCD-ähnliche Symptome bei den Tieren festgestellt werden sowie eine vermehrte Aktivität in thalamo-amygdalen Synapsen. Zur weiteren Abklärung dieser synaptischen Dysfunktion, wurde eine Quantifizierung von prä- und postsynaptischen Protein-Veränderungen in der Amygdala-Region in SPRED2-defizienten Mäusen im Vergleich zur Wildtyp Mäusen durchgeführt. Hier konnten signifikante Unterschiede festgestellt werden. / SPRED2 is a membran associated protein that functions as an important cell-regulator. It has an inhibitory effect on the Ras/ERK/MAPK signaling pathway and is involved in neurogenesis of the central nervous system. Various behavioral tests in the SPRED2-KO mice displayed signs of OCD-behavior and showed an increased activity in thalamo-amygdal synapses. To further explain this synaptic dysfunction, a quantification of pre- and postsynaptic protein-alterations in the amygdala region was carried out in SPRED2-KO Mice. We were able to show significant difference between both groups.

The light-gated cation channel Channelrhodopsin-2 was discovered and characterized in 2003. Already in 2005/2006 five independent groups demonstrated that heterologous expression of Channelrhodopsin-2 is a highly useful and simply applicable method for depolarizing and thereby activating nerve cells. The application of Channelrhodopsin-2 revolutionized neuroscience research and the method was then called optogenetics. In recent years more and more light-sensitive proteins were successfully introduced as “optogenetic tools”, not only in neuroscience. Optogenetic tools for neuronal excitation are well developed with many different cation-conducting wildtype and mutated channelrhodopsins, whereas for inhibition of neurons in the beginning (2007) only hyperpolarizing ion pumps were available. The later discovered light-activated anion channels (anion channelrhodopsins) can be useful hyperpolarizers, but only at low cytoplasmic anion concentration. For this thesis, I optimized CsR, a proton-pumping rhodopsin from Coccomyxa subellipsoidea, which naturally shows a robust expression in Xenopus laevis oocytes and plant leaves. I improved the expression and therefore the photocurrent of CsR about two-fold by N-terminal modification to the improved version CsR2.0, without altering the proton pump function and the action spectrum. A light pulse hyperpolarised the mesophyll cells of CsR2.0-expressing transgenic tobacco plants (N. tabacum) by up to 20 mV from the resting membrane potential of -150 to -200 mV. The robust heterologous expression makes CsR2.0 a promising optogenetic tool for hyperpolarization in other organisms as well. A single R83H point-mutation converted CsR2.0 into a light-activated (passive) proton channel with a reversal potential close to the Nernst potential for intra-/extra-cellular H+ concentration. This light-gated proton channel is expected to become a further useful optogenetic tool, e.g. for analysis of pH-regulation in cells or the intercellular space. Ion pumps as optogenetic tools require high expression levels and high light intensity for efficient pump currents, whereas long-term illumination may cause unwanted heating effects. Although anion channelrhodopsins are effective hyperpolarizing tools in some cases, their effect on neuronal activity is dependent on the cytoplasmic chloride concentration which can vary among neurons. In nerve cells, increased conductance for potassium terminates the action potential and K+ conductance underlies the resting membrane potential in excitable cells. Therefore, several groups attempted to synthesize artificial light-gated potassium channels but 2 all of these published innovations showed serious drawbacks, ranging from poor expression over lacking reversibility to poor temporal precision. A highly potassium selective light-sensitive silencer of action potentials is needed. To achieve this, I engineered a light-activated potassium channel by the genetic fusion of a photoactivated adenylyl cyclase, bPAC, and a cAMP-gated potassium channel, SthK. Illumination activates bPAC to produce cAMP and the elevated cAMP level opens SthK. The slow diffusion and degradation of cAMP makes this construct a very light-sensitive, long-lasting inhibitor. I have successfully developed four variants with EC50 to cAMP ranging from 7 over 10, 21, to 29 μM. Together with the original fusion construct (EC50 to cAMP is 3 μm), there are five different light- (or cAMP-) sensitive potassium channels for researchersto choose, depending on their cell type and light intensity needs. / Der lichtgesteuerte Kationenkanal Channelrhodopsin-2 wurde 2003 entdeckt und charakterisiert. Bereits 2005/2006 zeigten fünf unabhängige Gruppen, dass die heterologe Expression von Channelrhodopsin-2 eine sehr nützliche und einfach anwendbare Methode zur Depolarisation und damit Aktivierung von Nervenzellen ist. Die Anwendung von Channelrhodopsin-2 revolutionierte die neurowissenschaftliche Forschung und die Methode wurde dann Optogenetik genannt. In den letzten Jahren wurden immer mehr lichtempfindliche Proteine als „optogenetische Werkzeuge“ eingeführt, und nicht nur in den Neurowissenschaften erfolgreich angewandt. Optogenetische Werkzeuge zur neuronalen Anregung sind mit vielen verschiedenen Kationen-leitenden Wildtyp- und mutierten Channelrhodopsinen gut entwickelt, während für die Hemmung von Neuronen zu Beginn (2007) nur hyperpolarisierende Ionenpumpen zur Verfügung standen. Die später entdeckten lichtaktivierten Anionenkanäle (Anionenkanalrhodopsine) können nützliche Hyperpolarisatoren sein, jedoch nur bei niedriger zytoplasmatischer Anionenkonzentration. Für diese Arbeit habe ich CsR optimiert, ein Protonen pumpendes Rhodopsin aus Coccomyxa subellipsoidea, das von Natur aus eine robuste Expression in Oozyten von Xenopus laevis und in Pflanzenblättern zeigt. Ich habe die Expression und damit den Photostrom von CsR etwa um das Zweifache durch N-terminale Modifikation verbessert, ohne die Protonenpump-Funktion und das Aktionsspektrum bei der verbesserten Version von CsR2.0 zu verändern. Ein Lichtpuls hyperpolarisierte die Mesophyllzellen von CsR2.0-exprimierenden transgenen Tabakpflanzen (N. tabacum) um bis zu 20 mV gegenüber dem Ruhe-Membranpotential von -150 bis -200 mV. Die robuste heterologe Expression macht CsR2.0 zu einem vielversprechenden optogenetischen Werkzeug für die Hyperpolarisation auch in anderen Organismen. Eine einzelne R83H-Punktmutation wandelte CsR2.0 um in einen Licht-aktivierten (passiven) Protonenkanal mit einem Umkehrpotential nahe dem Nernst-Potential für intra-/extrazelluläre H+-Konzentration. Es wird erwartet, dass dieser Licht-gesteuerte Protonenkanal ein weiteres nützliches optogenetisches Werkzeug wird, z. zur Analyse der pH-Regulation in Zellen oder dem Interzellularraum. Ionenpumpen als optogenetische Werkzeuge erfordern hohe Expressionsraten und eine hohe Lichtintensität für effiziente Pumpströme, wobei eine Langzeitbeleuchtung unerwünschte Erwärmungseffekte verursachen kann. Obwohl Anionen-Channelrhodopsine in einigen Fällen wirksame hyperpolarisierende Werkzeuge sind, hängt ihre Wirkung auf die neuronale Aktivität von der zytoplasmatischen Chloridkonzentration ab, die zwischen den Neuronen variieren kann. In Nervenzellen beendet eine erhöhte Leitfähigkeit für Kalium das Aktionspotential und die K+-Leitfähigkeit liegt dem Ruhe-Membranpotential in erregbaren Zellen zugrunde. Daher versuchten mehrere Gruppen, künstliche lichtgesteuerte Kaliumkanäle zu synthetisieren, aber alle diese veröffentlichten Innovationen zeigten schwerwiegende Nachteile, die von schlechter Expression über fehlende Reversibilität bis hin zu geringer zeitlicher Präzision reichten. Ein hoch Kalium-selektiver Licht-empfindlicher Inhibitor der Aktionspotentiale ist von hohem Wert für die Neurowissenschaft. Um dies zu erreichen, habe ich einen Licht-aktivierten Kaliumkanal durch genetische Fusion einer photoaktivierten Adenylylcyclase, bPAC, und eines cAMP-gesteuerten Kaliumkanals, SthK, konstruiert. Beleuchtung aktiviert bPAC zur Produktion von cAMP und der erhöhte cAMP-Spiegel öffnet SthK. Die langsame Diffusion und Degradation von cAMP macht dieses Konstrukt zu einem sehr Licht-empfindlichen, lang anhaltenden Inhibitor. Ich habe darüber hinaus erfolgreich vier Varianten mit EC50 für cAMP im Bereich von 7 über 10, 21 bis 29 µM entwickelt. Zusammen mit dem ursprünglichen Fusionskonstrukt (EC50 zu cAMP beträgt 3 μM) gibt es damit nun fünf verschiedene lichtempfindliche Kaliumkanäle, die je nach Zelltyp und Lichtintensitätsbedarf für optogenetische Experimente ausgewählt werden können.

Fusobacterium nucleatum is an emerging cancer-associated bacterium belonging to the Fusobacteriota phylum, which is evolutionary distant from all model bacteria. Recent analysis generated global fusobacterial RNA maps, which enabled the discovery of 24 small noncoding RNAs (sRNAs) in F. nucleatum. Notably, the σE-dependent sRNA FoxI and FoxJ act as a posttranscriptional regulator of several cell envelope proteins. The σE-dependent sRNAs in Escherichia coli and Salmonella require the RNA chaperone Hfq for their functions. Intriguingly, F. nucleatum seems to have no homologs of the three common RNA-binding proteins (RBPs) CsrA, Hfq and ProQ. However, it remains unclear if other families of RBPs act in concert with FoxI, FoxJ and other fusobacterial sRNAs. This work has successfully established a 14-mer capture tagged-sRNA affinity purification procedure initially using 6S RNA as a proof-of-concept. Applying this method to 19 different F. nucleatum sRNAs led to a comprehensive mapping of sRNA-binding proteins in this bacterium. This screen identified a total of 75 proteins significantly enriched across all sRNAs and prominent in ribosomal proteins, uncharacterized proteins and enzymes associated with metabolism. This work further focused on the homologs of two KH domain proteins KhpA and KhpB, which were recently recognized as global RBPs in various Gram-positive bacteria such as Streptococcus pneumoniae, Clostridioides difficile, and Enterococcus faecalis. Comparative analyses revealed conserved domain composition and gene synteny of KhpA and KhpB across F. nucleatum, S. pneumoniae, C. difficle and E. faecalis, indicating conserved roles of these proteins in bacteria. Further protein-protein interaction assays and global RNA targets profiling demonstrated that KhpA and KhpB form dimers and act together as broad RBPs, binding to sRNAs, mRNAs and tRNAs in F. nucleatum. Further functional characterizations unveiled that KhpA/B are required for the growth of F. nucleatum under nutrient limitation conditions and impact cell morphology. Additionally, the two RBPs also influence global gene expression in F. nucleatum affecting various bacterial physiological processes, including ethanolamine utilization. In summary, this work established a sRNA-centric approach for screening sRNA-binding proteins in F. nucleatum. Further, the assay could be applied in other non-model organisms and is feasible to screen multiple sRNA baits in parallel for sRNA-interactors. By applying this procedure to nearly all known fusobacterial sRNAs, this work generated an extensive map of sRNA-interacting proteins in F. nucleatum. Molecular and genetic studies identified that KhpA/B act as major RBPs and gene regulators in F. nucleatum, representing important first steps in elucidating key players of post-transcriptional control at the root of the bacterial phylogenetic tree. / Fusobacterium nucleatum ist ein relevantes krebsassoziiertes Bakterium des Phylums Fusobacteriota, welches sich evolutionär von allen anderen Modellbakterien abgrenzt. In einer kürzlich durchgeführten Analyse wurden fusobakterielle RNAs global kartiert, was die Entdeckung von 24 kleinen nichtkodierenden RNAs (sRNAs) in F. nucleatum ermöglichte. Besonders hervorzuheben ist die σE-abhängige sRNAs FoxI und FoxJ, die als posttranskriptioneller Regulator von mehreren Proteine der Zellhülle fungiert. Die σE-abhängigen sRNAs in Escherichia coli und Salmonella benötigen das RNA-Chaperonprotein Hfq für ihre Funktionen. Interessanterweise scheint F. nucleatum aber keine Homologe der drei verbreiteten RNA-Bindeproteine (RBPs) CsrA, Hfq und ProQ zu besitzen. Es bleibt jedoch unklar, ob andere RBP-Familien mit FoxI, FoxJ und sonstigen fusobakteriellen sRNAs interagieren. Diese Arbeit hat erfolgreich ein 14-mer Capture-Markierung basierendes sRNA Affinitätsreinigungsverfahren etabliert, das zunächst unter Verwendung von 6S RNA erprobt wurde. Die Anwendung dieser Methode auf 19 verschiedene sRNAs in F. nucleatum führte zu einer umfassenden Übersicht von sRNA-bindenden Proteinen in diesem Bakterium. Unter allen sRNAs konnten mit Hilfe dieses Screenings insgesamt 75 signifikant angereicherte Proteine identifiziert werden, so vor allem ribosomale Proteine, uncharakterisierte Proteine und Metabolismus-assoziierte Enzyme. Diese Arbeit konzentrierte sich weiterführend auf die Homologe der zwei KH-Domänenproteine KhpA und KhpB, die kürzlich als globale RBPs in verschiedenen Gram-positiven Bakterien, wie Streptococcus pneumoniae, Clostridioides difficile und Enterococcus faecalis beschrieben wurden. Vergleichende Analysen bewiesen eine konservierte Domänenzusammensetzung und Gensyntenie von KhpA und KhpB in F. nucleatum, S. pneumoniae, C. difficile und E. faecalis, was wiederum auf konservierte Funktionen dieser Proteine in Bakterien hinweist. Weitere Protein-Protein-Interaktionsassays und globale Assays zur Identifizierung der Ziel-RNAs zeigten, dass KhpA und KhpB Dimere bilden und gemeinsam als umfangreiche RBPs wirken, die an sRNAs, mRNAs und tRNAs in F. nucleatum binden. Funktionelle Charakterisierungen der Proteine ergaben, dass KhpA/B für das Wachstum von F. nucleatum unter Nährstoffmangel erforderlich sind und die Zellmorphologie beeinflussen. Zusätzlich spielen die beiden RBPs auch eine Rolle in der globalen Genexpression in F. nucleatum und wirken sich auf verschiedene physiologische Prozesse aus, einschließlich der Ethanolamin-Nutzung. Zusammenfassend etablierte diese Arbeit einen sRNA-orientierten Ansatz zur Untersuchung von sRNA-Bindeproteinen in F. nucleatum. Darüber hinaus kann dieser Ansatz potenziell in anderen Nicht-Modellorganismen angewendet werden und eignet sich um mehrere sRNA-Baits parallel auf deren sRNA-Interaktionspartner zu untersuchen. Durch die Anwendung dieses Verfahrens auf nahezu allen bekannten fusobakteriellen sRNAs wurde eine umfangreiche Kartierung der sRNA-Interaktoren in F. nucleatum generiert. Die hier beschriebenen molekularen und genetischen Studien, in welchen KhpA/B als wichtige RBPs und Genregulatoren von F. nucleatum identifiziert wurden, stellen wichtige erste Schritte bei der Aufklärung der Schlüsselakteure der posttranskriptionellen Kontrolle am Ursprung des bakteriellen Stammbaums dar.

Würzburg, Universiẗat, Diss., 2007.

Univ., Diss., 2010--Würzburg.

München, Techn. Univ., Diss., 2004.

Universiẗat, Diss., 2004--Bonn.

In der vorliegenden Studie wurden zwei neuartige BMP-2 Varianten mit verstärkter Bindung an die extrazelluläre Matrix auf ihre Osteoinduktivität hin untersucht und mit dem Wildtyp verglichen. Hierzu wurden die Morphogene an scheibenförmige Träger (Kollagen Typ I) gebunden in die Muskulatur der vorderen Bauchwand von Ratten implantiert. Über einen Beobachtungszeitraum von 35 Tagen wurden in Intervallen von sieben Tagen die Implantate explantiert und sowohl radiologisch als auch histologisch auf die erzielte Knochenneubildung hin untersucht. Die Morphogene wurden in zwei Konzentrationen (10 µg, 5 µg) implantiert. Bei 5 µg pro Implantat weist die Variante T4 mit vier repitiven Heparin-Bindungsstellen am N-Terminus eine signifikant gesteigerte Osteoinduktivität gegenüber dem Wildtyp und der Variante T3 auf. Diese gesteigerte Knocheninduktion zeigt sich in einer schnelleren Knochenbildung, die bereits an Tag 14 ihr Maximum erreicht und nach einer Plateauphase von circa sieben Tagen einen osteoklastären Knochenabbau mündet. Die Variante T3 zeigt im Röntgenverlauf in der Dosierung von 5 µg keinen signifikanten Unterschied zum Wildtyp BMP-2. In hoher Dosierung erweisen sich die Varianten T3 und T4 als die induktiveren Morphogene. Die Variante T3 zeigt einen zu T4 nahezu identischen Verlauf. Der Wildtyp besitzt eine gegenüber den beiden Varianten deutlich reduzierte Osteinduktivität. Der beobachtete Unterschied ist jedoch statistisch nicht signifikant. Bei allen Proteinen wird die maximal erzielbare Knochenfläche bereits an Tag 14 erreicht. In der darauf folgenden Zeit kommt es durch den osteoklastären Umbau zu einer deutlichen Flächenreduktion (um ca. 30%). In den Untersuchungen konnte bewiesen werden, dass die gentechnische Modifikation des Morphogenes BMP-2 zu einer Steigerung der Osteoinduktivität führen kann. Gentechnologisch hergestellte Modifikationen von Wachstumsfaktoren bieten daher interessante Möglichkeiten der gezielten Beeinflussung der Pharmakokinetik der Faktoren. Sie versprechen ein hohes therapeutisches Potenzial in der rekonstruktiven Knochenchirurgie. / Two novel BMP-2 variants (T3, T4) with increased binding to the extracellular matrix were investigated in comparison to the osteoinductive properties of the wild type. The growth factors were colyophilzed with collagen type I as a carrier and implanted into muscle pouches of the anterior abdominal wall of rats. Two different concentrations were used in this study (10 µg, 5 µg). Over an observation period of 35 days the samples were explanted in intervals of 7 days. The induced formation of bone was evaluated by contact radiography and histology. In the lower concentration (5 µg) the variant T4 with four repetitive heparin-binding sites on the N-terminal end showed a significantly increased osteoinductivity compared to the wild type and the variant T3. This increased bone induction is reflected in a more rapid bone formation, which is reaches its maximum at day 14 followed by a plateau of approximately seven days. The last phase is characterized by a marked decrease in the amount of bone due to an osteoclastic resorption. No significant difference between the variant T3 and the BMP-2 wild-type can be seen in this low concentration. In the high dose both variants (T3 and T4) showed almost identical osteoinductive properties and proved to be more effective than the wild type. However the observed differences are not statistically significant. The same pattern in the time course of bone formation can be seen for all investigated morphogens: The peak amount of bone is formed around days 14-21. After that the osteoclastic activity reduces the newly formed mineralized tissue by approximately 30% at day 35. The study could prove that the genetic modification of BMP-2 can increase the osteoinductive potential. Genetically engineered modifications of growth factors, therefore, offer interesting opportunities for targeted changes of their pharmacokinetics. They promise a high therapeutic potential in reconstructive bone surgery.