Die Käsereifung ist ein biochemischer Prozess, der sich durch physikalische, mikrobiologische und enzymatische Ursachen und Abläufe vollzieht. Dabei ist die Proteolyse entscheidend für Veränderungen hinsichtlich Textur und Sensorik im Endprodukt Käse. Da die Käsematrix zu komplex ist und verschiedene Einflüsse sich störend bei der Analyse von Proteinen auswirken, sollte ein Käsemodell entwickelt werden. Ziel dieser Arbeit war es daher ein geeignetes Modell zu entwickeln, welches die Käsereifung simulieren sollte. Zum Vergleich sollte ein Modell herangezogen werden, welches der Milch nachempfunden war. Als Protein sollte das b-Casein, welches bis zu 30 % an der Caseinfraktion beteiligt ist, durch Chymosin und ein mikrobielles Milchgerinnungsenzym (Suparen) hydrolysiert werden. Anschließend sollten kommerziell erhältliche Käse untersucht werden, um eventuelle Parallelen zum Modell Käse ziehen zu können.

Die Käsereifung ist ein biochemischer Prozess, der sich durch physikalische, mikrobiologische und enzymatische Ursachen und Abläufe vollzieht. Dabei ist die Proteolyse entscheidend für Veränderungen hinsichtlich Textur und Sensorik im Endprodukt Käse. Da die Käsematrix zu komplex ist und verschiedene Einflüsse sich störend bei der Analyse von Proteinen auswirken, sollte ein Käsemodell entwickelt werden. Ziel dieser Arbeit war es daher ein geeignetes Modell zu entwickeln, welches die Käsereifung simulieren sollte. Zum Vergleich sollte ein Modell herangezogen werden, welches der Milch nachempfunden war. Als Protein sollte das b-Casein, welches bis zu 30 % an der Caseinfraktion beteiligt ist, durch Chymosin und ein mikrobielles Milchgerinnungsenzym (Suparen) hydrolysiert werden. Anschließend sollten kommerziell erhältliche Käse untersucht werden, um eventuelle Parallelen zum Modell Käse ziehen zu können.

Para-k-Casein entsteht durch Hydrolyse des kappa-Caseins nach Zugabe proteolytischer Enzyme zur Milch. Untersuchungen an selbst erstellten Modellen unter Bedingungen, die die Käsereifung simulieren, zeigen, dass die Proteolyse des für die Käsereifung bedeutenden para-k-Caseins stark vom Wassergehalt abhängt. Mit Hilfe geeigneter Methoden (SDS-Elektrophorese, IEF, GPC, RP-HPLC, ESI-MS u.a.) konnte der Abbau des para-k-Caseins durch die industriell relevanten Milchgerinnungsenzyme Chymosin, Fromase und Suparen bei unterschiedlichem Wasserangebot verfolgt werden. Para-k-Casein wird bei einem käseüblichen Wassergehalt von 60 % innerhalb von 15 Wochen über wenig höhermolekulare Spaltprodukte überwiegend zu Peptiden mit Molmassen im Bereich von 400-1400 Da abgebaut. Wie elektrophoretische Untersuchungen zeigen, wird para-k-Casein auch im Sauermilchkäse abgebaut. Allerdings ist die Detektion der in sehr geringer Menge entstandenen Hydrolyseprodukte problematisch. / K-casein is one of the original casein components in milk. Model-experiments under cheese ripening conditions demonstrate the hydrolysis of para-k-Casein, which is the hydrophobic part of kappa-casein, by rennet and rennet substitutes fromase and suparen. Different water contents influences the dimension of hydrolysis of para-k-Casein. A water content of 60 % usual found in cheese results in a great number of hydrolysis products from para-k-Casein with molecular weights between 400-1400 Da. The hydrolyses was investigated for a time period of 15 weeks by several analytical methods (i.e RP-HPLC, ESI-MS, electrophoretic methods, and others). Investigations by electrophoresis of the ripening process of acid curd cheese demonstrated that para-k-Casein is also hydrolysed in this type of cheese, but the detection is quite difficult.

LES RIBONUCLEOTIDES REDUCTASES (RNRS) SONT DES ENZYMES UBIQUITAIRES ESSENTIELLES POUR LA SYNTHESE D'ADN. LA CROISSANCE EN ANAEROBIOSE D'ESCHERICHIA COLI DEPEND D'UNE RNR DE CLASSE III. L'ENZYME ACTIVEE CONTIENT UN RADICAL SENSIBLE A L'OXYGENE SITUE SUR LE RESIDU G681 DONT LA FORMATION IMPLIQUE L'INTERVENTION CONCERTEE D'UNE PROTEINE ACTIVATRICE FER-SOUFRE, DE S-ADENOSYLMETHIONINE, DE DITHIOTHREITOL (DTT), ET D'UN SYSTEME REDUCTEUR. LA STRUCTURE CRISTALLOGRAPHIQUE DE LA RNR DU BACTERIOPHAGE T4 A REVELE LA PRESENCE D'UN SITE METALLIQUE ZN(CYS)4 DANS LA PARTIE C-TERMINALE DE LA REDUCTASE. DANS CE TRAVAIL NOUS AVONS DEFINI DE NOUVELLES CONDITIONS DE PURIFICATION CONDUISANT A DES ENZYMES TRES ACTIVES, MONTRE QUE LE ZINC CONTROLE LA STRUCTURATION DE LA BOUCLE CTER CONTENANT LE SITE RADICALAIRE ET QUE, CONTRAIREMENT A CE QUI ETAIT ADMIS DEPUIS PLUS DE 15 ANS, LE DTT N'INTERVIENT PAS DANS LA FORMATION DU RADICAL GLY· MAIS PLUTOT DANS LES TRANSFERTS RADICALAIRES ENTRE GLY· ET LE SUBSTRAT.

München, Techn. University, Diss., 2005.

Techn. Universiẗat, Diss., 2004--Dresden.

Während der letzten Dekade neurobiologischer Forschung wurde deutlich, dass inflammatorische Vorgänge in einem Netwerk nicht-neuronaler und neuronale Zellen wesentlich zur Entstehung und zur Progredienz einiger wichtiger neurodegenerativer Erkrankungen beitragen. Therapeutische Ansätze sollten daher auch auf die Protektion initial überlebender Neurone vor dieser sekundären inflammatorischen Schädigung zielen. Ein wesentlicher Bestandteil dieser sekundären Schädigung besteht aus der Migration von Makrophagen und Mikrogliazellen in die Regionen neuronaler Schädigung, wo sie grosse Mengen an toxischen Zytokinen und Sauerstoffradikalen freisetzen. In einer Makrophagen-ähnlichen Zelllinie, sowie in phagozytierenden Mikrogliazellen wurde eine nukleäres proteolytisches System identifiziert, dass in der Lage war, oxidativ geschädigte Kernproteine zu erkennen und abzubauen. Im Gegensatz zu dem bisherigen Konzept relativer Langlebigkeit der Histonproteine, wurde diese nach oxidativer Schädigung innerhalb von Minuten abgebaut und vom Chromatin entfernt. Dieser schnelle Abbau war von der nicht-kovalenten Interaktion der automodifizierten Poly(ADP-Ribose)-Polymerase-1 (PARP-1) mit dem 20S Proteasom abhängig. Die PARP-1 wurde somit als ein Signalmolekül zwischen dem Chromatinschaden und der Einleitung einer protektiven Zellantwort charakterisiert, die Mikrogliazellen das Überleben ihres eigenen Aktivierungszustandes ermöglicht. Es zeigte sich, dass dieses PARP-Proteasom-System in Abhängigkeit vom Differenzierungsgrad Makrophagen-ähnlicher Zellen abhängig ist und auch funktionell in die Chemotherapieresistenz humaner Leukämiezellen involviert ist. Darüberhinaus regulierte die PARP-1 auch die Expression des Integrins CD11a durch Interaktion mit dem translozierten NF-kappaB und HMG-I(Y) und dadurch die Migration von Mikrogliazellen zum Ort der neuronalen Schädigung. Diese Ergebnisse machem die PARP-1 zu einem potentiellen Ziel therapeutischer Interventionen zur Verhinderung der destruktiven Migration von Mikrogliazellen, womit eine Protektion initial überlebender Neurone vor weiterer inflammatorischer Schädigung erreicht werden könnte. / During the last decade of neurobiological research, it became clear that inflammatory pathways in the CNS, involving a network of non-neuronal and neuronal cells, are contributing mainly to the onset and progress of several major neurodegenerative diseases. Therapeutic approaches must therefore focus on the protection of initially surviving neurons from this secondary inflammatory damage. One major component of secondary neuronal damage is the migration of macrophages and microglia cells towards the sites of injury where they produce large amounts of toxic cytokines and oxygen radicals. In a macrophage-like cell line and in phagocytosing microglial cells a nuclear proteolytic system was identified, which was able to recognize and degrade oxidatively-damaged nuclear proteins, in particular histones. In contrast to the previous concept of relatively long-living histone proteins, they are rapidly degraded and removed from the chromatin within minutes after oxidative damage. This rapid degradation was dependent on the non-covalent interaction of the 20S proteasome with the automodified poly(ADP-ribose)-polymerase-1 (PARP-1). Therefore, the PARP-1 has been identified as a signal molecule between the detection of a chromatin-damage and a protective cellular response, which enables microglial cells to survive their own activation state. The regulation of this PARP-proteasome-system depends on the differentiation state of macrophage-like cells and is also functionally involved in the chemotherapy-resistance of human leukemia cells. Moreover, PARP-1 regulates the expression of the integrin CD11a by interaction with the translocated NF-kappaB and HMG-I(Y) and therefore microglia migration towards the sites of neuronal injury. These findings renders the PARP as potential target for therapeutic interventions to inhibit destructive microglial migration and therefore to protect initially surviving neurons from inflammatory damage.

Le muscle squelettique est le réservoir principal d’acides aminés libres de l’organisme. Ainsi, l’atrophie musculaire induite par l’immobilisation peut entraîner un affaiblissement et un allongement des périodes de récupération générant des coûts de santé publique élevés. Une aggravation de l’atrophie caractérise de façon surprenante le muscle tibialis anterior (TA) après le déplâtrage, retardant la récupération. Mon objectif a été de comprendre les mécanismes à l’origine de l’aggravation de l’atrophie du TA pendant les phases précoces de récupération en étudiant i) la structure et le phénotype des muscles, ii) la composition de la matrice extracellulaire (MEC), iii) la protéolyse et l’apoptose, et iv) les processus de signalisation via les intégrines. Des rats ont été soumis à une immobilisation par plâtrage pendant 8 jours d’une des deux pattes arrière, l’autre servant de témoin, et placés en récupération pendant 10 jours. L’aggravation de l’atrophie du TA apparaît dès déplâtrage, corrélée avec i) une baisse de l’aire des fibres associée à leur déformation, ii) une redistribution des isoformes des chaines lourdes de myosines, iii) une augmentation de l’apoptose localisée dans le tissu conjonctif, iv) un épaississement de l’endomysium pendant la remobilisation, v) des adaptations au niveau des processus de remodelage des collagènes, et vi) une activation prononcée et persistante du système protéolytique ubiquitine-protéasome (UPS) et de l’apoptosome. Nous montrons également une élévation des niveaux ARNm dans le TA remobilisé vii) de la ténascine-C et de Sparc dès le déplâtrage, et viii) de marqueurs de l’autophagie à partir du moment où l’atrophie se stabilise. Enfin, nous montrons également une élévation des ARNm dans le TA immobilisé ix) des facteurs myogéniques, et x) des intégrines membranaires et de leurs partenaires pendant l’immobilisation et après le déplâtrage. En conclusion, mon travail de thèse a permis de montrer que l'aggravation de l’atrophie du TA est précoce, associée à un remodelage important de la structure et de la composition de la MEC et du phénotype des fibres musculaires, et pourrait résulter de l’augmentation persistante et prononcée de la voie UPS et de l’apoptose. Ce travail suggère que des modifications au niveau des molécules matricielles pendant la remobilisation pourraient influencer la signalisation dépendante des intégrines et la régénération musculaire. / Skeletal muscle is the main reservoir of body amino acids. Thus, muscle atrophy induced by immobilization can lead to a weakening and to a lengthening of recovery periods, leading to elevated healthcare costs. Surprisingly, a worsening of tibialis anterior (TA) muscle atrophy prevailed after cast removal and thus delayed recovery. The aim of my Ph.D was to understand mechanisms underlying the worsening of TA atrophy during early recovery by studying i) the muscle structure and phenotype, ii) the composition of the extracellular matrix (ECM), iii) proteolysis and apoptosis, and iv) the signaling pathways via integrins. Rats were subjected to hindlimb casting for 8 days of one hindllimb, the other leg served as control, and then were allowed to recover for 10 days. The worsening of TA atrophy appeared immediately after cast removal and correlated with i) a decrease in fiber crosssection area associated to fiber deformation, ii) a redistribution of myosin heavy chain isoforms, iii) an increase in apoptosis localized in the connective tissue, iv) a thickening of the endomysium during remobilization, v) some adaptations in collagen remodeling processes, and vi) a pronounced and sustained activation of the ubiquitin-proteasome proteolytic system (UPS) and of the apoptosome. We also showed an increase in the remobilized TA of mRNA levels vii) of tenascin-C and Sparc immediately after cast removal, and viii) of some autophagy markers, when atrophy stabilized. Finally, we showed an elevation of mRNA levels encoding ix) myogenic factors, and x) transmembrane integrins and their partners during TA immobilization and after cast removal. In conclusion, my Ph.D project showed that the worsening of the TA atrophy occurred early after cast removal, was associated with a significant remodeling of the structure and composition of the ECM and of the phenotype of muscle fibers, and may result from pronounced and sustained increase in the UPS and apoptosis. This work suggests that changes in the matricellular matrix molecules during remobilization could influence integrin-dependent signaling and muscle regeneration.

Der alternative Sigmafaktor RpoS ist der Masterregulator der generellen Stressantwort in Escherichia coli. Er kontrolliert ein Regulon von mehr als 500 Genen. In ungestressten Zellen ist die RpoS-Synthese gering, da RpoS nach Bindung an den spezifischen Erkennungsfaktor RssB von der ClpXP-Protease unter ATP-Verbrauch degradiert wird. RssB wird dabei nicht codegradiert und wirkt daher katalytisch. In gestressten Zellen wird RpoS stabilisiert. Die zentrale Fragestellung dieser Arbeit war, wann und wodurch RpoS in den beiden E. coli K12-Laborstämmen W3110 und MC4110 stabilisiert wird. Die Ergebnisse zeigen, dass die Verfügbarkeit von RssB und das Verhältnis von RpoS zu RssB die zentralen Schlüssel sind. In ungestressten Zellen sind die geringen Konzentrationen von RpoS und RssB durch homöostatisches Feedback aufeinander abgestimmt (RssB benötigt RpoS zu seiner Expression). In der postexponentiellen Wachstumsphase steigt der RpoS-Gehalt so stark an, dass die Zellen mit RpoS “überschwemmt“ werden und RssB austitriert wird. In der Stationärphase liegt RssB meist inaktiv vor. Zusammen mit dem Absinken des ATP-Gehalts führt das zur Stabilisierung von RpoS. Da parallel die Bindung von RpoD an die RNA-Polymerase (RNAP) durch Rsd inhibiert wird, (p)ppGpp die Bindung alternativer Sigmafaktoren an die RNAP fördert und Crl gezielt RpoS bei der Bindung an die RNAP unterstützt, kann RpoS nun erfolgreich mit den anderen Sigmafaktoren um die RNAP konkurrieren und die generelle Stressantwort initiieren. Im Stamm W3110 wird RpoS bereits in der späten postexponentiellen Phase stabilisiert und der hohe RpoS-Gehalt schafft in diesem Stamm die Basis für eine starke generelle Stressantwort. In MC4100 hingegen wird RpoS zweiphasig stabilisiert und wird am Ende der postexponentiellen Phase zunächst wieder destabilisiert. Das resultiert in einer geringeren Stressresistenz und Überlebensfähigkeit des MC4100 und belegt die stärkere Degenerierung des MC4100 im Vergleich zum W3110. / The alternative sigma factor RpoS is the master regulator of the general stress response in Escherichia coli, which controls a regulon of >500 genes. In unstressed cells RpoS levels are low, because upon binding to the specific RpoS recognition factor RssB, RpoS becomes degraded by the ATP-dependent ClpXP protease. RssB is not co-degraded and acts catalytically. In stressed cells RpoS becomes stabilized. The central question of this study was when and how RpoS is stabilized in the two E. coli K-12 laboratory strains W3110 and MC4110. The results show that the availability of RssB and the ratio of RpoS to RssB are the central key. In unstressed cells low levels of RpoS and RssB level are finely balanced due homeostatic feedback (the expression of RssB itself requires RpoS). During the post-exponential growth phase the RpoS level strongly increases, so that cells are ‘flooded‘ with RpoS which titrates RssB. During stationary phase RssB exists mainly in its inactive form. Along with a lower ATP level, this results in a stabilization of RpoS. Since in parallel binding of RpoD to RNA polymerase (RNAP) is inhibited by Rsd, (p)ppGpp promotes the binding of alternative sigma factors to the RNAP and Crl supports RpoS binding to RNAP, RpoS can successfully compete with other sigma factors for RNAP and initiate the general stress response. In strain W3110 RpoS is stabilized already during the late post-exponential phase and the high RpoS content in this strain creates the basis for a strong general stress response. In MC4100, however, RpoS is stabilized in two phases, and during the end of the post-exponential phase RpoS is even transiently destabilized again. This is reflected in reduced stress resistance and longterm survival of MC4100 and shows the stronger degeneration of strain MC4100 compared to W3110.

Der sekundäre Botenstoff c-di-GMP kommt in vielen Bakterienspezies vor und fördert dort die Bildung von Biofilmen. Für Abbau und Synthese von c-di-GMP in der Zelle sorgen Diguanylatzyklasen (DGCs) und Phosphodiesterasen (PDEs), an deren N-Terminus häufig Sensordomänen die enzymatische Aktivität steuern. In dieser Arbeit wurde die Regulation und Wirkungsweise einer Gruppe von PDEs mit einer neuartigen Sensordomäne, der CSS-Domäne, genauer charakterisiert. Die CSS-Domäne ist im Periplasma lokalisiert und besitzt zwei hochkonservierte Cysteine, von denen eines in dem namensgebenden CSS-Motiv arrangiert ist. Die Integration in die innere Membran erfolgt durch zwei Transmembrandomänen (TM1 und TM2), wobei TM2 die Verbindung zu der C-terminal gelagerten EAL-Domäne mit PDE-Aktivität herstellt. Die Analyse von PdeC als eine von fünf CSS-PDE in Escherichia coli K-12 zeigte, dass die Bildung einer Disulfidbrücke zwischen den konservierten Cysteinen vom oxidierende DsbA/DsbB-System katalysiert wird und zu einer Verminderung der enzymatischen Aktivität der EAL-Domäne führt. Im Gegensatz dazu führt die reduzierte freie Thiol-Form der CSS-Domäne zu einer stark erhöhten PDE-Aktivität verbunden mit der Dimerisierung über die TM2. Die Reduktion der CSS-Domäne führt außerdem zur Prozessierung durch die HtrA-Proteasen DegP und DegQ in ein membranständiges Fragment aus TM2+EAL-Domäne mit hoher enzymatischer Aktivität. Der Abbau durch DegP und DegQ im Periplasma ist sehr effizient. Auf der cytoplasmatischen Seite hingegen erfolgt die weitere Degradierung durch noch unbekannte Proteasen eher langsam, wodurch es unter bestimmten Bedingungen zur Akkumulierung der hochaktiven TM2+EAL-Form kommt. Durch das Zusammenspiel von redox-abhängiger Aktivitätskontrolle und Proteolyse der c-di-GMP-spezifischen PDE PdeC wird die Produktion der amyloiden Curli-Fasern und Cellulose reguliert, welche Hauptbestandteil der extrazellulären Matrix von Biofilmen sind. / The second messenger c-di-GMP promotes biofilm formation in many bacterial species. Phosphodiesterases (PDEs) and diguanylatcyclases (DGCs) - often controlled by various N-terminal sensor domains - degrade and synthesize c-di-GMP. The aim of this study was to characterize the mode of activation and physiological function of a new class of sensor domains, the CSS domain, which is coupled to an EAL domain with PDE activity and therefore potentially controlling c-di-GMP degradation. The CSS sensor domain contains two highly conserved cysteins in the periplasmic loop, of which one is arranged in the characteristic CSS motif. Integration into the inner membrane is ensured by two flanking transmembrane domains (TM1 and TM2), with TM2 providing a connection to the C-terminal EAL domain. Analysis of PdeC as one of 5 CSS-PDEs in Escherichia coli K-12 revealed a close linkage to the disulfide bond (DSB) system as well as important periplasmic proteases. Thus, formation of a DSB between the two conserved cysteins is promoted by the oxidizing DsbA/DsbB-system and reduces enzymatic activitiy of the EAL domain. In contrast, the free thiol form increases PDE activity and dimerizes via the TM2 domain. Moreover, reduction of the CSS domain results in degradation by the periplasmic HtrA proteases DegP and DegQ. These redundantly process PdeC to a shorter fragment containing the TM2 and EAL domain only, which shows dimerization as well and has high PDE activity. Degradation in the periplasm mediated by DegP and DegQ is very efficient. In contrast, further proteolysis in the cytoplasm by yet unidentified proteases is rather slow, allowing the accumulation of the highly active TM2+EAL form. Finally, the interplay of redox dependent activity control and proteolysis of the c-di-GMP specific PDE PdeC regulates production of curli and cellulose as major matrix components of the bacterial biofilm.