Zugl.: Halle (Saale), Univ., Diss., 2008

Techn. Universiẗat, Diss., 2006--München.

München, Techn. Univ., Diss., 2000.

Freie University, Diss., 2005--Berlin. / Dateiformat: zip, Dateien im PDF-Format. Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2005.

Das Bakterium Legionella pneumophila vermehrt sich in Alveolarmakrophagen und kann zu einer Pneumonie, der Legionärskrankheit, führen. Phospholipasen können zur bakteriellen Pathogenität beitragen, indem sie den Wirt durch Zerstörung von Lipidstrukuren schädigen, oder über die Generation von „second messengern“ immunmodulatorisch wirken. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die prominenteste zell-assoziierte und hämolytische Phospholipase A/Lysophospholipase A (PlaB) von L. pneumophila Corby charakterisiert und auf eine mögliche Virulenzassoziation hin untersucht. Die Bestimmung des Transkriptionsstartpunktes von plaB ermöglichte die Identifikation einer möglichen sigma70-Bindungsstelle. Die Transkriptionsrate ist relativ gering und nimmt zur stationären Phase hin ab, das Enzym ist vorwiegend exponentiell aktiv. Enzymatisch aktives PlaB-Protein ist zumindest zum Teil auf der oberflächenexponierten Seite der äußeren Membran lokalisiert. Der Transport des PlaB-Proteins ist nicht vom Tat-abhängigen Transport oder den Sekretionssystemen des Typ I, II oder IVB abhängig. Im Meerschweinchenmodell konnte eine Virulenzassoziation von PlaB nachgewiesen werden. PlaB-defiziente Bakterien zeigten eine geringere Replikationsrate in den Lungen und eine verminderte Kolonisierung der Milz. Vergleichende histologische Studien zeigten eine schwächer ausgeprägte Inflammation und Zerstörung der Lungen nach Infektion mit der plaB-Mutante. Somit handelt es sich bei PlaB um ein innerhalb der Spezies Legionella sehr weit verbreitetes Protein, welches in L. pneumophila Corby vorwiegend vor dem Eintritt in die stationäre Phase exprimiert wird. Enzymatisch aktives PlaB-Protein ist an der oberflächenexponierten Seite der äußeren Membran zu finden und spielt eine wichtige Rolle bei der Entstehung der Legionellen-Pneumonie. / The bacterium Legionella pneumophila replicates inside of alveolar macrophages and causes a severe pneumonia, the Legionnaires` disease. Bacterial phospholipases are well known virulence factors. Some cause cell lysis by pore formation, others generate second messengers and modulate the inflammatory response of the host. The aim of this work was to further characterize the major cell-associated hemolytic phospholipase A/lysophospholipase A activity (PlaB) of L. pneumophila Corby and to investigate a possible role of PlaB as virulence factor. Determination of the transcriptional start site of plaB allowed the identification of a possible sigma70-binding site. The transcription rate is relatively weak and decreases from exponential to stationary phase and enzymatic activity is most prominent in the exponential growth phases. Enzymatically active PlaB-protein is at least in parts localised on the surface-exposed side of the outer membrane. Studies with mutants of the Tat-dependent pathway and the type I, II, IVB secretion systems showed that these pathways are not involved in secretion of the PlaB-protein. Infection of guinea pigs revealed that PlaB plays an important role in proliferation of the bacteria in the lungs and dissemination to the spleen. Comparative histological studies revealed a less extensive inflammation and destruction of the lungs infected with the plaB-mutant strain. In summary, this work revealed that PlaB is a protein which is widespread within Legionella species. In L. pneumophila Corby, it is primarily expressed and active before stationary phase. Enzymatically active PlaB-protein is at least in parts located at the surface-exposed side of the outer membrane and contributes to the establishment of Legionnaires` disease.

Toxoplasma gondii weist eine weltweite Verbreitung auf und kann fast alle Wirbeltiere, vor allem Vögel und Menschen infizieren. Felide sind Endwirte von T. gondii, welche das infektiöse und umweltresistente Oozysten-Stadium ausscheiden können. T. gondii kann auch ohne sexuelle Vermehrung unterschiedlichste Zwischenwirte und Zwischenwirtspezies infizieren. Obwohl eine sexuelle Phase ein Teil des Lebenszyklus ist, werden rekombinierte Genotypen nur selten beobachtet. Dies ist ein Grund dafür, warum T. gondii eine klonale Populationsstruktur erkennen lässt. Während in Nordamerika und Europa drei klonale Genotypen (Typ I, II und III) dominieren, werden in Südamerika und Asien, neben den drei bekannten auch atypische und andere Genotypen beobachtet. Auch innerhalb der atypischen Genotypen lässt sich eine klonale Populationsstruktur erkennen. Die Linien I, II und III weisen Unterschiede in ihrer Virulenz für Mäuse auf. Typ-I-Stämme sind hochvirulent. Die Infektion mit nur einem Organismus führt bereits zum Tod. Klonale Typ-II- und Typ-III-Stämme sind avirulent für Mäuse. Nur Infektionen mit mehr als 103 Organismen führen zum Tod. In dieser Studie zeige ich, dass die Mehrzahl isolierter T. gondii-Oozysten dem Typ II zuzuordnen ist. Es wurde keine Typ-I-, dafür aber eine Typ-III-Infektion und vereinzelte Hinweise auf Mischinfektionen und nicht-kanonische T. gondii Genotypen beobachtet. Erstmalig kann gezeigt werden, dass aus einer Rekombination zwischen den Typen II und III genetisch unterschiedliche T. gondii in einer natürlich infizierten Katze entstanden sind. Die identifizierten nicht-kanonischen T. gondii Klone weisen unterschiedliche, meist hohe Virulenz im Mausmodell auf. Eine geringe Anzahl von T. gondii-DNA Proben von humanen Toxoplasmose-Fällen deutet auf eine Infektion mit T. gondii des Typs II hin. Ich zeige mit dieser Studie, dass sexuelle Rekombination von T. gondii in Deutschland möglich ist, und diese zur Entstehung von hochvirulenten T. gondii führen kann. / Toxoplasma gondii is a protozoan parasite that can infect almost all warm-blooded animals, including birds and humans. The definitive host is the cat which excretes the highly infectious and environmental resistant oocyst stage. Equally important for the spread of T. gondii is the transmission of T. gondii by ingestion of contaminated food (prey) between host species. Sexual recombination is a rare event observed in T. gondii. This is one of the reasons why a clonal population structure of T. gondii is observed. In Europe and North America the majority of genotypes (types) of T. gondii are members of only three clonal types, designated type I, type II and type III. In South America and Asia, T. gondii is shown to have an increased genetic diversity with a high prevalence of atypical genotypes. However, even within those atypical genotypes, a clonal population structure can be observed. More importantly, mouse virulence of types I, II and III differ markedly. While infection with T. gondii type I is always lethal in mice, infections with 104–106 parasites of type II or type III are needed to have the same effect in mice. This study shows that the majority of cats in Germany excrete T. gondii oocysts of type II. We have not observed any type I T. gondii, but show that type III and, importantly, mixed type infection as well as non-canonical T. gondii are present in Germany. For the first time we demonstrate that a sexual cross between T. gondii type II and type III in a single, naturally infected cat occurred in Germany resulting in excretion of many genetically different non-canonical T. gondii. Most of the identified non-canonical T. gondii show a high virulence in mice. The RFLP-typing analysis of a limited number of T. gondii-DNA isolated from human samples revealed only alleles of T. gondii type II. I show that genetic recombination of different T. gondii types in Germany can lead to a higher genetic diversity and generation of highly mouse-virulent T. gondii.

Toxoplasma gondii ist wohl der am besten an den Menschen und Tieren angepasste Parasit der Welt und eine der Hauptursachen für Abtreibungen und opportunistsiche Infektionen. Das Verständnis der Stoffwechselflexibilität dieses Parasiten ist essentiel um seine Anpassungsfähigkeit nachzuvollziehen. Lipide sind Grundbestandteile der biologischen Membranen. Doch in den letzten Jahrzehnten sind neben der Biogenese der Membranen noch weitere Funktionen entdeckt worden. Hier berichten wir zum ersten Mal über Phosphatidylthreonin (PtdThr) als Hauptphospholipid von T. gondii und zeigen seine Beziehung mit seinem archetypischen Analogon, Phosphatidylserin (PtdSer). Wir identifizieren auch ein neues Parasitenenzym (TgPTS), welches von der regulären PtdSer-Synthase-Familie abgewichen ist und dieses sonst selten vorkommende Lipid synthetisiert. Die Gendeletion von TgPTS stoppte nicht nur die Synthese von PtdThr, sondern auch stark beeinträchtigt den lytischen Zyklus von T. gondii, insbesondere beim Aus- und Eintritt in die Wirtszellen, ohne dabei die Replikation des Parasiten zu verhindern. Unsere Arbeit zeigt, dass entweder ein niedriger Ca2+-Pool oder eine verminderte Ca2+-Mobilisierung aus dem endoplasmatischen Retikulum des Parasiten eine reduzierte Motilität verursachen, welche den beobachteten Phänotypen zugrunde liegt. Darüber hinaus fehlt es den mutierten Parasiten an PtdThr (Δtgpts), sie sind avirulent und üben vollständigen Schutz gegen akute und chronische Toxoplasmose in einem Mausmodell aus. Diese Ergebnisse verdeutlichen die Bedeutung der Parasitenlipide als therapeutisches Ziel und von genetisch abgeschwächten Stämmen für die Entwicklung von wirksamen Impfstoffen gegen Kokzidien. / Toxoplasma gondii is arguably the most succesful parasite in Earth and a major cause of abortion and opportunistic infections in humans and livestock. Understanding the metabolic flexibility of this parasite is essential to comprehend its adaptability. Lipids are basic components of biological membranes. However, in the last decades non-customary roles for lipids beyond membrane biogenesis have been recognized. Here we report for the first time phosphatidylthreonine (PtdThr) as a major phospholipid in T. gondii and show its relationship with its archetypical analog, phosphatidylserine (PtdSer). We also identify a novel parasite enzyme (TgPTS), which diverged from the mainstream PtdSer-synthase family to produce this otherwise rare lipid. Genetic ablation of TgPTS not only abolished PtdThr synthesis, but also impaired severely the lytic cycle of T. gondii, particularly the egress but also the invasion into host cells without affecting the parasite replication. Our work indicates that, either a lower Ca2+ pool and/or a diminished Ca2+ mobilization from the parasite endoplasmic reticulum cause a reduced gliding motility, which underlies the observed phenotypes. Moreover, the mutant parasites lacking PtdThr (Δtgpts) are avirulent and exert full protection against both, acute and chronic toxoplasmosis in a murine model. These results highlight the importance of parasite lipids as therapeutic targets and of genetically-attenuated strains in the development of effective vaccines against coccidian parasites.

Gingipaine sind Cysteinproteinasen des wohl in Ätiologie und Pathogenese der chronischen Erwachsenenparodontitis bedeutsamsten bakteriellen Erregers und zugleich die wichtigsten Virulenzfaktoren der Spezies Porphyromonas gingivalis. Die für diese extrazellulären Produkte kodierenden Gene sind rgpA, rgpB und kgp. Deren Produkte sind entsprechend HRgpA, RgpB und Kgp. HRgpA und RgpB verursachen eine Steigerung der Gefäßpermeabilität durch die Aktivierung des Kallikrein/Kinin-Systems und aktivieren die Blutgerinnung, welche potentiell mit der Synthese der Sulkusflüssigkeit und dem Fortschreiten der Entzündung bis hin zum Verlust des alveolären Knochens assoziiert sind. Offenbar wird dieses durch die Aktivierung von Matrixmetalloproteinasen begünstigt. Kgp ist von den dreien die potenteste fibrinogen-und fibrinabbauende Proteinase und bei der Blutungsneigung der erkrankten Stellen involviert. HRgpA aktiviert besonders Blutgerinnungsfaktoren. Gingipaine stören das Komplementsystem und manipulieren den Zytokinhaushalt der Entzündungskaskaden. Die Gingipaine unterstützen die Kolonisierung von P. gingivalis durch die Bindung zu anderen Bakterien des subgingivalen Biofilms und der Bindung zu epithelialen Zellen. Sie vermögen an Laminin, Fibrinogen, Fibronektin, Hämoglobin und an manchen Typen von Kollagen zu binden. Alle können den Rezeptor CD14 auf Makrophagen abbauen und so die Leukozytenaktivierung hemmen. Sie regulieren die Infektionsintensität, den Bakterienhaushalt, die Aminosäurenaufnahme aus Wirtsproteinen und die Fimbrienreifung. Die Genetik, die Chemie und die virulenzverursachenden Eigenschaften der Gingipaine stehen seit Mitte der 90iger Jahre des letzten Jahrhunderts im Blickpunkt des wissenschaftlichen Interesses. Aufgrund ihrer Schlüsselrolle bei der Pathogenese der Parodontitis und der mikrobiellen Infektion sind die Gingipaine Ziele für die mögliche Entwicklung von Hemmstoffen respektive für Immunisierungsstrategien gegen die chronische Parodontitis. / Gingipains are cysteine proteases of the probably most important bacterial pathogen of the adult periodontitis in the field of etiology as well as pathology. At the time, they are the most important virulence factors of the species Porphyromonas gingivalis. The encoding genes of this extracellular products are rgpA, rgpB and kgp. Their products are corresponding HRgpA, RgpB and Kgp. HRgpA and RgpB induce vascular permeability enhancement through activation of the kallikrein/kinin system and activate the blood coagulation, processes potentially associated with gingival crevicular fluid synthesis and progression of inflammation which ultimately can lead to alveolar bone loss. Obviously, this will be favoured by matrix metalloproteinases. Kgp is the most potent fibrinogen/fibrin degrading enzyme of the three gingipains involved in the bleeding tendency at the diseased sites. HRgpA especially activates coagulation factors. Gingipains disturb the complement system and manipulate the cytokine network of the inflammation cascades. Gingipains support colonizing of P. gingivalis due to their connection to other bacteria of the subgingival biofilm and to epithelial cells. They are able to bind to laminin, fibrinogen, fibronectin, hemoglobin and some types of collagen. All of them are able to degrade macrophage CD14 receptor, thus preventing activation of the leukocytes. They regulate the intensity of infection and the bacterial housekeeping, including amino acid uptake from host proteins and fimbriae maturation. Genetics, chemistry and the virulence inducing properties of gingipains are the focus of scientific attention since the middle of the nineties of the last century. Due to their key role in pathogenesis of periodontitis and microbial infection the gingipains are targets for the possible development of inhibitory substances, respectively for immunization strategies against chronic periodontitis.

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Gingipaine sind Cysteinproteinasen des wohl in Ätiologie und Pathogenese der chronischen Erwachsenenparodontitis bedeutsamsten bakteriellen Erregers und zugleich die wichtigsten Virulenzfaktoren der Spezies Porphyromonas gingivalis. Die für diese extrazellulären Produkte kodierenden Gene sind rgpA, rgpB und kgp. Deren Produkte sind entsprechend HRgpA, RgpB und Kgp. HRgpA und RgpB verursachen eine Steigerung der Gefäßpermeabilität durch die Aktivierung des Kallikrein/Kinin-Systems und aktivieren die Blutgerinnung, welche potentiell mit der Synthese der Sulkusflüssigkeit und dem Fortschreiten der Entzündung bis hin zum Verlust des alveolären Knochens assoziiert sind. Offenbar wird dieses durch die Aktivierung von Matrixmetalloproteinasen begünstigt. Kgp ist von den dreien die potenteste fibrinogen-und fibrinabbauende Proteinase und bei der Blutungsneigung der erkrankten Stellen involviert. HRgpA aktiviert besonders Blutgerinnungsfaktoren. Gingipaine stören das Komplementsystem und manipulieren den Zytokinhaushalt der Entzündungskaskaden. Die Gingipaine unterstützen die Kolonisierung von P. gingivalis durch die Bindung zu anderen Bakterien des subgingivalen Biofilms und der Bindung zu epithelialen Zellen. Sie vermögen an Laminin, Fibrinogen, Fibronektin, Hämoglobin und an manchen Typen von Kollagen zu binden. Alle können den Rezeptor CD14 auf Makrophagen abbauen und so die Leukozytenaktivierung hemmen. Sie regulieren die Infektionsintensität, den Bakterienhaushalt, die Aminosäurenaufnahme aus Wirtsproteinen und die Fimbrienreifung. Die Genetik, die Chemie und die virulenzverursachenden Eigenschaften der Gingipaine stehen seit Mitte der 90iger Jahre des letzten Jahrhunderts im Blickpunkt des wissenschaftlichen Interesses. Aufgrund ihrer Schlüsselrolle bei der Pathogenese der Parodontitis und der mikrobiellen Infektion sind die Gingipaine Ziele für die mögliche Entwicklung von Hemmstoffen respektive für Immunisierungsstrategien gegen die chronische Parodontitis.:Erklärungen I Genehmigungsvermerk II Inhaltsverzeichnis III 1. Einleitung und Fragestellung 4 1.1 Parodontitis 4 1.1.1 Epidemiologie 4 1.1.2 Klassifikation 4 1.1.3 Ätiologie und Pathogenese 5 1.1.4 Mikrobiologie 7 1.1.5 Biofilm 8 1.2 Porphyromonas gingivalis 10 1.3 Verwandtschaftsverhältnisse von P. gingivalis 12 1.4 Mit P. gingivalis assoziierte Proteinasen 15 1.5 Fragestellung 16 2. Material und Methoden 17 3. Ergebnisse und Diskussion 18 3.1 Einführung – Gingipaine als Enzyme von P. gingivalis 18 3.1.1 Definition der Gingipaine 18 3.1.2 RgpA- und RgpB-Gen-Gingipaine 19 3.1.3 Kgp-Gen-Gingipain 20 3.2 Bedeutung der Gingipaine für die Pathogenität von P. gingivalis 21 3.2.1 Gingipaine und fimbrienvermittelte Adhäsion, intrazelluläre Invasion und parazellulärer Pfad von P. gingivalis 21 3.2.2 Effekte auf die Integrität des Bindegewebes 24 3.2.3 Aktivierung des Kallikrein-Kinin-Systems 25 3.2.4 Aktivierende Einflüsse auf das Gerinnungssystem 27 3.2.5 Hemmende Einflüsse auf das Fibrinogen-Fibrin-System 28 3.2.6 Beeinträchtigung der Immunabwehr des Wirts 28 3.3 Gingipaine im biochemischen Regulationsmechanismus von P. gingivalis 35 3.3.1 Die Rolle des proteolytischen Systems von P. gingivalis beim Nährstofferwerb 35 3.3.2 Gingipainreifung und die Steuerung des intrazellulären Haushalts von P. gingivalis 39 3.3.3 Regulation der Proteinaseexpression von P. gingivalis 40 3.3.4 Gingipaine als bakterielle Hämagglutinine, Adhäsine und hämoglobinbindende Proteine 42 3.3.5 Proteinasegenmutationen bei P. gingivalis und ihre enzymatische Aktivität 42 3.4 Gingipaine und systemische Effekte 44 3.5 Synergismen mit anderen Spezies und quorum sensing 45 3.6 Hemmstoffe der Gingipaine 46 3.7 Immunisierung gegen Gingipaine 48 4. Zusammenfassung / Summary 52 5. Literaturverzeichnis 53 Anhang 87 Abbildungsverzeichnis 87 Tabellenverzeichnis 87 Danksagung 88 Lebenslauf 89 / Gingipains are cysteine proteases of the probably most important bacterial pathogen of the adult periodontitis in the field of etiology as well as pathology. At the time, they are the most important virulence factors of the species Porphyromonas gingivalis. The encoding genes of this extracellular products are rgpA, rgpB and kgp. Their products are corresponding HRgpA, RgpB and Kgp. HRgpA and RgpB induce vascular permeability enhancement through activation of the kallikrein/kinin system and activate the blood coagulation, processes potentially associated with gingival crevicular fluid synthesis and progression of inflammation which ultimately can lead to alveolar bone loss. Obviously, this will be favoured by matrix metalloproteinases. Kgp is the most potent fibrinogen/fibrin degrading enzyme of the three gingipains involved in the bleeding tendency at the diseased sites. HRgpA especially activates coagulation factors. Gingipains disturb the complement system and manipulate the cytokine network of the inflammation cascades. Gingipains support colonizing of P. gingivalis due to their connection to other bacteria of the subgingival biofilm and to epithelial cells. They are able to bind to laminin, fibrinogen, fibronectin, hemoglobin and some types of collagen. All of them are able to degrade macrophage CD14 receptor, thus preventing activation of the leukocytes. They regulate the intensity of infection and the bacterial housekeeping, including amino acid uptake from host proteins and fimbriae maturation. Genetics, chemistry and the virulence inducing properties of gingipains are the focus of scientific attention since the middle of the nineties of the last century. Due to their key role in pathogenesis of periodontitis and microbial infection the gingipains are targets for the possible development of inhibitory substances, respectively for immunization strategies against chronic periodontitis.:Erklärungen I Genehmigungsvermerk II Inhaltsverzeichnis III 1. Einleitung und Fragestellung 4 1.1 Parodontitis 4 1.1.1 Epidemiologie 4 1.1.2 Klassifikation 4 1.1.3 Ätiologie und Pathogenese 5 1.1.4 Mikrobiologie 7 1.1.5 Biofilm 8 1.2 Porphyromonas gingivalis 10 1.3 Verwandtschaftsverhältnisse von P. gingivalis 12 1.4 Mit P. gingivalis assoziierte Proteinasen 15 1.5 Fragestellung 16 2. Material und Methoden 17 3. Ergebnisse und Diskussion 18 3.1 Einführung – Gingipaine als Enzyme von P. gingivalis 18 3.1.1 Definition der Gingipaine 18 3.1.2 RgpA- und RgpB-Gen-Gingipaine 19 3.1.3 Kgp-Gen-Gingipain 20 3.2 Bedeutung der Gingipaine für die Pathogenität von P. gingivalis 21 3.2.1 Gingipaine und fimbrienvermittelte Adhäsion, intrazelluläre Invasion und parazellulärer Pfad von P. gingivalis 21 3.2.2 Effekte auf die Integrität des Bindegewebes 24 3.2.3 Aktivierung des Kallikrein-Kinin-Systems 25 3.2.4 Aktivierende Einflüsse auf das Gerinnungssystem 27 3.2.5 Hemmende Einflüsse auf das Fibrinogen-Fibrin-System 28 3.2.6 Beeinträchtigung der Immunabwehr des Wirts 28 3.3 Gingipaine im biochemischen Regulationsmechanismus von P. gingivalis 35 3.3.1 Die Rolle des proteolytischen Systems von P. gingivalis beim Nährstofferwerb 35 3.3.2 Gingipainreifung und die Steuerung des intrazellulären Haushalts von P. gingivalis 39 3.3.3 Regulation der Proteinaseexpression von P. gingivalis 40 3.3.4 Gingipaine als bakterielle Hämagglutinine, Adhäsine und hämoglobinbindende Proteine 42 3.3.5 Proteinasegenmutationen bei P. gingivalis und ihre enzymatische Aktivität 42 3.4 Gingipaine und systemische Effekte 44 3.5 Synergismen mit anderen Spezies und quorum sensing 45 3.6 Hemmstoffe der Gingipaine 46 3.7 Immunisierung gegen Gingipaine 48 4. Zusammenfassung / Summary 52 5. Literaturverzeichnis 53 Anhang 87 Abbildungsverzeichnis 87 Tabellenverzeichnis 87 Danksagung 88 Lebenslauf 89