Hepatitis B Virus (HBV) Infektionen verursachen entzündliche Erkrankungen der Leber. Insbesondere die frühen Phasen des HBV Lebenszyklus sind noch nicht geklärt, so ist z.B. der Rezeptorkomplex an den HBV bindet unbekannt. Mittlerweile stehen neue Infektionsmodelle zur Verfügung um den HBV Lebenszyklus zu untersuchen. Dies erfordert eine effiziente Zellkultur basierende Methode um große Mengen infektiöser Partikel zu generieren. Ein Ziel der Arbeit war durch Kultivierung auf Mikrocarrier die HBV Produktion der Zelllinie HepG2.2.15 zu steigern. Die Analyse von Protein und HBV Sekretion, Infektiösität und MAP Signalübertragung ergab eine 18x höhere HBV Produktion bei einer reduzierten Sekretion von subviralen Partikeln durch HepG2.2.15 die auf Mikrocarrier kultiviert wurden. Der Anstieg der Virusproduktion korreliert mit einer verstärkten Aktivierung der MAP Kinase ERK-2, die mit HBV Replikation in Verbindung steht. Ein weiterer wenig verstandener Teil des HBV Lebenszyklus ist der Kernimport des HBV Genoms. Spuren der viralen Polymerase finden sich im Zellkern von HBV infizierten Zellen. Ziel der Arbeit war, Motive in der HBV Polymerase zu finden, die in der Lage sind Zelllokalisation zu beeinflussen. Durch Sequenzvergleich wurde eine konservierte zweiseitige Kernlokalisationssequenz im Terminalen Protein der HBV Polymerase identifiziert, die eine Proteinkinase CKII Erkennungsstelle enthält. Inhibition der CKII Aktivität in HBV infizierten primären Hepatozyten sowie die Zerstörung der CKII Erkennungsstelle im Terminalen Protein inhibieren die HBV Replikation. Die Funktionalität der Kernlokalisationssequenz wurde durch Fusion an GFP bestätigt und war Abhängig von CKII Aktivität in der Zelle. Dies wurde in vitro durch Bindung des Adapterproteins Karyopherin-alpha an CKII-phosphoryliertes Terminales Protein bestätigt. Die HBV Polymerase enthält eine konservierte zweiseitige Kernlokalisationssequenz deren Funktionalität durch CKII Phosphorilierung vermittelt wird. / Hepatitis B virus (HBV) infection causes acute and chronic liver inflammation. Especially the early phase of the HBV life cycle is not clearly understood. For example the receptor complex that mediates viral entry is not known. Novel infection models to study the HBV lifecycle are described that demand for a large amount of cell culture generated infectious HBV particles. One aim was to enhance HBV production of the cell line HepG2.2.15 by cultivation on microcarrier substrate. Analysis of protein and viral particle secretion, infectivity, and cellular MAP kinase signaling revealed an up to 18x increased HBV production and a decreased subviral particle secretion by HepG2.2.15 when cultivated on microcarrier. The observed effect was due to an enhanced phospho-activation of MAP kinase ERK-2 that is tightly associated with HBV replication. Another poorly understood part of the HBV lifecycle is the mechanism that delivers the HBV genome into the nucleus. Traces of HBV polymerase can be found in HBV infected cells. The second objective was to identify motifs on the HBV polymerase that determine its subcellular localization. By sequence alignment a conserved bipartite nuclear localization signal was found in the terminal protein of the HBV polymerase encompassing a protein kinase CKII recognition site. Inhibition of CKII kinase in infected primary hepatocytes and destruction of the identified CKII recognition site in the viral polymerase impaired virus production. The functionality of the putative nuclear localization signal was confirmed by fusion to GFP. Moreover, its functionality was depended on CKII activity that was verified by in vitro binding experiments of terminal protein to the import adaptor karyopherin-alpha. This data identified a nuclear localization signal in the HBV polymerase, which functionality is mediated by CKII phosphorylation.

Eine Vielzahl strikt anaerober Organismen verwendet den reduktiven Acetyl-CoA-Weg zum autotrophen Wachstum mit Kohlenmonoxid als einziger Kohlenstoffquelle. Die Kohlenmonoxid-Dehydrogenase (CODH) ist das Schlüsselenzym dieses Stoffwechselweges und katalysiert die Oxidation von CO mit Raten von bis zu 31,000 s–1 und die Reduktion von CO2 mit bis zu 12 s–1 an einem [Ni4Fe4S-OHx]-Cluster (C-Cluster). Das Genom des thermophilen und hydrogenogenen Bakteriums Carboxydothermus hydrogenoformans enthält insgesamt fünf Gene, die für CODHs kodieren. Anhand der Genumgebung wurden dabei unterschiedliche Rollen für die einzelnen CODHs vorgeschlagen. Für ein besseres Verständnis der molekularen Prozesse in der Katalyse, wurden CODH-IICh und -VCh heterolog in Escherichia coli produziert und biochemisch und strukturell charakterisiert. / A variety of strict anaerobic organisms employ the reductive acetyl-CoA path for autotrophic growth, using carbon monoxide as sole carbon source. Carbon monoxide dehydrogenase (CODH) is the key enzyme of the path and catalyzes CO oxidation with rates of 31,000 s–1 and CO2 reduction with rates of 12 s–1 at a [Ni4Fe4S-OHx] cluster (cluster C). The genome of the thermophilic and hydrogenogenic bacterium Carboxydothermus hydrogenoformans contains five copies of genes coding for the catalytic subunit of a CODH. According to the gene environment, different physiological roles for the individual CODHs were proposed. To compare their respective structure and catalytic function, CODH-IICh and -VCh were heterologously produced in Escherichia coli and biochemically and structurally investigated.

Malaria wird durch den einzelligen Parasiten Plasmodium verursacht. Hierbei handelt es sich um einen obligat intrazellulären, eukaryotischen Erreger, der zum Phylum der Apicomplexa gehört. Apicomplexa zeichnen sich durch das einzigartige Vorhandensein eines ungewöhnlichen Plastids, genannt Apicoplast, aus. Die Exklusivität dieser Organelle und ihre metabolische Notwendigkeit für das Parasitenwachstum haben sie als attraktives pharmakologisches Ziel bestätigt. In dieser Arbeit wurden, unter Anwendung des Nagetier-Malariaerregers Plasmodium berghei, zwei verschiedene Aspekte von Apicoplast Proteinfunktionen untersucht. Zum Ersten wurde ein bislang unbeschriebenes Plasmodium Apicoplast Protein, Plasmodium-specific Apicoplast protein important for Liver Merozoite formation (PALM), charakterisiert. Drei voneinander unabhängige palm— Parasitenlinien, wurden durch zielgerichtete Gendeletion generiert. Die PALM Knockout-Mutanten entwickelten sich während eines Großteils des Lebenszyklus normal, jedoch war die Abgabe von Merozoiten in den Blutstrom und die Fähigkeit eine Blutstadien-Infektion zu etablieren signifikant beeinträchtigt. Experimentelle Immunisierung von Mäusen mit palm— Sporozoiten bewirkte einen starken und langanhaltenden Schutz gegen Reinfektion mit Malaria. Diese Ergebnisse lassen darauf schließen, dass Parasiten mit einem Arrest in den finalen Schritten der Bildung von Leberstadien-Merozoiten einen Vorteil gegenüber genetisch attenuierten Parasiten der ersten Generation haben, die in der frühen Leberstadienentwicklung arretiert sind. Zum Zweiten wurden die sechs Nucleus-kodierten Komponenten der [Fe-S] Cluster Biosynthese im Apicoplast systematisch durch experimentelle Genetik analysiert. Insgesamt zeigen meine Studien, dass bisher unbekannte Ziele im Plasmodium Apicoplast für Interventionsstrategien gegen Malaria geeignet sind. / Malaria is caused by Plasmodium, an obligate intracellular eukaryotic pathogen that belongs to the phylum Apicomplexa. Apicomplexan parasites harbor an unusual plastid organelle, termed apicoplast. Because this unique organelle is indispensable for parasite growth it is a validated and attractive drug target. Using the rodent malaria parasite Plasmodium berghei, two different aspects of apicoplast protein functions were analyzed in this study. Firstly, a previously uncharacterized Plasmodium apicoplast protein, Plasmodium-specific Apicoplast protein important for Liver Merozoite formation (PALM), was investigated. Three independent palm— knockout parasite lines were generated by targeted gene deletion. While the resulting knockout mutants developed normally for most of the life cycle, merozoite release into the blood stream and the ability to establish an infection was severely impaired. Experimental immunization of mice with palm— sporozoites elicited unprecedented potent and long-lasting protection against malaria re-infection. The results indicate that a tailor-made arrest in the final steps of hepatic merozoite formation could be an improvement over first-generation early liver-stage genetically arrested parasites (GAPs). Secondly, the six nuclear-encoded components of the apicoplast [Fe-S] cluster biosynthesis pathway were systematically targeted by experimental genetics. Together, my studies show that the Plasmodium apicoplast harbors previously unrecognized targets for anti-malaria intervention strategies.

Die Infektion mit Filarien (Nematoden) ruft massive Schädigungen beim Menschen hervor. Strategien zur Bekämpfung dieser Parasitose basieren auf einer Massenbehandlung mit Ivermectin und Derivaten. Allerdings ist die Behandlung der Patienten zeitaufwändig und teuer. In diesem Zusammenhang stellt Aufklärung molekularer Mechanismen, die die parasitische Lebensform dieser Würmer ermöglichen, einen neuen Ansatzpunkt für die Entwicklung von Therapeutika und Präventivmaßnahmen dar. Die Moleküle Cystatin und Chitinase wurden, auf Grund ihrer immunodulatorischen und katalytischen Eigenschaften, bei der Nager-Filarie Acanthocheilonema viteae als essentielle Proteine identifiziert. Ziel der vorliegenden Arbeit war daher die detaillierte, funktionale Charakterisierung dieser beiden Proteine. Um das räumliche Expressionsmuster und damit potentielle Funktionen des Sekretionsprotein Cystatins zu ermitteln, wurde der frei lebende Nematode Caenorhabditis elegans als heterologes Expressionssystem genutzt. Unter dem Einfluss des Cystatin-Promoters konnte GFP in pharyngealen und rektalen Zellen von C. elegans exprimiert werden. Möglicherweise ist das Cystatin damit bei A. viteae in den Häutungsprozess involviert, da bei C. elegans derartige Enzyme in den pharyngealen Zellen gespeichert werden. Des Weiteren wurde der Häutungsprozess der infektiösen L3 zum Stadium der L4 durch Ausschalten des Gens mittels RNAi um drei Tage verzögert. Allerdings war der Effekt transient und die Verzögerung des Häutungsprozesses beeinflusste weder die Viabilität noch die Infektiösität der Larven. Die Analyse der Regulation von Cystatin während der Entwicklung des Parasiten mittels der Real-Time PCR zeigte, dass das Gen im Stadium der Mikrofilarien, die der Immunantwort des Wirtes voll exponiert sind, maximal exprimiert wird. Für die Chitinase von A. viteae konnte eine essentielle Rolle im Häutungsprozess nachgewiesen werden. Das Ausschalten des Gens führte zu einer Hemmung der Häutung bei 90 % der L3 und damit zu ihrem Tod. Die maximale Expression im L3 Stadium des Parasiten ist ein weiterer Hinweis darauf, dass dieses Protein in den Häutungsprozess involviert ist. Mittels RNAi bei adulten Parasiten konnte die katalytische Rolle der Chitinase beim Abbau des Chitins im Ei bestätigt werden, da hier nur ungeschlüpfte Mikrofilarien ausgeschieden wurden. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern weitere Hinweise darauf, dass sowohl das Cystatin als auch die Chitinase von A. viteae auf Grund ihrer essentiellen endogenen Funtionen attraktive Zielmoleküle in der Bekämpfung von Filariosen darstellen. / Nematodes which cause filariasis have detrimental effect on humans. Strategies to eliminate this disease are based on mass treatment with drugs like ivermectin. However, they have several drawbacks such as long duration required for treatment and tenuous financial supports. Understanding the molecular mechanisms of genes required for parasitism will help to develop novel therapeutic and preventive strategies. The aim of this study was a detailed functional characterization of cystatin and chitinase of Acanthocheilonema viteae, a rodent filarial nematode. To this end, C. elegans was used as a heterologous system to determine the spatial expression pattern of A. viteae cystatin and chitinase and thereby their possible functions. The promoter of cystatin drove the expression of reporter, GFP, to the pharyngeal and rectal gland cells of transgenic C. elegans lines, this being compatible with the fact that cystatin is secreted in the parasites. This also suggests that cystatin in A. viteae is probably required for moulting since generally in C. elegans the enzymes required for moulting are stored in the pharyngeal gland cells. Moreover, knockdown of cystatin by RNAi delayed moulting of the infective L3 to the L4. However, the RNAi effect was transient and the delay in moulting did not affect the viability and infectivity of the larvae. Analyses of the developmental regulation of cystatin by real-time PCR showed that it is maximally expressed in the blood microfilarial stage, which are exposed to the full force of host immune responses. This is compatible to the fact that A. viteae cystatin immunomodulates the host immune responses. This study also determined that chitinase of A. viteae plays an essential role in the moulting of the L3 larvae since knockdown of chitinase inhibited moulting in 90% of the L3 larvae thereby killing them. Moreover, maximum expression of chitinase was observed by real-time PCR in the L3 stage supplementing that it is involved in moulting. RNAi of chitinase in adults led to the release of unhatched microfilariae confirming the essential catalytic role of chitinase in the degradation of the chitin egg shells. This study substantiates that cystatin and chitinase of A. viteae are attractive intervention targets due to their essential endogenous functions in the parasite.

Die Entwicklung eines effektiven HIV-Impfstoffes ist bis heute nicht gelungen.Konventionelle Immunisierungsstrategien mit rekombinant hergestellten Hüllproteinen des Virus in verschiedensten Formen induzierten keine subtypenübergreifende, protektive Immunantwort gegen HIV. Die Gewinnung und Charakterisierung der gp41-spezifischen breit neutralisierenden monoklonalen Antikörper 2F5 und 4E10 bildete die Grundlage einer Reihe neuer epitopgerichteter Ansätze für die HIV-Impfstoffentwicklung. Bisherige Immunisierungsstudien basierten auf der Verwendung des linearen Hauptepitopes (E2) der beiden Antikörper aus dem C-terminalen Teil der Ektodomäne von gp41. Nach neueren Erkenntnissen, reicht für eine effektive Neutralisation durch 2F5 oder 4E10 die Bindung dieser Antikörper an ihr lineares Epitop in der membran proximalen externen Region (MPER) von gp41 allein nicht aus. Vielmehr wurde die Beteiligung einer N-terminalen Domäne (E1) von gp41 an der neutralisationsaktiven Bindung von 2F5 bzw. 4E10 postuliert. In dieser Arbeit wurden die beiden 2F5 und 4E10 spezifischen Epitopbereiche E1 und E2 des gp41 erstmals in das strukturell verwandte transmembrane Hüllprotein des Koala Retrovirus (KoRV) eingebracht. Die Applikation der hergestellten Antigene erfolgte sowohl in Form der codierenden DNA mittels ballistischer Immunisierung (GeneGun®) als auch durch bakteriell exprimierte Proteine. Mit beiden Strategien konnten für drei Hybridproteine in den ersten Studien eine HIV-1 gp41 spezifische, breit neutralisierende humorale Immunantwort induziert werden. Diese Ergebnisse konnten jedoch in späteren Studien nicht reproduziert werden. Die Analyse der induzierten Immunantworten zeigte eine Verlagerung der Hauptimmunantwort als deren Ursache eine bakterielle Fremdinfektion der Versuchtiere diskutiert wurde. Zur Evaluierung der Immunisierungsstudien wurde ein neuartiger real time PCR basierter in vitro Neutralisationstest um Kontrollen zur Virusspezifität und Cytotoxizität erweitert. / The development of an effective HIV vaccine is considered the to play a key role in controlling the HIV pandemic. Conventional immunisation strategies using recombinant envelope proteins of the virus did not lead to the induction of a broad range protective immunity. A new target sequence for the induction of a broadly neutralising humoral immune response has been discovered through the characterization of the gp41 specific broadly neutralising monoclonal antibodies 2F5 and 4E10. Until now all attempts to induce 2F5/4E10 like neutralising antibodies failed. So far only the linear main epitope (E2) of 2F5 and 4E10, located in the C-terminal part of the gp41 ectodomain was used as the target sequence. However, it was recently shown that an N-terminal domain (E1) of gp41 increases the avidity of 2F5 to its epitope. The E1 domain may therefore be involved in the mediation of a neutralisation active binding. For the first time immunisation strategies have been developed that target both previously identified domains (E1 and E2) of gp41. The sequences corresponding to E1 and E2 have been introduced at homologous positions in the structurally related transmembrane envelope protein p15E of the Koala Retrovirus (KoRV). These generated hybrid antigens have been used for immunisation of wistar rats. They were applied as recombinant proteins expressed in E.coli and as DNA using a ballistic immunisation (GeneGun®) approach. Although in first trials neutralising antibodies specific for gp41 of HIV-1 were induced, these results could not be reproduced. Analysis of the induced antibodies showed a shift of their binding specifity. A bacterial infection of the used animals was identified as the cause of the unexpected shift in the antigen specific humoral immune response. For evaluation of the immunisation studies a new neutralisation assay based on the measurement of provirus integration by duplex real time PCR has been extended for controls of virus specifity and cytotoxicity.

Das Ergebnis einer T-Zellmediierten Immunantwort ist von der Signalvermittlung durch kostimulatorische Moleküle abhängig. Diese kostimulatorischen Moleküle sind - neben dem spezifischen Antigen - notwendig für eine vollständige T-Zellaktivierung, die es der T-Zelle erlaubt zu proliferieren, neue Oberflächenantigene zu exprimieren und Zytokine zu sezernieren. Ohne das kostimulatorische Signal wird die T-Zelle anerg oder sogar apoptotisch, eine effektive Immunantwort ist dann nicht möglich. Die vorliegende Dissertationsschrift enthält die initiale Beschreibung eines neuen kostimulatorischen Moleküls, eine umfangreiche Charakterisierung seiner Expression in vitro, sowie seiner Funktion. Das Molekül "ICOS" (ICOS steht für inducible costimulator) ist ein T-Zellspezifisches Molekül und weist eine große Homologie zu dem Prototyp eines kostimulatorischen Moleküls, dem CD28 Molekül auf. Die Experimente, die zur Charakterisierung der Induktionsbedingungen des ICOS Moleküls durchgeführt wurden, zeigen, daß die Expression des ICOS Moleküls sehr schnell nach T-Zellaktivierung induziert wird, die Expressionsstärke innerhalb von Stunden stark heraufreguliert wird und die Expression lange (mindestens 96h) auf der T-Zelloberfläche zu detektieren ist. Ein Vergleich mit anderen aktivierungsabhängigen T-Zelloberflächenmolekülen zeigt eine ICOS-spezifische Zeitkinetik der Expression, die durch verschiedene T-Zellstimuli zu induzieren ist. Eine optimale Expression des Moleküls ist zwei-signalabhängig und durch Cyclosporin A blockierbar. Bezüglich der Funktion von ICOS wurde die Wirkung der Kostimulation via ICOS auf eine Reihe von kritischen Parametern der T-Zellaktivierung analysiert. Durch die Kostimulation mit einem ICOS-spezifischen Antikörper wird konzentrationsabhängig die T-Zellproliferation induziert, unabhängig davon, ob das ersten Signal via CD3 oder via einen löslichen Stimulus, wie PHA erfolgte. Die ICOS Kostimulation bewirkt die Hochregulation von typischen T-Zellaktivierungsantigenen und sie induziert oder verstärkt die Sekretion zahlreicher Lymphokine. Die verstärkende Wirkung auf alle diese Parameter der T-Zellaktivierung führt schließlich dazu, daß die über ICOS kostimulierten Zellen in der Lage sind T-Zellhilfe für B-Zellen zu leisten, so daß diese Immunglobuline sezernieren. Wurde versucht, die direkte Interaktion des ICOS Moleküls mit seinem potentiellen Liganden bei der T-Zellinduzierten Immunglobulinsekretion durch den mAk F44 zu blockieren, so zeigte sich kein Effekt. Bei Langzeitkostimulation via ICOS zeigte sich allerdings, daß die Kostimulation durch das ICOS Molekül auch in der Lage ist, die T-Zellaktivierung negativ zu beeinflussen: Die Langzeitstimulation via ICOS erzeugt eine deutliche Proliferationsdepression und einen Viabilitätsverlust der T-Zellen. Insgesamt lassen diese Ergebnisse den vorsichtigen Schluß zu, daß das ICOS Molekül eine wichtige Rolle an der Schnittstelle zwischen Expansion und Effektorfunktion einerseits und Depression der T-Zellen andererseits spielt. / The outcome of T-cell resonses after T-cell encounter with specific antigens is modulated by co-stimulatory signals, which are required for both lymphocyte activation and development of adaptive immunity. Here I report the initial characterization of a novel co-stimulatory molecule which enhances all basic T-cell functions and displays a unique induction and expression pattern. ICOS (for inducible co-stimulator) is a T-cellspecific activation antigen with high homology to CD28, the prototype of a co-stimulatory molecule. Analysis of induction requirements for ICOS expression revealed a two-signal dependency and cyclosporine A sensitivity. ICOS' expression kinetics are unique when compared with other early T-cell activation antigens. ICOS is induced very quickly on the T-cell surface and is rapidly upregulated following T-cell activation. The surface expression of ICOS is surprisingly prolonged - lasting at least 96 hours - considering its rapid induction kinetics. Stimulation via an ICOS-specific monoclonal antibody enhances all basic T-cell functions such as proliferation, upregulation of molecules that medicate cell-cell interaction, secretion of lymphokines and effective help for antibody secreting B-cells. Costimulation via ICOS is effective regardless of the route of action of the first signal (immobilized or soluble). Blockade of the ICOS interaction with its presumed ligand on B-cells does not inhibit immunoglobulin production by these B-cells, though. Finally long-term stimulation experiments reveal a possible negative role for ICOS in regulating T-cell responses. These results indicate that ICOS is a major regulator of the adaptive immune system determining the healthy balance of negative and positive signaling during T-cell activation and differentiation.

Das Überleben und die Vermehrung der parasitär lebenden Apicomplexa setzen eine effiziente Synthese von Phospholipiden während ihres gesamten Lebenszyklus voraus. In dieser Arbeit nutzten wir zunächst Eimeria falciformis um den Prozess der Lipid-Biogenese in Sporozoiten zu untersuchen. Durch Lipidomics-Analysen wurde das Auftreten von zwei exklusiven Lipiden, Phosphatidylthreonin (PtdThr) und Inositolphosphorylceramid. Der Parasit exprimiert fast das gesamte Lipid-Biogenese- Netzwerk aus eukaryotischen und prokaryotischen Enzymen. Toxoplasma gondii diente als genmanipulierbarer Ersatz für die Untersuchung der Eimeria-Enzyme, mit dem wir ein stark räumlich segmentiertes Netzwerk der Lipidsynthese im Apicoplast, ER, Golgi und Mitochondrium zeigen konnten. Ebenso legte die Komplementierung einer T. gondii-Mutante mit einer PtdThr-Synthase von E. falciformis eine konvergente Funktion von PtdThr für den lytischen Zyklus von Kokzidien-Parasiten nahe. Außerdem setzten wir T. gondii als etablierten Modelorganismus ein, um die De- novo-Synthese und die metabolische Rolle eines bedeutenden Lipidvorläufers, CDP- Diacylglycerin (CDP-DAG), zu untersuchen. Wir konnten zwei phylogenetisch divergente CDP-DAG-Synthase (CDS) Enzyme in T. gondii nachweisen. Das eukaryotisch-typische TgCDS1 und das prokaryotisch-typische TgCDS2 lokalisieren im ER bzw. im Apicoplast. Der konditionierte Knockdown von TgCDS1 bremst das Parasitenwachstum stark ab, was den fast vollständigen Verlust der Virulenz im Mausmodell hervorruft. Das restliche marginale Wachstum der TgCDS1 Mutante wird durch zusätzliche Deletion der TgCDS2 verhindert. Lipidomics-Analysen zeigten eine signifikante und spezifische Abnahme der Phosphatidylinositol (PtdIns)- und Phosphatidylglycerol (PtdGro)-Level bei Verlust der TgCDS1- bzw. TgCDS2-Gene. Zusammengenommen zeigt unsere Arbeit ein Phospholipid-Biogenese-Modell mit erstaunlicher Kooperation verschiedener Organellen und einem extensiven Lipidtransport im Parasiten. / The survival and proliferation of apicomplexan parasites oblige efficient synthesis of phospholipids throughout their life cycles. Here, we first deployed Eimeria falciformis to investigate the process of lipid biogenesis in sporozoites. Lipidomics analyses demonstrate the occurrence of two exclusive lipids phosphatidylthreonine (PtdThr) and inositol phosphorylceramide along with other prototypical lipids. The parasite expresses nearly the entire lipid biogenesis network, which is an evolutionary mosaic of eukaryotic- and prokaryotic-type enzymes. Using Toxoplasma gondii as a gene- tractable surrogate to examine the Eimeria enzymes, we show a highly compartmentalized network of lipid synthesis distributed primarily in the apicoplast, ER, Golgi and mitochondrion. Likewise, trans-species complementation of a T. gondii mutant with a PtdThr synthase from E. falciformis suggests a convergent function of PtdThr in promoting the lytic cycle in coccidian parasites. We also employed the well-established model parasite T. gondii to explore de novo synthesis and metabolic roles of one major lipid precursor CDP-diacylglycerol (CDP- DAG). We report the occurrence of two phylogenetically divergent CDP-DAG synthase (CDS) enzymes in T. gondii. Eukaryotic-type TgCDS1 and prokaryotic-type TgCDS2 reside in the ER and apicoplast, respectively. Conditional knockdown of TgCDS1 severely attenuates parasite growth, which translates into a nearly complete loss of virulence in a mouse model. Residual growth of the TgCDS1 mutant is abolished by subsequent deletion of TgCDS2. Lipidomics analyses reveal significant and specific decline in phosphatidylinositol (PtdIns) and phosphatidylglycerol (PtdGro) upon loss of TgCDS1 and TgCDS2, respectively. Taken together, our work establishes a phospholipid biogenesis model involving significant inter-organelle cooperation and lipid trafficking in apicomplexan parasites.

Streptococcus pyogenes ist ein humanpathogenes Bakterium, welches verschiedene Gewebe besiedeln kann und dadurch unterschiedliche Krankheiten verursacht. Die enorme Anpassungsfähigkeit des Bakteriums beruht auf dessen Fähigkeit, verschiedene, vom Wirt induzierte Stresskonditionen zu ertragen. Genetische Faktoren, die in diesem Zusammenhang eine Rolle spielen, sind Toxin-Antitoxin (TA) Systeme. Typ II TA Systeme kodieren für zwei Proteine, ein Toxin und ein Antitoxin, die einen stabilen TA Komplex bilden. Verschlechtern sich die Wachstumsbedingungen, kann das Antitoxin proteolytisch abgebaut werden, wodurch das freigesetzte Toxin essentielle zelluläre Prozesse des Bakteriums inhibiert. In dieser Studie charakterisierte ich zwei chromosomal kodierte ParDE TA Systeme des pathogenen Bakteriums S. pyogenes. Ähnlich zu anderen Systemen werden das Toxin und das Antitoxin beider hier charakterisierten Systeme co-transkribiert und durch Stresseinwirkung (z.B. Aminosäure-mangel) induziert. Zudem konnten weitere posttranskriptionelle bzw. posttranslationale Mechanismen zur Regulierung der Genexpression beider Systeme nachgewiesen werden. Die extrachromosomale Expression der Toxine ParE1 und ParE2 führten in S. pyogenes und Escherichia coli zum Zelltod, wobei die Co-expression der entsprechenden Antitoxine ParD1 und ParD2 die Toxizität minderte. Allerdings verursachte die Überexpression der Antitoxine allein ebenfalls eine Inhibierung des Zellwachstums. ParD1 hemmte die Zellteilung in E. coli, wobei der N-Terminus des Proteins entscheidend für diesen Effekt zu sein schien. Zusammengefasst erweitern die Ergebnisse dieser Arbeit unser Verständnis von ParE Toxinen und verdeutlichen die diversen Mechanismen, welcher sich TA Systeme bedienen, um die bakterielle Physiologie zu beeinflussen. Zusätzlich gibt diese Arbeit einen Einblick in mögliche Mechanismen, die S. pyogenes implementiert, um Stresskonditionen im Wirt zu überdauern. / Streptococcus pyogenes is a human pathogen with a remarkable ability to colonize different tissues and to endure diverse host-induced stress conditions through mechanisms that have yet to be fully understood. One strategy employed by bacteria to cope with changing environments are toxin-antitoxin (TA) genetic modules. Under non-ideal conditions, the antitoxin is subject to proteolysis and thus the freed toxin protein can target crucial pathways in the cell modulating bacterial growth. This study, describes the characterization of two chromosomally encoded ParDE-like TA systems from the human pathogen S. pyogenes. The antitoxin-toxin genes of the parDEF1 and parDE2 TA systems are co-transcribed and triggered by stress-induced conditions. The parDE2 TA showed an inspected mRNA processing under amino acid starvation which suggest a putative post-transcriptional regulation. At the post-translational level, both systems are controlled by ClpXP antitoxin-protein degradation in vivo, an important factor for TA triggering. Furthermore, bacterial plasmid-based expression of the toxins ParE1 and ParE2 resulted in effects in cell viability while the antitoxin molecules ParD1 and ParD2 were able to prevent the toxins lethality, respectably. Unlike canonical antitoxins, both ParD1 and ParD2 molecules also displayed deleterious effects, which seemed to be exclusive and related with the N-terminus domain potentially involved in DNA-interaction. Finally, the ParE toxins presented remarkable plasticity, able to harm not only gyrase but also topoisomerase IV, two important bacterial drug targets that modulate DNA-topology. These results expand the view on the ParE molecular targets and highlight the diverse mechanisms TAs employ to modulate bacterial physiology. We also provide more insights into possible mechanisms that S. pyogenes employs to endure stress in the host and efficiently cause disease.

Etliche Membran Transport Proteine (MTP) sind essentiell in den Plasmodium Blutstadien, und geraten zunehmend in den Fokus der Wirkstoffentwicklung. Die physiologischen Rollen der Transporter sind jedoch oft ungeklärt. In dieser Arbeit wurden mittels experimenteller Genetik funktionelle Charakteristika der MTPs untersucht. Am Maus Parasiten Plasmodium berghei und der Plasmodium falciparum Blutstadien-Kultur wurden vier MTPs ausgewählt: ein konservierter Folat Transporter (FT2), sowie eine P. falciparum-spezifisches P-Typ ATPase und zwei essentielle MTPs (CRT und ATP4). Diese Auswahl verkörpert ein breites Spektrum an MTP Kandidaten und reflektieren zudem das Potenzial und die Grenzen funktioneller Analysen von Plasmodium MTPs mittels reverser Genetik. Für den Folat Transporter 2 (FT2) wurde eine Kombination von transgenen Strategien auf P. berghei angewandt. Durch ein endogenes tag von FT2 wurde die Lokalisierung im Apicoplast, sowie dessen Expression über fast den kompletten Zyklus hinweg gezeigt. Nach der Deletion von FT2, wiesen die Parasiten einen Defekt während der Sporulation auf. Demzufolge bilden sich nur nicht infektiöse Sporozoiten, was letztendlich zur Unterbrechung des Lebenszyklus der Parasiten führt. Eine Aminophospholipid P-Typ ATPase, wurde mittels CRISPR/Cas9 in P. falciparum genetisch deletiert und die Mutante analysiert. Im Gegensatz zu den meisten vitalen P-Typ ATPasen erweist sich das Gen in den asexuellen Blutstadien als entbehrlich. Des Weiteren bilden die MTPs ATP4 und CRT einen einflussreichen Faktor bei Malaria-Therapien. Eine umfassende Analyse von räumlichen und zeitlichen Expressionsmustern von transgenen Parasiten mit mCherry-getaggten Proteinen zeigt ein Expression der beiden MTPs über die Blutstadien hinaus, was auf zusätzliche Funktionen in den jeweiligen Stadien verweist. Diese Studie trägt, basierend auf Lokalisation, Expression und funktioneller Deletion, zur funktionellen Entschlüsselung der vier untersuchten MTPs bei. / Many membrane transport proteins (MTP) are essential for Plasmodium infection and gain importance as candidate drug targets in malaria therapy, whereas the physiological functions often remain enigmatic. In this thesis, we applied experimental genetics to determine key characteristics of four Plasmodium MTPs. We employed the murine malaria model parasite Plasmodium berghei and in vitro blood cultures of Plasmodium falciparum. We selected one conserved MTP called FT2, which was previously shown to transport folate, a P-type ATPase that is specific for P. falciparum as well as two essential MTPs, CRT and ATP4. These targets exemplify the range of druggable candidates and illustrate the potential and limitations of reverse genetics to decipher their physiological roles. A combination of transgenic and knockout strategies was applied to the P. berghei folate transporter 2 (FT2). We show that endogenously tagged FT2 localises to the apicoplast membranes, and is broadly expressed throughout the parasite’s life cycle. Analysis of FT2-deficient parasites revealed a severe sporulation defect in the vector; the vast majority of ft2– oocysts form large intracellular vesicles which displace the cytoplasm. Very few sporozoites are generated and these are non-infectious to the mammalian host, resulting in a complete arrest of Plasmodium transmission. A candidate aminophospholipid P-type ATPase, was assessed by a CRISPR/Cas9-mediated gene disruption. Compared to many vital P-type ATPases this gene is dispensable for asexual blood replication. Two MTPs, ATP4 and CRT are prime targets for antimalarial therapies. A comprehensive spatio-temporal expression analysis of transgenic parasites expressing mCherry-tagged proteins revealed expression beyond blood infection, indicative of functions in additional parasite stages. The findings of this study contribute towards a better understanding of the roles of the four MTPs based on localisation, expression and functional deletion.

Infektionen mit H. pylori führen zu Veränderungen im Aufbau und der zellulären Zusammensetzung des Magenepithels. Aktuelle Studien haben gezeigt, dass Stromazellen, die sich in unmittelbarer Nähe der epithelialen Stammzelle befinden, die funktionelle Nische für dieses Kompartiment bilden und wichtige Faktoren für die Regulierung des Stammzellumsatzes und Differenzierung darstellen. Daher konzentriere ich mich bei dieser Arbeit auf die Rolle der Myh11+ Myofibroblasten, die sich sowohl unter als auch zwischen den Epitheldrüsenzellen befinden. Ich fand heraus, dass die Myofibroblasten in der Homöostase einen BMP-Gradienten entlang der Drüsenachse mit erhöhter Expression von Bmp2 im oberen Teil erzeugen, während die Drüsenbasis von Zellen umgeben ist, die Bmp-Inhibitoren produzieren. Basierend auf der Funktionsanalyse mit 3D-Organoidmodellen ist der Bmp-Signalweg ein zentraler Faktor für die rasche Differenzierung von Stammzellen in faveoläre mukusproduzierende Zellen. Darüber hinaus wurde ein auto-parakriner Signalweg gefunden, der zur Bildung von Bmp2 in Epithelzellen führt. Meine Untersuchungen Daten zeigten eine Verringerung des BMP-Signalwegs in H. pylori-infizierten Myofibroblasten. Darüber hinaus führte eine Infektion mit H. pylori nicht nur zum Verlust der stromalen, sondern auch der epithelialen Bmp2-Expression. Diese Beobachtung ging mit einer Zunahme von IFNγ einher, was auf eine Verbindung zwischen beiden Signalwegen hinwies. Tatsächlich zeigten anschließende Experimente mit Organoiden, dass IFNγ den Bmp-Signalweg hemmt und dadurch die terminale Differenzierung blockiert. Zusammenfassend zeigen meine Untersuchungen, dass das Schicksal einer Zelle, die zur Oberfläche der Magendrüse wandert, eine Induktion des BMP-Signalwegs erfährt. Die Reduktion dieses Signals durch IFNγ deutet auf einen Mechanismus hin, der Veränderungen in der zellulären Differenzierung und die Entwicklung von prämalignen epithelialen Läsionen im Verlauf einer H. pylori-Infektion bewirkt. / Infection with Helicobacter pylori (H. pylori) leads to alterations of the topology and cellular composition of the gastric epithelium. Recent studies have shown that stromal cells located in close proximity to the epithelial stem cell are creating the niche for this compartment and provide crucial factors that regulate stem cell turnover and fate decisions. Therefore, this thesis focuses on of Myh11+ myofibroblasts that are located beneath and between the epithelial gland cells. I found that during homeostasis, the myofibroblasts generate a BMP gradient along the gland axis with strong expression of Bmp2 in the upper part, whereas the base is surrounded by cells producing BMP inhibitors. Based on functional analysis with 3D organoid models, the BMP gradient occurs to be a main factor responsible for rapid differentiation of stem cells into pit surface mucous cells. Moreover, experiments led me to identify an auto-paracrine feed-forward BMP2 loop in epithelial cells, which further stabilizes BMP signaling once it is activated and induces terminal differentiation. Data presented in this study demonstrated a reduction of BMP signaling in H. pylori-infected myofibroblasts. Furthermore, infection with H. pylori resulted in loss of not only stromal, but also epithelial Bmp2 expression. This observation was accompanied with increase of Interferon γ (IFNγ), which indicated a link between both pathways. Consistently, stimulation of organoids with IFNγ impairs BMP signaling and the BMP2 feed-forward loop, and thereby blocks terminal differentiation. Together, this study shows that the fate of a cell migrating into the surface of the gastric gland is determined by an induction of BMP signaling and stabilized by an auto-paracrine BMP signaling enhancement. Reduction of this signaling by IFNγ revealed a mechanism which contributes to altered cellular differentiation and development of premalignant epithelial alterations in the context of H. pylori infection.