Universiẗat, Diss., 2007--Giessen.

Univ., Diss., 2010--Würzburg.

Universiẗat, Diss., 2003--Stuttgart.

Posttranslational modifications (PTMs) play a crucial role in many cellular processes. They are reversible, dynamic, and highly regulated events that alter the properties of proteins and increase their functional diversity. The identification and quantification of PTMs are critical for deciphering the molecular mechanisms of PTMs-related biological processes and disease treatment and prevention. Two of the most common and important PTMs that regulate many protein functions are acetylation and phosphorylation. An important role of acetylation is the regulation of DNA/RNA-protein interactions. A prominent example for this are histones, whose tail regions are lysine-rich and can be highly acetylated at their N-terminal domain. In spite of the utmost importance of this PTM, methods that allow the accurate measuring the site-specific acetylation degree are missing. One of the challenges in quantifying the acetylation degree at an individual lysine residue of the histones N-termini is the occurrence of multiple lysines in close proximity. Herein, we describe the development of the ”Fragment Ion Patchwork Quantification,” a new mass spectrometry-based approach for the highly accurate quantification of sites-pecific acetylation degrees. This method combines 13C1-acetyl derivatization on the protein level, proteolysis by low-specificity proteases and quantification on the fragment ion level. Acetylation degrees are determined from the isotope patterns of acetylated b and y ions. We have shown that this approach allows determining the site-specific acetylation degrees of all lysine residues for all core histones of Trypanosoma brucei. In addition, we demonstrate the use of this approach to identify the substrate sites of histone acetyltransferases and to monitor the changes in acetylation of the histones of canonical nucleosome and transcription start site nucleosomes. Phosphorylation is one of the most common and most important PTMs. The analysis of the human genome showed that there are about 518 kinases and more than 500,000 phosphorylation sites are believed to exist in the cellular proteome. Protein phosphorylation plays a crucial role in signaling many different cell processes, such as intercellular communication, cell growth, differentiation of proliferation and apoptosis. Whereas MS-based identification and relative quantification of singly phosphorylated peptides have been greatly improved during the last decade, and large-scale analysis of thousands of phosphopeptides can now be performed on a routine-base, the analysis of multi-phosphorylated peptides is still lagging vastly behind. The low pKa value of phosphate group and the associated negative charge are considered the major source of the problems with the analysis of multi-phosphorylated peptides. These problems include the formation of phosphopeptide-metal complexes during liquid chromatography (e.g. Fe 3+), which leads to a drastic deterioration of the chromatographic properties of these peptides (peak tailing), the decreased ionization efficiencies of phosphorylated peptides compared to their unphosphorylated counterparts, the labile nature of phosphate during CID/HCD fragmentation, and the unsuitability of low-charged phosphopeptides for ETD fragmentation are the most important factors that hinder phosphorylation analysis by LC-MS/MS. Here we aimed to develop a method for improving the identification of multi-phosphorylated peptides as well as the localization of phosphorylation sites by charge-reversal derivatization of the phosphate groups. This method employs a carbodiimide-mediated phosphoramidation to converted the phosphates to stable aromatic phosphoramidates. This chemical modification of phosphosite(s) reversed the negative charge of the phosphate group(s) and increased the number of the positive charges within the phosphopeptide. This modification prevented the formation of phosphopeptide-metal ion complexes that dramatically decreases or completely diminishes the signal intensity of protonated phosphopeptides, specifically multi-phosphorylated peptides. Furthermore, the increased net charge the (phospho-)peptides made them suitable for ETD fragmentation, which generated a high number of fragment ions with high intensities that led to a better phosphopeptide identification and localization of phosphosite(s) with high confidence. / Posttranslationale Modifikationen (PTMs) spielen eine entscheidende Rolle in vielen zellulären Prozessen. Sie sind reversible, dynamische und hochregulierte Ereignisse, die die Proteineneigenschaften verändern und ihre funktionale Diversität erhöhen. Die Identifizierung und Quantifizierung von PTMs sind wesentlich für die Entschlüsselung der molekularen Mechanismen von PTM-regulierten biologischen Prozessen und für ein besseres Verständnis der Rolle posttranslationaler Modifikationen bei einer Vielzahl von Krankheiten. Zwei der bedeutendsten PTMs, welche die Funktion unzähliger Proteine regulieren sind die Acetylierung an Lysin-Resten und die Phosphorylierung an Serin-, Threonin- und Tyrosinresten. Im Rahmen dieser Arbeit wurden eine neue Methode zur Bestimmung des positionsspezifischen Acetylierungsgrades, sowie verbesserte Methoden für die Analyse der Phosphorylierung mittels Flüssigchromatographie-gekoppelter Tandem Massenspektrometrie entwickelt. Wir haben eine neue MS-basierte Methode (”Fragment Ion Patchwork Quantification”) entwickelt, welche es erlaubt die Acetylierungsgrade an individuellen Positionen mit hoher Genauigkeit zu messen. Diese Methode kombiniert die 13C1- Acetylderivatisierung von intakte Proteine, die Proteolyse durch Proteasen mit niedriger Spezifität, und die Quantifizierung auf dem MS2-Level. Die Acetylierungsgrade werden aus den Isotopenmustern von acetylierten b- und y-Ionen bestimmt. Obwohl unsere Methode zur Quantifizierung der positionsspezifischen Acetylierungsgrade auf jedes beliebige Protein angewandt werden kann, stand bei der Methodenentwicklung die Analyse der Histonacetylierung aufgrund ihrer herausragenden Bedeutung bei der Regulation der Genexpression im Vordergrund. Wir haben gezeigt, dass mit dieser Methode die Bestimmung der positionsspezifischen Acetylierungsgrade an allen Lysin Resten aller Core-Histone von Nukleosomhistone von Trypanosoma brucei möglich ist. Darüber hinaus haben wir diese Methode angewandt, um die Substrat-Positionen von Histon Acetyltransferasen zu identifizieren und um quantitative Veränderungen der Acetylierung an Histonen aus kanonischen Nukleosomen sowie Nukleosomen an Transkriptionsstartstellen zu analysieren. Phosphorylierung ist eine der häufigsten und wichtigsten posttranslational Proteinmodifikationen. Im Verlauf des Sequenzierung des humanen Genoms wurden 518 Gene für Proteinkinasen entdeckt und es wird angenommen, dass im zellulären Proteom mehr als 500 000 Phosphorylierungsstellen existieren. Die Proteinphosphorylierung spielet eine entscheidende Rolle in der Signalisierung vieler verschiedener Zellprozesse wie zum Beispiel der interzellulären Kommunikation, dem Zellwachstum, der Differenzierung der Proliferation und der Apoptose. Während bei der massenspektrometrie-basierte Identifizierung und relativen Quantifizierung von einfach phosphorylierten Peptiden in den letzten große Fortschritte erzielt wurden, und die Analyse tausender Phosphopeptide mittlerweile häufig routinemäßig durchgeführt werden kann, bereitet die massenspektrometrische Analyse merhfach phosphorylierter Peptide nach wie vor große Probleme. Der niedrige pKa-Wert der Phosphatgruppe, und die damit einhergehende negative Ladung ist die Hauptursache für die Probleme bei der Analyse merhfach phosphorylierter Peptide. Die mehrfache negative Ladung dieser Peptide führt zu einer ausgeprägten Neigung zur Komplexbildung mit mehrwertigen Metallionen (wie z.B. Fe3+), welche zu einer drmatischen Verschlechterung der chromatographischen Eigenschaften dieser Peptide führt (Peak Tailing), zu einer Verschlechterung der Ionisierungseffizienz, und zu einem ungewöhnlich niedrigen Protonierungsgrad im Positivionen-Modus, welcher diese Peptide für eine Fragmentierung mittels ETD ungeeignet macht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde mittels chemischer Modifikation der Phosphatgruppe versucht sowohl die Detektion von mehrfach-phosphorylierten Peptiden, als auch die Lokalisierung von Phosphorylierungsstellen zu verbessern. Hierfür wurden die Phosphatgruppen unter Verwendung des Aktivierungsreagenzes EDC in hydrolysestabile, aromatische Phosphoramidate überführt. Die durch diese Modifikation erzielte Ladungsumkehr führt wie erwartet zu einer verbesserten Signalintensität bei den entsprechend modifizierten Phosphopeptiden, sowie zu einem verbesserten Fragmentierungsverhalten bei ETD, und somit letztlich zu einer verbesserten Lokalisierbarkeit der Phosphatgruppe inerhalb des Peptids.

Escherichia coli ist ein Kommensale des menschlichen und tierischen Gastrointestinaltraktes. Einige E. coli-Stämme sind in der Lage, extraintestinale Erkrankungen beim Menschen wie Harnwegsinfekte, Neugeborenen-Meningitis und Sepsis, sowie beim Tier aviäre Coliseptikämien, hervorzurufen. Ein wichtiger Virulenzfaktor des Bakteriums ist dabei die aus α-2,8-verknüpften Sialinsäuremonomeren aufgebaute K1-Kapsel, die phasenvariabel mit einer hohen Frequenz O-acetyliert werden kann. Im Jahr 2005 konnte gezeigt werden, dass es sich bei dem für die O-Acetylierung verantwortlichen Enzym um die O-Acetyltransferase NeuO handelt, die von dem K1-spezifischen Prophagen CUS-3 codiert wird. Die Verteilung von neuO in der E. coli K1-Population sowie die funktionelle Relevanz der K1-Kapsel O-Acetylierung für das Bakterium waren zu Beginn der vorliegenden Arbeit weitestgehend unklar. Eine E. coli K1-Stammsammlung mit 183 Isolaten wurde aufgebaut. Die E. coli K1-Isolate stammten sowohl aus Stuhlproben gesunder Freiwilliger, humanen Harnwegsinfekten, humanen invasiven Erkrankungen (Neugeborenen-Meningitis und Bakteriämie) und aus an Coliseptikämie erkrankten Vögeln. Die Isolate der E. coli K1-Stammsammlung wurden mit der Multilokus-Sequenztypisierung (MLST) typisiert. Es konnten 39 Sequenztypen (ST) sowie fünf Sequenztyp-Komplexe (STC) identifiziert werden. Bei dem mit Abstand häufigsten STC handelte es sich um den STC95, dem 80 Stämme (44%) angehörten. Insgesamt 103 der 183 E. coli K1-Stämme waren neuO-positiv (56%). Das Gen wurde in 78 (98%) der STC95-Isolate, aber nur in 25 (24%) der 103 nicht-STC95-Stämme gefunden. NeuO war also mit dem STC95 assoziiert. Über Sequenzanalysen des CUS-3-Prophagen konnten CUS-3-Genotypen bestimmt werden. Die Gruppierung der CUS-3-Genotypen und der E. coli K1-ST sowie der anschließende Vergleich beider Gruppierungen miteinander offenbarte eine Segregation der Prophagen-Genotypen entsprechend der ST. Daher legen die in dieser Arbeit ermittelten Ergebnisse eine Koevolution des Phagen mit seinem Wirt nahe. Einige humane und aviäre E. coli K1-Isolate waren weder auf Basis der MLST bzw. der CUS-3-Genotypisierung noch anhand des Vorhandenseins verschiedener, mit extraintestinal-pathogenen E. coli-assoziierter Gene voneinander unterscheidbar, was die Hypothese einer zoonotischen Transmission dieser Stämme unterstützt. In den in dieser Arbeit durchgeführten funktionellen Analysen konnte weder ein Effekt der NeuO-vermittelten E. coli K1-Kapsel O-Acetylierung auf die Fähigkeit der Bakterien an humane mikrovaskuläre Gehirnendothelzellen zu adhärieren oder in diese zu invadieren, noch auf die in vivo-Virulenz der Bakterien im Hühnermodell beobachtet werden. Die K1-Kapsel O-Acetylierung verringerte die in vivo-Kolonisierung des Hühner-Gastrointestinaltraktes und die in vitro-Biofilmbildung durch das Bakterium, wohingegen sie die Austrocknungsresistenz von E. coli K1 erhöhte. Möglicherweise dient die phasenvariable neuO-Expression und damit die E. coli K1-Kapsel O-Acetylierung der Anpassung des Bakteriums an wechselnde Umweltbedingungen. / Escherichia coli is a commensal of the human and animal intestinal tract. Some strains have the ability to cause extraintestinal disease in humans such as urinary tract infections, neonatal meningitis and septicemia, but also animal infection such as avian colisepticemia. A major virulence factor of the bacterium is the K1 capsule composed of α-2,8-linked sialic acid monomers, which can be phase variably O-acetylated at a high frequency. In 2005, it was shown that the enzyme responsible for O-acetylation is the O-acetyltransferase NeuO, which is encoded by the K1-specific prophage CUS-3. The distribution of neuO as well as the functional relevance of the K1 capsule O-acetylation for the bacterium were largely unknown at the start of the thesis. A strain collection comprising 183 E. coli K1 strains was established. The E. coli K1 isolates derived from stool samples of healthy donors, human urinary tract infections, human invasive diseases like newborn meningitis and bacteremia, and from avian colisepticemia. All isolates were typed by multilocus sequence typing (MLST). Thirty-nine sequence types (ST) and five sequence type complexes (STC) were identified. The major share of the strains belonged to the STC95 (80 strains, 44%). 103 of 183 E. coli K1 strains were neuO-positive (56%). The gene was found in 78 (98%) STC95 isolates, but only in 25 (24%) of 103 non-STC95 isolates. Therefore, there was an association of neuO with the STC95. With the help of DNA sequencing of internal fragments of CUS-3, distinct CUS-3 genotypes were assigned. There was a segregation of CUS-3 genotypes according to STs, suggesting coevolution of the prophage CUS-3 and its host. Some human and avian isolates were indistinguishable with respect to MLST, CUS-3 genotyping and the presence of genetic markers associated with extraintestinal pathogenic E. coli, which was compatible with the hypothesis of zoonotic transmission of these strains. Functional analyses performed in this study neither revealed an impact of NeuO-mediated K1 capsule O-acetylation on the ability of the bacteria to adhere to or invade into human brain microvascular endothelial cells, nor on the in vivo virulence of the bacteria in a chicken infection model. K1 capsule O-acetylation decreased in vivo chicken gut colonization and in vitro biofilm formation, while increasing E. coli K1 desiccation resistance. This study provides evidence that phase variable neuO expression and the subsequent O-acetylation of the E. coli K1 capsule serves as an efficient tool for the adaptation to changing environments.

Thesis (Ph. D.)--Universität Göttingen, 2003. / Includes bibliographical references.

No description available.

Die essentielle Histon H3 Variante Cse4 ersetzt am Centromer das Standard Histon H3 und bildet zusammen mit Histon H4 funktionelle Cse4-H4 Tetramere aus. In dieser Studie konnte gezeigt werden, das Cse4 über seinen einzigartigen N-Terminus mit zwei Komponenten des Histon-Acetyltransferase-Komplexes SAS-I interagiert: der enzymatischen Untereinheit Sas2 und Sas4. Mutationen innerhalb des atypischen C2HC Zink-Fingers oder der HAT-Aktivierungsdomäne von Sas2 verhindern eine Bindung an Cse4, obwohl mit Hilfe von Co-Immunopräzipitationsexperimenten eine indirekte Interaktion nachgewiesen werden konnte. Weiterhin wurde gezeigt, dass Cse4 mit Cac1, der größten Untereinheit des Chromatin-Assemblierungsfaktors CAF-I und Asf1 interagiert - zwei Histon Chaperonen, die Histon H3 und H4 in Chromatin assemblieren. Unsere Ergebnisse lassen weiterhin auf eine separate Rolle von Cac1, unabhängig von den beiden anderen Untereinheiten schließen. Die Interaktion von Cse4 und Ctf19 wird durch eine Deletion von Sas2 verhindert. Ebenfalls kann die Temperatur-Sensitivität eines cse4-103 mutierten Hefestamms durch eine Sas2-Deletion partiell supprimiert. Somit kann man darauf schließen, dass Sas2 eine Funktion bei der Stabilisierung des Centromers aufweist. Die bisherigen Ergebnisse lassen die Frage aufkommen, ob Cse4 in der Zelle acetyliert ist und ob es möglicherweise als Histon H3 Variante ebenfalls ein Substrat von SAS-I darstellt. Wir konnten zeigen, dass Cse4 tatsächlich in einem acetylierten Status vorliegt, ob SAS-I jedoch für die Acetylierung verantwortlich ist bleibt nachzuweisen. / The essential histone H3 variant Cse4 plays a crucial role at the centromere in S. cerevisiae, where it replaces histone H3 in that it assembles centromere specific (Cse4-H4)2 tetrameres. We found in our study that the histone H3 variant was able to interact over its unique N-Terminus with two subunits of the histone acetyltransferase complex SAS-I: Sas2 and Sas4. Mutations within the acetyl-CoA binding site (HAT domain) or the zink-finger of Sas2 disrupted the binding to Cse4, although an indirect interaction was found with co-immunoprecipitation experiments. Additionally, the N-terminus of Cse4 interacted with Cac1, the largest subunit of the chromatin assembly factor CAF-I and Asf1 - two histone chaperones that assemble histones H3 and H4 into nucleosomes. Our findings further suggest a role of Cac1 independent of Cac2 and Cac3 as no binding to Cse4 could be detected. A role for Sas2 at the centromere was further confirmed in that a sas2 deletion (sas2 delta) disrupted the binding of Cse4 to Ctf19. Additionally, sas2 delta partially rescued the temperature sensitivity of a cse4-103 mutated strain at elevated temperatures, suggesting a role for Sas2 in improving centromere stability. An important question resulted from our studies: is Sas2 able to acetylate the histone H3 variant Cse4 ? We have circumstantial evidence that Cse4 was indeed acetylated in the cell, but whether Sas2 accounts for the acetylation remains to be determined.

No description available.

No description available.