The anaerobe Fusobacterium nucleatum (F. nucleatum) is an important member of the oral microbiome but can also colonize different tissues of the human body. In particular, its association with multiple human cancers has drawn much attention. This association has prompted growing interest into the interaction of F. nucleatum with cancer, with studies focusing primarily on the host cells. At the same time, F. nucleatum itself remains poorly understood, which includes its transcriptomic architecture but also gene regulation such as global stress responses that typically enable survival of bacteria in new environments. An important aspect of such regulatory networks is the post-transcriptional regulation, which is entirely unknown in F. nucleatum. This paucity extents to any knowledge on small regulatory RNAs (sRNAs), despite their important role as post-transcriptional regulators of the bacterial physiology. Investigating the above stated aspects is further complicated by the fact that F. nucleatum is phylogenetically distant from all other bacteria, displays very limited genetic tractability and lacks genetic tools for dissecting gene function. This leaves many open questions on basic gene regulation in F. nucleatum, such as if the bacterium combines transcriptional and post-transcriptional regulation in its adaptation to a changing environment. To begin answering this question, this works elucidated the transcriptomic landscape of F. nucleatum by performing differential RNA-seq (dRNA-seq). Conducted for five representative strains of all F. nucleatum subspecies and the closely related F. periodonticum, the analysis globally uncovered transcriptional start sites (TSS), 5'untranslated regions (UTRs) and improved the existing annotation. Importantly, the dRNA-seq analysis also identified a conserved suite of sRNAs specific to Fusobacterium. The development of five genetic tools enabled further investigations of gene functions in F. nucleatum. These include vectors that enable the expression of different fluorescent proteins, inducible gene expression and scarless gene deletion in addition to transcriptional and translational reporter systems. These tools enabled the dissection of a Sigma E response and uncovered several commonalities with its counterpart in the phylogenetically distant Proteobacteria. The similarities include the upregulation of genes involved in membrane homeostasis but also a Simga E-dependent regulatory sRNA. Surprisingly, oxygen was found to activated Sigma E in F. nucleatum contrasting the typical role of the factor in envelope stress. The non-coding Sigma E-dependent sRNA, named FoxI, was shown to repress the translation of several envelope proteins which represented yet another parallel to the envelope stress response in Proteobacteria. Overall, this work sheds light on the RNA landscape of the cancer-associated bacterium leading to the discovery of a conserved global stress response consisting of a coding and a non-coding arm. The development of new genetic tools not only aided the latter discovery but also provides the means for further dissecting the molecular and infection biology of this enigmatic bacterium. / Das anaerobe Bakterium Fusobacterium nucleatum (F. nucleatum) ist ein wichtiger Bestandteil des oralen Mikrobioms, kann aber auch verschiedene Gewebe des menschlichen Körpers besiedeln. Insbesondere seine Verbindung mit mehreren menschlichen Krebsarten hat viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Diese Assoziation hat zu einem wachsenden Interesse an der Interaktion von F. nucleatum} mit Krebs geführt, wobei sich die Untersuchungen in erster Linie auf die Wirtszellen konzentrieren. Gleichzeitig ist F. nucleatum selbst nach wie vor schlecht verstanden, einschließlich seiner transkriptomischen Architektur, als auch der Genregulation, wie z. B. globale Stressreaktionen, die typischerweise das Überleben von Bakterien in neuen Umgebungen ermöglichen. Ein wichtiger Aspekt solcher regulatorischer Netzwerke ist die post-transkriptionelle Regulation, die bei F. nucleatum völlig unbekannt ist. Diese Unkenntnis erstreckt sich auch auf das Wissen über kleine regulatorische RNAs, trotz ihrer wichtigen Rolle als post-transkriptionelle Regulatoren der bakteriellen Physiologie. Die Untersuchung der oben genannten Aspekte wird zusätzlich durch die Tatsache erschwert, dass F. nucleatum phylogenetisch von allen anderen Bakterien weit entfernt ist, eine sehr begrenzte genetische Traktabilität aufweist und keine genetischen Werkzeuge zur Untersuchung der Genfunktion vorliegen. Dies führt zu vielen offenen Fragen bezüglich grundlegendener Genregulation in F. nucleatum, z. B. ob das Bakterium transkriptionelle und post-transkriptionelle Regulation kombiniert, um sich an eine sich verändernde Umwelt anzupassen. Als erster Schritt zur Beantwortung dieser Frage wurde in dieser Arbeit die transkriptomische Landschaft von F. nucleatum durch differential RNA-seq (dRNA-seq) aufgeklärt. Anhand von fünf repräsentativen Stämmen aller Unterarten von F. nucleatum und dem eng verwandten F. periodonticum wurden durch die Analyse global transkriptionelle Startstellen (TSS) und 5'untranslatierte Regionen (5'UTRs) aufgedeckt als auch die bestehende Annotation verbessert. Weiterhin konnte die dRNA-seq-Analyse auch eine konservierte Anzahl von Fusobacterium-spezifischen sRNAs identifizieren. Die Entwicklung von fünf genetischen Werkzeugen ermöglichte weitere Untersuchungen der Genfunktionen in F. nucleatum. Dazu gehören Vektoren, welche die Expression verschiedener fluoreszierender Proteine ermöglichen als auch Systeme für die induzierbare Genexpression, narbenlose Gendeletion sowie transkriptionelle und translationale Reportersysteme. Mit diesen Werkzeugen konnte die Sigma E Antwort entschlüsselt werden, welche mehrere Gemeinsamkeiten mit ihrem Gegenstück in den phylogenetisch entfernten Proteobakterien aufweist. Zu diesen Gemeinsamkeiten gehört die Hochregulierung von Genen, die an der Membranhomöostase beteiligt sind, aber auch eine Sigma E-abhängige regulatorische sRNA. Überraschenderweise wurde festgestellt, dass Sauerstoff Sigma E in F. nucleatum aktiviert, was im Gegensatz zu der typischen Rolle des $\sigma$-Faktors bei Membranstress steht. Die nicht-kodierende sRNA mit dem Namen FoxI, die von Sigma E abhängt, unterdrückt nachweislich die Translation verschiedener Membranproteine, was eine weitere Parallele zur Membranstressreaktion in Proteobakterien darstellt. Insgesamt wirft diese Arbeit Licht auf die RNA-Landschaft des krebsassoziierten Bakteriums und führt zur Entdeckung einer konservierten globalen Stressantwort, die aus einem kodierenden und einem nicht-kodierenden Arm besteht. Die Entwicklung neuer genetischer Werkzeuge hat nicht nur zu dieser Entdeckung beigetragen, sondern bietet auch die Möglichkeit, die Molekular- und Infektionsbiologie dieses rätselhaften Bakteriums weiter zu entschlüsseln.

Neisseria gonorrhoeae, the causative agent of the sexually transmitted disease gonorrhea, has the potential to spread in the human host and cause a severe complication called disseminated gonococcal infection (DGI). The expression of the major outer membrane porin PorBIA is a characteristic of most gonococci associated with DGI. PorBIA binds to the scavenger receptor expressed on endothelial cells (SREC-I), which mediates the so-called low phosphate-dependent invasion (LPDI). This uptake mechanism enables N. gonorrhoeae to rapidly invade epithelial and endothelial cells in a phosphate-sensitive manner. We recently demonstrated that the neutral sphingomyelinase, which catalyses the hydrolysis of sphingomyelin to ceramide and phosphorylcholine, is required for the LPDI of gonococci in non-phagocytic cells. Neutral sphingomyelinase 2 (NSM2) plays a key role in the early PorBIA signaling by recruiting the PI3 kinase to caveolin. The following activation of the PI3 kinase-dependent downstream signaling leads to the engulfment of the bacteria. As a part of this work, I could confirm the involvement of the NSM2. The role of the enzyme was further elucidated by the generation of antibodies directed against NSM2 and the construction of an epithelium-based NSM2 knockout cell line using CRISPR/Cas9. The knockout of the NSM2 strongly inhibits the LPDI. The invasion could be, however, restored by the complementation of the knockout using an NSM2-GFP construct. However, the results could not be reproduced. In this work, I could show the involvement of further members of the sphingolipid pathway in the PorBIA-mediated invasion. Lipidome analysis revealed an increase of the bioactive molecules ceramide and sphingosine due to gonococcal infection. Both molecules do not only affect the host cell, but seem to influence the bacteria as well: while ceramide seems to be incorporated by the gonococci, sphingosine is toxic for the bacteria. Furthermore, the sphingosine kinase 2 (SPHK2) plays an important role in invasion, since the inhibition and knockdown of the enzyme revealed a negative effect on gonococcal invasion. To elucidate the role of the sphingosine kinases in invasion in more detail, an activity assay was established in this study. Additionally, the impact of the sphingosine-1-phosphate lyase (S1PL) on invasion was investigated. Inhibitor studies and infection experiments conducted with a CRISPR/Cas9 HeLa S1PL knockout cell line revealed a role of the enzyme not only in the PorBIA-mediated invasion, but also in the Opa50/HSPG-mediated gonococcal invasion. The signaling experiments allowed the categorization of the SPHK and S1PL activation in the context of infection. Like the NSM2, both enzymes play a role in the early PorBIA signaling events leading to the uptake of the bacteria. All those findings indicate an important role of sphingolipids in the invasion and survival of N. gonorrhoeae. In the last part of this work, the role of the NSM2 in the inhibition of apoptosis in neutrophils due to gonococcal infection was investigated. It could be demonstrated that the delayed onset of apoptosis is independent of neisserial porin and Opa proteins. Furthermore, the influence of neisserial peptidoglycan on PMN apoptosis was analysed using mutant strains, but no connection could be determined. Since the NSM2 is the most prominent sphingomyelinase in PMNs, fulfils manifold cell physiological functions and has already been connected to apoptosis, the impact of the enzyme on apoptosis inhibition due to gonococcal infection was investigated using inhibitors, with no positive results. / Neisseria gonorrhoeae, der Auslöser der sexuell übertragbaren Krankheit Gonorrhö, hat das Potenzial sich im menschlichen Wirt auszubreiten und eine schwere Komplikation, die disseminierende Gonokokkeninfektion (DGI), hervorzurufen. Die Expression des Porins PorBIA, das eines der häufigsten Proteine der äußeren Membran ist, stellt ein Charakteristikum der mit DGI assoziierten Gonokokken dar. PorBIA bindet an SREC-I (scavenger receptor expressed on endothelial cells), der die phosphatabhängige Invasion (low phosphate-dependent invasion LPDI) vermittelt. Dieser Aufnahmemechanismus erlaubt es N. gonorrhoeae Epithel- sowie Endothelzellen, schnell zu invadieren. Wir haben kürzlich gezeigt, dass die neutrale Sphingomyelinase 2 (NSM2), welche die Hydrolyse von Sphingomyelin zu Ceramid und Phosphorylcholin katalysiert, für die LPDI der Gonokokken in nicht-phagozytische Zellen benötigt wird. Dabei spielt die neutrale Sphingomyelinase 2 eine Schlüsselrolle in der frühen PorBIA Signalübertragung, indem sie die PI3 Kinase zu Caveolin rekrutiert. Die darauffolgende Aktivierung von nachgeschalteten Signalwegen, die von der PI3 Kinase abhängig sind, führt zur Aufnahme der Bakterien. Als Teil dieser Arbeit konnte ich die Beteiligung der NSM2 bestätigen. Die Rolle des Enzyms sollte durch die Herstellung von NSM2-spezifischen Antikörpern und einer auf Epithelzellen basierenden NSM2 knockout Zelllinie, die mit Hilfe des CRISPR/Cas9 Systems hergestellt wurde, aufgeklärt werden. Der knockout der NSM2 führte zu einer starken Inhibition der LPDI. Die Invasion konnte jedoch durch die Komplementation mit Hilfe eines NSM2-GFP Konstruktes wiederhergestellt werden. Wobei die Ergebnisse jedoch nicht reproduziert werden konnten. In dieser Arbeit konnte ich die Beteiligung weiterer Mitglieder des Sphingolipid Signalwegs an der PorBIA-vermittelten Invasion zeigen. Die Lipidomanalysen zeigten einen Anstieg der bioaktiven Moleküle Ceramide und Sphingosin aufgrund der Gonokokkeninfektion. Beide Moleküle beeinflussen nicht nur die Wirtszelle, sondern schienen auch Auswirkungen auf die Bakterien selbst zu haben: während Ceramid anscheinend von den Gonokokken aufgenommen wird, ist Sphingosin für die Bakterien toxisch. Weiterhin spielt die Sphingosinkinase 2 (SPHK2) eine wichtige Rolle in der Invasion, da die Inhibierung und der Knockdown des Enzyms die Gonokokkeninfektion negativ beeinflussen. Um die Rolle der Sphingosinkinasen in der Invasion im Detail zu erforschen, wurde in dieser Arbeit ein Aktivitätsassay etabliert. Außerdem wurde der Einfluss der Sphingosin-1-phosphat Lyase (S1PL) auf die Invasion erforscht. Inhibitorstudien und Infektionsexperimente, die mit einer CRISPR/Cas9 HeLa S1PL knockout Zelllinie durchgeführt wurden, zeigten, dass das Enzym nicht nur eine Rolle in der PorBIA-vermittelten, sondern auch in der Opa50/HSPG-vermittelten Gonokokkeninfektion spielt. Die Experimente, die bezüglich der zugrundeliegenden Signalwege durchgeführt wurden, erlaubten die Einordnung der Aktivierung der SPHK und der S1PL im Kontext der Invasion. Wie auch die NSM2, spielen beide Enzyme in der frühen PorBIA Signalübertragung eine Rolle, die schließlich zur Aufnahme der Bakterien führt. Alle diese Ergebnisse weisen auf eine wichtige Rolle der Sphingolipide für die Invasion und das Überleben von N. gonorrhoeae hin. Im letzten Teil dieser Arbeit, wurde die Inhibierung der Apoptose von Neutrophilen aufgrund der Gonokokkeninfektion untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass das verspätete Einsetzen der Apoptose von neisseriellen Porinen und Opa Proteinen unabhängig ist. Weiterhin wurde der Einfluss von neisseriellem Peptidoglycan auf die Apoptose der Neutrophilen mit Hilfe von Mutanten untersucht, wobei eine Verbindung nicht bestätigt werden konnte. Da die NSM2 die bedeutendste Sphingomyelinase in Neutrophilen darstellt, sowie vielfältige zellphysiologische Funktionen erfüllt und im Vorfeld schon mit der Apoptose in Verbindung gebracht wurde, wurde der Einfluss des Enzymes auf die Inhibierung der Apoptose durch die Gonokokkeninfektion mit Hilfe von Inhibitoren überprüft.

The human body is laden with trillions of microorganisms that belong to all three domains of life. Some species of this microbiota subsist as harmless commensals in healthy adults, but under certain circumstances, they can cause mucosal disease or even systemic, life-threatening infections. While the bacterial members of our microbiota are heavily studied today, much less attention is afforded to eukaryotic species that colonize different mucocutaneous surfaces of the human body. This dissertation focuses on identifying regulatory circuits that enable a prominent member of these eukaryotes, C. albicans, to, on the one hand, live on a specific mammalian mucosal surface as a harmless commensal and, on the other hand, proliferate as a pathogen. Since the ultimate source of many fatal Candida infections is the gastrointestinal (GI) tract of the infected individual, this organism is particularly suited to distinguishing traits essential for the gut colonization of commensal fungi and their ability to cause disease. Sequence-specific DNA-binding proteins that regulate transcription are important to most biological processes; I thus used these proteins as starting points to gain insights into 1) how a specific transcription regulator promotes virulence in C. albicans; 2) which traits C. albicans requires to inhabit the GI tract of a specific, well-defined mouse model as a harmless commensal; and 3) how three previously undescribed transcriptional regulators contribute to the commensal colonization of the digestive tract of this mouse model. Altogether, this work advances the knowledge concerning the biology of commensal fungi in the mammalian gut and genetic determinants of fungal commensalism, as well as pathogenicity. / Der menschliche Körper wird von unzähligen Mikroorganismen aus allen drei Domänen des Lebens besiedelt. Einige Spezies dieser so genannten Mikrobiota leben mit gesunden Menschen als harmlose Kommensale, können jedoch unter bestimmten Umständen auch Erkrankungen der Schleimhäute oder sogar systemische, lebensbedrohliche Krankheiten verursachen. Der bakterielle Anteil unserer Mikrobiota wurde bereits ausgiebig untersucht. Sehr viel weniger Aufmerksamkeit haben bisher eukaryotische Organismen erlangt, die unterschiedliche Schleimhäute des menschlichen Körpers besiedeln. Ziel dieser Dissertation ist es regulatorische Kreisläufe zu identifizieren, die es einem prominenten eukaryotischen Mitglied unserer Mikrobiota, Candida albicans, ermöglichen auf der einen Seite eine spezielle mukokutane Oberfläche von Säugern zu besiedeln, und sich auf der anderen Seite als Pathogen zu verbreiten. Da man annimmt, dass viele bedrohliche Candida Infektionen ihren Ursprung im Gastrointestinaltrakt desselben Individuums haben, eignet sich dieser Organismus im speziellen um Eigenschaften zu identifizieren, die es kommensalen Pilzen ermöglicht den Darm zu besiedeln aber auch Krankheiten zu verursachen. Sequenz-spezifische DNA Bindeproteine, die die Transkription regulieren sind zentrale Akteure in den meisten biologischen Prozessen; aus diesem Grund verwende ich diese Proteine als Startpunkte um Einblicke in Folgendes zu erlangen: Zuerst, wie ein spezieller Transkriptionsregulator C. albicans‘ Virulenz beeinflusst. Dann welche Eigenschaften von C. albicans Voraussetzung für die Kolonisierung des Gastrointestinaltrakts eines klar definierten Mausmodells sind. Und zuletzt wie drei bisher nicht beschriebene Transkriptionsregulatoren zu der kommensale Kolonisierung des Verdauungstrakts dieses Mausmodells beitragen. Zusammenfassend trägt diese Arbeit dazu bei, das Wissen über die Biologie kommensaler Pilze im Säugertrakt und über genetische Determinanten zu erweitern, die zum Kommensalismus aber auch zur Pathogenität von Pilzen beitragen.

Staphylococcus aureus is a human bacterial pathogen responsible for a variety of diseases including bacterial pneumonia and sepsis. Recent studies provided an explanation, how S. aureus and its exotoxins contribute to the degradation of endothelial junction proteins and damage lung tissue [4]. Previous findings were indicating an involvement of acid sphingomyelinase (ASM) activity in cell barrier degradation [5]. In the presented study the impact of singular virulence factors, such as staphylococcal α-toxin, on in vitro cell barrier integrity as well as their ability to elicit an activation of ASM were investigated. Experiments with bacterial supernatants performed on human endothelial cells demonstrated a rapid dissociation after treatment, whereas murine endothelial cells were rather resistant against cell barrier degradation. Furthermore, amongst all tested staphylococcal toxins it was found that only α-toxin had a significant impact on endothelial junction proteins and ASM activity. Ablation of this single toxin was sufficient to protect endothelial cells from cell barrier degradation and activation of ASM was absent. In this process it was verified, that α-toxin induces a recruitment of intracellular ASM, which is accompanied by rapid and oscillating changes in cytoplasmic Ca2+ concentration and an increased exposure of Lysosomal associated membrane protein 1 (LAMP1) on the cell surface. Recruitment of lysosomal ASM is associated, among other aspects, to plasma membrane repair and was previously described to be involved with distinct pathogens as well as other pore forming toxins (PFT). However, with these findings a novel feature for α-toxin has been revealed, indicating that the staphylococcal PFT is able to elicit a similar process to previously described plasma membrane repair mechanisms. Increased exposure and intake of surface membrane markers questioned the involvement of ASM activity in S. aureus internalization by non-professional phagocytes such as endothelial cells. By modifying ASM expression pattern as well as application of inhibitors it was possible to reduce the intracellular bacterial count. Thus, a direct connection between ASM activity and S. aureus infection mechanisms was observed, therefore this study exemplifies how S. aureus is able to exploit the host cell sphingolipid metabolism as well as benefit of it for invasion into non-professional phagocytic cells / Staphylococcus aureus ist ein bakterieller Erreger, der für eine Vielzahl von Erkrankungen des Menschen verantwortlich ist, darunter bakterielle Lungenentzündung und Sepsis. Neuere Studien konnten einen Ansatz dafür liefern, wie S. aureus und seine Exotoxine zur Degradation von endothelialen Verbindungsproteinen beitragen und das Lungengewebe schädigen. Weitere Befunde weisen auf eine Beteiligung der sauren Sphingomyelinase (ASM) bei der Degradation der Zellbarriere hin. In der vorliegenden Studie soll der Einfluss einzelner Virulenzfaktoren, wie z. B. Staphylokokkus α-Toxin, auf die Integrität der Zellbarriere in vitro sowie deren Fähigkeit, eine Aktivierung der ASM hervorzurufen, untersucht werden.Experimente mit bakteriellen Überständen die an humanen Endothelzellen durchgeführt wurden, zeigten eine rasche Dissoziation nach Behandlung, während murine Endothelzellen vorwiegend resistent gegen eine Degradation der Zellbarriere waren. Darüber hinaus wurde unter allen getesteten Staphylokokken-Toxinen festgestellt, dass nur α-Toxin einen signifikanten Einfluss auf endotheliale Verbindungssproteine und ASM-Aktivität hat. Die genetische Ablation des Toxins alleine reichte aus, um Endothelzellen vor einer Degradation der Zellbarriere zu schützen, und die Aktivierung von ASM blieb aus. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass α-Toxin eine Rekrutierung von intrazellulärem ASM induziert, die mit schnellen oszillierenden Veränderungen der zytoplasmatischen Ca2+-Konzentration und einer erhöhten Exposition von Lysosome associated membrane protein 1 (LAMP1) an der Zelloberfläche einhergeht. Die Rekrutierung lysosomaler ASM ist u.a. mit der Reparatur von Plasmamembran assoziiert und wurde bereits im Zusammenhang mit verschiedenen Pathogenen sowie anderer porenbildende Toxine (PFT) beschrieben. Mit diesen Befunden konnte jedoch eine neue Eigenschaft für α-Toxin beschrieben werden, die darauf hindeutet, dass das Staphylokokken-PFT einen ähnlichen Prozess auslösen kann wie zuvor beschriebene Plasmamembran-Reparaturmechanismen. Die vermehrte Exposition und Aufnahme von Oberflächenmembranmerkmalen stellte die Beteiligung der ASM-Aktivität an der Internalisierung von S. aureus durch nicht-professionelle Phagozyten wie Endothelzellen in Frage. Durch Modifikation des ASM-Expressionsmusters sowie Applikation von Inhibitoren war es möglich, die intrazelluläre Keimzahl zu reduzieren. Somit konnte ein direkter Zusammenhang zwischen ASM-Aktivität und den Infektionsmechanismen von S. aureus beobachtet werden. Diese Studie verdeutlicht somit, wie S. aureus den Sphingolipid-Stoffwechsel der Wirtszelle ausnutzen und für die Invasion in nicht-professionelle phagozytische Zellen nutzen kann

Biological systems are in dynamic interaction. Many responses reside in the core concepts of biological systems interplay (competition and cooperation). In infection situation, the competition between a bacterial system and a host is shaped by many stressors at spatial and temporal determinants. Reactive chemical species are universal stressors against all biological systems since they potentially damage the basic requirements of these systems (nucleic acids, proteins, carbohydrates, and lipids). Either produced endogenously or exogenously, reactive chemical species affect the survival of pathogens including the gram-positive Staphylococcus aureus (S. aureus). Therefore, bacteria developed strategies to overcome the toxicity of reactive species. S. aureus is a widely found opportunistic pathogen. In its niche, S. aureus is in permanent contact with surrounding microbes and host factors. Deciphering the deterministic factors in these interactions could facilitate pinpointing novel bacterial targets. Identifying the aforementioned targets is crucial to develop new strategies not only to kill the pathogenic organisms but also to enhance the normal flora to minimize the pathogenicity and virulence of potential pathogens. Moreover, targeting S. aureus stress response can be used to overcome bacterial resistance against host-derived factors. In this study, I identify a novel S. aureus stress response factor against reactive electrophilic, oxygen, and hypochlorite species to better understand its resilience as a pathogen. Although bacterial stress response is an active research field, gene function is a current bottleneck in characterizing the understudied bacterial strategies to mediate stress conditions. I aimed at understanding the function of a novel protein family integrated in many defense systems of several biological systems. In bacteria, fungi, and plants, old yellow enzymes (OYEs) are widely found. Since the first isolation of the yellow flavoprotein, OYEs are used as biocatalysts for decades to reduce activated C=C bonds in α,β-unsaturated carbonyl compounds. The promiscuity of the enzymatic catalysis is advantageous for industrial applications. However, the physiological function of OYEs, especially in bacteria, is still puzzling. Moreover, the relevance of the OYEs in infection conditions remained enigmatic.   Here, I show that there are two groups of OYEs (OYE flavin oxidoreductase, OfrA and OfrB) that are encoded in staphylococci and some firmicutes. OfrA (SAUSA300_0859) is more conserved than OfrB (SAUSA300_0322) in staphylococci and is a part of the staphylococcal core genome. A reporter system was established to report for ofrA in S. aureus background. The results showed that ofrA is induced under electrophilic, oxidative, and hypochlorite stress. OfrA protects S. aureus against quinone, methylglyoxal, hydrogen peroxide, and hypochlorite stress. Additionally, the results provide evidence that OfrA supports thiol-dependent redox homeostasis. At the host-pathogen interface, OfrA promotes S. aureus fitness in murine macrophage cell line. In whole human blood, OfrA is involved in S. aureus survival indicating a potential clinical relevance to bacteraemia. In addition, ofrA mutation affects the production of the virulence factor staphyloxanthin via the upper mevalonate pathway. In summary, decoding OfrA function and its proposed mechanism of action in S. aureus shed the light on a conserved stress response within multiple organisms. / Biologische Systeme unterliegen ständig dynamischen Interaktionen. Diese werden geprägt von Konkurrenz und Kooperation. Im Falle einer Infektion wird die Konkurrenz zwischen einem bakteriellen Organismus und dem infizierten Wirt von der Einwirkung vieler Stressoren in allen biologischen Nischen geprägt. Eine fundamentale Rolle spielen dabei reaktive chemische Verbindungen die als universale Stressoren alle biologischen Systeme mit ihren fundamentalen Makromolekülen (Nukleinsäuren, Proteine, Kohlenhydrate und Lipide) potenziell schädigen. Reaktive chemische Verbindungen, entweder endogen oder exogen gebildet, beeinträchtigen das Überleben aller Pathogene, auch das Überleben des in dieser Arbeit behandelten gram-positiven Bakteriums Staphylococcus aureus (S. aureus). Um die lebensbedrohende Toxizität der reaktiven Verbindungen zu umgehen, haben Bakterien eine Vielzahl hoch spezialisierter Überlebensstrategien entwickelt. S. aureus ist ein weit verbreiteter opportunistischer Krankheitserreger. Er unterliegt dem permanenten Kontakt mit dem umgebenden Mikrobiom und den verschiedenartigen Wirtsfaktoren. Das Wissen um die Mechanismen der bakteriellen Stressabwehr während einer Pathogen-Wirts-Beziehung könnte als Grundlage für die Identifizierung neuer antibakterieller Zielstrukturen dienen. Eine spezifische Inaktivierung solcher Strukturen könnte dann den pathogenen Organismus schädigen ohne die normale Flora zu schwächen. Ferner können Untersuchungen an der Stressantwort von S. aureus genutzt werden, um die bakterielle Resistenz gegen wirtseigene Faktoren zu schwächen. Im Mittelpung dieser Arbeit steht die Charakterisierungeines neuartigen Faktors in der Stressantwort von S. aureus, der sowohl gegen elektrophilen Stress als auch gegen reaktive Sauerstoff- und Hypochlorit-Verbindungen aktiv ist. Die Ergebnisse der Arbeiten tragen zu einem besseren Verständnis der Stressantwort von dem wichtigen pathogenen Bakterium S. aureus bei. Trotz der Tatsache, dass die Untersuchung bakterieller Stressantworten Gegenstand der aktuellenForschung ist, sind viele Prozesse und die daran beteiligten Faktoren nur unzureichend charakterisiert. Daher war die Zielsetzung dieser Thesisdie Funktion eines Vertreters einer neuen Proteinfamilie, die mglw. in vielen Abwehrsystemen gegen chemische Stressoren eine wichtige Rolle spielt, zu untersuchen. Die von Otto Warburg erstmalig als “old yellow enzymes” (OYEs) bezeichnete Proteinfamilie ist im Bakterien-, Pilz- und Pflanzenreich weit verbreitet. Nach der erstmaligen Isolation des gelben Flavoproteins, werden OYEs seit vielen Jahrzehnten als Biokatalysatoren verwendet, um aktivierte C=C-Doppelbindungen in α,β-ungesättigte Carbonylverbindungen zu reduzieren. Die Promiskuität der enzymatischen Katalyse ist für industrielle Anwendungen sehr vorteilhaft. Nichtsdestotrotz konnte die physiologische Funktion von OYEs besonders in Bakterien bislang nur ansatzweise aufgeklärt werden und die Beteiligung der OYEs unter Infektionsbedingungen ist weiterhin unbekannt. In dieser Arbeit wurden zwei Vertreterder OYEs (OYE flavin oxidoreductase OfrA und OfrB) im Genom von Staphylokokken und Firmicuten identifiziert. OfrA (SAUSA300_0859) ist in Staphylokokken stärker konserviert als OfrB (SAUSA300_0322) und ist Teil des Kerngenoms. Es wurde ein Reportersystem etabliert, um die Expression von ofrA in S. aureus-Stämmen zu untersuchen. Die Daten dieser Arbeit zeigen, dass ofrA unter elektrophilen, oxidativen und hypochloriten Stressbedingungen induziert wird. OfrA schützt S. aureus vor Stress durch Quinone, Methylglyoxal, Wasserstoffperoxid und Hypochlorit. Weiterhin liefern die Ergebnisse Evidenz, dass OfrA die Thiol-abhängige Redox-Homöostase unterstützt. Weiterhin ist OfrA an der Fitness und dem Überleben von S. aureus nach Phagozytose in murinen Makrophagen beteiligt. Das Überleben von S. aureus in humanem Vollblut war ebenfalls sehr stark von der OfrA Expression abhängig. Somit kann auf eine wichtige Rolle von OfrA während des Infektionsgeschehens z.B. bei Bakteriämie geschlossen werden. Weiterhin zeigt sich, dass Mutationen in ofrA, die Produktion des Virulenzfaktors Staphyloxanthin über den oberen Mevalonatweg beeinflussen. Insgesamt liefert die vorliegende Arbeit neue Einblicke in die Funktion und Verbeitung von OfrA, einem neuen Vertreter aus der Klasse der OYEs. Die vorliegenden Ergebnisse ermöglichen somit auch ein besseres Verständnis konservierter Strategien der Stressantwort bei Bakterien und deren Bedeutung während des Infektionsgeschehens.

Marine sponges are the most ancient metazoans and of large ecological importance as drivers of water and nutrient flows in benthic habitats. Furthermore marine sponges are well known for their association with highly abundant and diverse microbial consortia. Microorganisms inhabit the extracellular matrix of marine sponges where they can make up to 35% of the sponge’s biomass. Many microbial symbionts of marine sponges are highly host specific and cannot, or only in very rare abundances, be found outside of their host environment. Of special interest is the candidate phylum Poribacteria that was first discovered in marine sponges and still remains almost exclusive to their hosts. Phylogenetically Poribacteria were placed into the Planctomycetes, Verrucomicrobia, Chlamydiae superphylum and similarly to many members of this superphylum cell compartmentation has been proposed to occur in members of the Poribacteria. The status as a candidate phylum implies that no member of Poribacteria has been obtained in culture yet. This restricts the investigations of Poribacteria and their interactions with marine sponges to culture independent methods and makes functional characterisation a difficult task. In this PhD thesis I used the novel method of single-cell genomics to investigate the genomic potential of the candidate phylum Poribacteria. Single-cell genomics enables whole genome sequencing of uncultivated microorganisms by singularising cells from the environment, subsequent cell lysis and multiple displacement amplification of the total genomic DNA. This process yields sufficient amounts of DNA for whole genome sequencing and genome analysis. This technique and its relevance for symbiosis studies are discussed in this PhD thesis. Through the application of single-cell genomics it was possible to increase the number of single-amplified genomes of the candidate phylum Poribacteria from initially one to a total of six. Analyses of these datasets made it possible to enhance our understanding of the metabolism, taxonomy, and phylum diversity of Poribacteria and thus made these one of the best-characterised sponge symbionts today. The poribacterial genomes represented three phylotypes within the candidate phylum of which one appeared dominant. Phylogenetic and phylogenomic analyses revealed a novel phylogenetic positioning of Poribacteria distinctly outside of the Planctomycete, Verrucomicorbia, Chlamydiae superphylum. The occurrence of cell compartmentation in Poribacteria was also revisited based on the obtained genome sequences and revealed evidence for bacterial microcompartments instead of the previously suggested nucleotide-like structures. An extensive genomic repertoire of glycoside hydrolases, glycotransferases, and other carbohydrate active enzymes was found to be the central shared feature between all poribacterial genomes and showed that Poribacteria are among those marine bacteria with the largest genomic repertoire for carbohydrate degradation. Detailed analysis of the carbohydrate metabolism revealed that Poribacteria have the genomic potential for degradation of a variety of polymers, di- and monosaccharaides that allow these symbionts to feed various nutrient sources accessible through the filter-feeding activities of the sponge host. Furthermore the poribacterial glycobiome appeared to enable degradation of glycosaminoglycan chains, one of the main building blocks of extracellular matrix of marine sponges. Different lifestyles resulting from the poribacterial carbohydrate degradation potential are discussed including the influence of nutrient cycling in sponges, nutrient recycling and scavenging. The findings of this thesis emphasise the long overlooked importance of heterotrophic symbionts such as Poribacteria for the interactions with marine sponges and represent a solid basis for future studies of the influence heterotrophic symbionts have on their sponge hosts. / Marine Schwämme sind die ältesten rezenten Vertreter der Metazoen. Durch ihre Lebensweise als Nahrungsfiltrierer und den damit verbundenen Einfluss auf Nährstoffzyklen sind sie von großer ökologischer Relevanz. Des Weiteren zeichnen sich marine Schwämme durch das Zusammenleben mit hoch abundanten und diversen mikrobiellen Konsortien aus. Diese Mikroorganismen finden sich meist in der extrazellulären Matrix des Schwamms und können mehr als 35% der Biomasse ihres Wirtes ausmachen. Viele mikrobielle Symbionten mariner Schwämme sind hochgradig Wirts-spezifisch und können außerhalb des Schwamms, wenn überhaupt, nur in sehr geringer Anzahl gefunden werden. Von besonderem Interesse ist das Candidatus Phylum Poribacteria, dessen Vertreter erstmals in Schwämmen detektiert wurden, und bis heute fast ausschließlich in Schwämmen zu finden sind. Phylogenetisch wurden die Poribacteria dem Planctomycetes, Verrucomicrobia, Chlamydiae (PVC) Superphylum zugeordnet. Einige Vertreter dieses Superphylums zeigen einen kompartimentierten Zellplan auf, eine Eigenschaft, die auch für Poribacteria vermutet wird. Der Status der Poribacteria als Candidatus Phylum zeigt das Fehlen von Vertretern dieses Phylums in Reinkultur an. Dies beschränkt die Untersuchung von Poribacteria auf kultivierungs-unabhängige Methoden, was die funktionelle Charakterisierung dieser Symbionten erheblich erschwert. In dieser Doktorarbeit wurde das Candidatus Phylum Poribacteria mit Hilfe der Einzelzellgenomik untersucht. Diese Methode ermöglicht es aus vereinzelten mikrobiellen Zellen genomische Komplett-DNA zu gewinnen und diese, mit Hilfe der so genannten „multiple displacement amplification“ so hochgradig anzureichern, dass eine Sequenzierung und anschließende Analyse erfolgen kann. Die Anwendung dieser Methode im Allgemeinen und in der Symbiose Forschung wird in dieser Doktorarbeit diskutiert. Die Einzelzellgenomik ermöglichte die Anzahl poribakterieller Datensätze, von zunächst einem auf sechs Genome zu erhöhen. Die Analyse dieser Genome konnte unser Verständnis vom metabolischen Potential, der Taxonomie und der Diversität innerhalb dieses Phylums deutlich zu verbessern. Die poribakteriellen Genome beschrieben drei Phylotypen, von denen einer deutlich dominierte. Die phylogenetische Position des Phylums Poribacteria wurde außerdem anhand von phylogenetischen und phylogenomischen Berechnungen neu zugeordnet, und resultierte in einer deutlichen Positionierung außerhalb des PVC Superphylums. Weiterhin wurden genomische Hinweise auf einen kompartimentierten Zellplan in Poribacteria gefunden. Diese deuten aber nicht, wie vorher vermutet, auf eine Zellkern-ähnliche Struktur hin, sondern auf bakterielle Mikrokompartimente mit noch ungeklärter Funktion. Die Analysen des genomischen Potentials zeigte in allen Datensätzen eine hohe Frequenz von Genen, die für Glycosidasen, Glycosyltransferasen und weiteren Proteinen der so-genannten „carbohydrate active enzymes“ kodieren, was ein ausgeprägtes Vermögen zum Kohlehydratabbau aufzeigt. Das genomische Potential von Poribacteria zum Abbau von Kohlehydratpolymeren, Di- und Monosacchariden konnte durch detaillierte Analyse des Kohlehydratmetabolismus genau beschrieben werden. Außerdem schienen Poribacteria Glycosaminoglycanketten, die zentrale Bausteine der extrazellulären Matrix des Schwammes sind, abbauen zu können. Die aus dem poribakteriellen Glycobiome resultierenden möglichen Lebensweisen als Wiederverwerter von Nährstoffen, Mitesser, oder auch der Einfluss von Poribacteria auf Nährstoffzyklen im Schwamm werden in dieser Doktorarbeit diskutiert. Die Ergebnisse dieser Doktorarbeit machen Poribacteria zu den genomische am besten beschriebenen Schwammsymbionten und zeigen die lange übersehene Relevanz heterotropher Symbionten in marinen Schwämmen.

Marine sponges (phylum Porifera) are simple, sessile, filter-feeder animals. Microbial symbionts are commonly found in the sponge internal tissue, termed the mesohyl. With respect to the microbial content, sponges are classified as either low-microbial abundance sponges (LMA), or high-microbial abundance sponges (HMA). The HMA/LMA dichotomy was explored in this Thesis using the Red Sea sponges as experimental models. A range of methods encompassing transmission electron microscopy, 16S rRNA gene deep sequencing, and metatranscriptomics was employed towards this goal. Here, particular emphasis was placed on the functional analysis of sponge microbiomes. The Red Sea sponges Stylissa carteri, Xestospongia testudinaria, Amphimedon ochracea, and Crella cyathophora were classified as HMA or LMA sponges using transmission electron microscopy. The diversity, specificity, and transcriptional activity of microbes associated with the sponges S. carteri (LMA) and X. testudinaria (HMA) and seawater were investigated using 16S rRNA amplicon pyrosequencing. The microbial composition of S. carteri was more similar to that of seawater than to that of X. testudinaria, which is consistent with the observation that the sequence data set of S. carteri contained many more possibly seawater sequences (~24%) than the X. testudinaria data set (~6%). The most abundant operational taxonomic units (OTUs) were shared between all three sources (S. carteri, X. testudinaria, seawater), while rare OTUs were unique to any given source. Despite this high degree of overlap, each sponge species contained its own specific microbiota. S. carteri microbiomes were enriched of Gammaproteobacteria and members of the genus Synechococcus and Nitrospira. Enriched members of X. testudinaria microbiomes included Chloroflexi, Deferribacteres, and Actinobacteria. The transcriptional activity of sponge-associated microorganisms was assessed by comparing 16S rRNA gene with transcript amplicons, which showed a good correlation. The microbial functional gene repertoire of sponges and seawater from the Red Sea (X. testudinaria, S. carteri) and the Mediterranean (Aplysina aerophoba, Dysidea avara) were investigated with the environmental microarray GeoChip 4. Amplicon sequencing was performed alongside in order to assess microbial diversity. The typical microbial diversity patterns characteristic of HMA (abundance of Gammaproteobacteria, Chloroflexi, Acidobacteria, Deferribacteres, and others) and LMA sponges (abundance of Alpha-, Beta-, Gammaproteobacteria, Cyanobacteria, and Bacteroidetes) were confirmed. The HMA/LMA dichotomy was stronger than any possible geographic pattern based on microbial diversity (amplicon) and functional genes (GeoChip). However upon inspection of individual genes detected by GeoChip, very few specific differences were discernible, including differences related to microbial ammonia oxidation, ammonification (higher gene abundance in sponges over seawater) as well as denitrification (lower gene abundance). Furthermore, a higher abundance of a gene, pcc, representative of archaeal autotrophic carbon fixation was noted in sponges over seawater. Thirdly, stress-related genes, in particular those related to radiation, were found in lower abundances in sponge microbiomes than in seawater. With the exception of few documented specific differences, the functional gene repertoire between the different sources appeared largely similar. The most actively expressed genes of S. carteri microbiomes were investigated with metatranscriptomics. Prokaryotic mRNA was enriched from sponge total RNA, sequenced using Illumina HiSeq technology, and annotated with the metagenomics Rapid Annotation using Subsystem Technology (MG-RAST) pipeline. High expression of archaeal ammonia oxidation and photosynthetic carbon fixation by members of the genus Synechococcus was detected. Functions related to stress response and membrane transporters were among the most highly expressed by S. carteri symbionts. Unexpectedly, gene functions related to methylotrophy were highly expressed by gammaproteobacterial symbionts. The presence of seawater-derived microbes is indicated by the phylogenetic proximity of organic carbon transporters to orthologs of members from the SAR11 clade. In summary, the most expressed functions of the S. carteri-associated microbial community were revealed and linked to the dominant taxonomic members of the microbiome. In conclusion, HMA and LMA Red Sea sponges were used as models to gain insights into relevant themes in sponge microbiology, i.e. diversity, specificity, and functional activities. Overall, my Thesis contributes to a better understanding of sponge-associated microbial communities, and the implications of this association to marine ecology. / Marine Schwämme (phylum Porifera) sind einfache, sessile, sich mittels Filtration von Meerwasser ernährende Tiere. Das Schwammgewebe, als Mesohyl definiert, ist häufig durch mikrobielle Symbionten besiedelt. Im Hinblick auf die mikrobielle Abundanz werden Schwämme in sogenannte „low-microbial abundance“ (LMA) oder „high microbial abundance“ (HMA) Kategorien unterteilt. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde die „HMA/LMA-Dichotomie“ anhand von Schwämmen aus dem Roten Meer untersucht. Verschiedene Methoden, wie die Transmissions-Elektronenmikroskopie, 16S rRNA Gen-Hochdurchsatz-Sequenzierung sowie die Metatranskriptomik kamen zum Einsatz. Ein besonderes Augenmerk wurde auf die funktionale Analyse der Schwammsymbionten gelegt. Die Schwämme Stylissa carteri, Xestospongia testudinaria, Amphimedon ochracea und Crella cyathophora aus dem Roten Meer wurden zunächst mittels Transmissions-Elektronenmikroskopie als HMA oder LMA-Schwämme klassifiziert. Die Diversität, Spezifizität sowie transkriptionelle Aktivität von mit S. carteri (LMA), X. testudinaria (HMA) oder Meerwasser-assoziierten Mikroorganismen wurde mittels 16S rRNA Gen-Ampliconsequenzierung untersucht. Die mikrobielle Zusammensetzung von S. carteri ähnelte mehr der des Meerwassers als der von X. testudinaria, was mit dem Befund übereinstimmt, dass der Sequenzdatensatz von S. carteri deutlich mehr Meerwassersequenzen enthielt (~ 24%) als der von X. testudinaria (6%). Die am häufigsten vorliegenden „operational taxonomic units“ (OTUs) lagen gleichermaßen im Probenmaterial (S. carteri, X. testudinaria, Meerwasser) vor, während die am wenigsten häufigen OTUs jeweils spezifisch für eine Probe waren. Trotz der hohen Gemeinsamkeiten enthielt jede Schwammart ein eigenes Bakterienprofil. Die Mikrobiome von S. carteri waren durch Gammaproteobacteria, sowie Vertreter der Gattung Synechococcus und Nitrospira angereichert. Häufige Vertreter des X. testudinaria Mikrobioms waren Chloroflexi, Deferribacteres und Actinobacteria. Die transcriptionelle Aktivität von Schwamm-assoziierten Mikroorganismen wurde auf der Basis von 16S rRNA-Genen und 16S rRNA-Transkripten verglichen und zeigte eine gute Korrelation. Das funktionale Genrepertoire von Schwämmen und Meerwasser aus dem Roten Meer (X. testudinaria, S. carteri) und dem Mittelmeer (Aplysina aerophoba, Dysidea avara) wurde mittels des Mikroarrays GeoChip 4 verglichen. Die Ampliconsequenzierung wurde begleitend zur Charakterisierung der mikrobiellen Diversität durchgeführt. Die charakteristischen Diversitätsmuster von HMA-Schwämmen (Gammaproteobacteria, Chloroflexi, Acidobacteria, Deferribacteres und weitere) und LMA-Schwämmen (Alpha-, Beta-, Gammaproteobacteria, Cyanobacteria, Bacteroidetes) konnten bestätigt werden. Die HMA/LMA-Dichotomie war sowohl im Bezug auf die Diversität (Amplikon-Daten) als auch auf das funktionale Genrepertoire (GeoChip) deutlich stärker ausgeprägt als ein mögliches geographisches Muster. Jedoch konnten nach Analyse einzelner Gene nur wenige spezifische Unterschiede definiert werden. Diese betrafen beispielsweise die mikrobielle Ammonium-Oxidation, Ammonifikation (höhere Genabundanz in Schwämmen als Meerwasser) oder die Denitrifikation (niedrigere Genabundanz in Schwämmen als Meerwasser). Weiterhin wurde eine höhere Genabundanz des pcc -Gens in Schwämmen als im Meerwasser beschrieben. Dieses Gen gilt als Indikator für archaeale, autotrophe Kohlenstoff-Fixierung. Drittens wurde eine niedrige Genabundanz von Stress-Genen, insbesondere im Bezug auf UV-Strahlung, in Schwämmen als im Meerwasser beobachtet. Von wenigen spezifischen Ausnahmen abgesehen war das funktionale Genrepertoire zwischen dem Probenmaterial jedoch sehr ähnlich. Die am häufigsten exprimierten Gene des S. carteri Mikrobioms wurden mittels Metatranskriptomik untersucht. Zu diesem Zweck wurde die prokaryotische mRNA aus der Gesamt-Schwamm RNA angereichert, mittels Illumina HiSeq-Technologie sequenziert und mittels der MG-RAST-Software annotiert. Die mit am häufigsten exprimierten Gene betrafen die archaeale Ammonium-Oxidation und die photosynthetische Kohlenstoff-Fixierung durch Synechococcus. Weiterhin waren Stress- und Membrantransport-relevane Gene mit am häufigsten exprimiert. Unerwartet war der Befund, dass Methylotrophie-verwandte Gene ebenfalls sehr häufig exprimiert wurden. Das Vorliegen von Meerwasserbakterien ist durch die phylogenetische Nähe von organischen Kohlenstoff-Transportern zu Genen der SAR11-Klade belegt. Zusammenfassend wurden in dieser Studie die am häufigsten transkribierten Funktionen des S. carteri Mikrobioms beschrieben und bezüglich ihrer taxonomischen Zugehörigkeit analysiert. Zusammenfassend wurden HMA und LMA-Schwämme aus dem Roten Meer als experimentelle Modellsysteme verwendet, um Einblicke in für die Schwamm-Mikrobiologie relevante Fragen bezüglich der mikrobiellen Diversität, Spezifität und funktionalen Aktivität zu gewinnen. Diese PhD-Arbeit trägt zu einem verbesserten Verständnis der Mikrobiologie von Schwämmen sowie deren Bedeutung für die marine Ökologie im Allgemeinen bei.

Lokalisationsmikroskopie ist eine Methodenklasse der superauflösenden Fluoreszenzmikroskopie, deren Methoden sich durch stochastische zeitliche Isolation der Fluoreszenzemission auszeichnen. Das Blinkverhalten von Fluorophoren wird so verändert, dass gleichzeitige Aktivierung von einander nahen Fluorophoren unwahrscheinlich ist. Bekannte okalisationsmikroskopische Methoden umfassen dSTORM, STORM, PALM, FPALM, oder GSDIM. Lokalisationsmikroskopie ist von hohem biologischem Interesse, weil sie die Auflösung des Fluoreszenzmikroskops bei minimalem technischem Aufwand um eine Größenordnung verbessert. Der verbundene Rechenaufwand ist allerdings erheblich, da Millionen von Fluoreszenzemissionen einzeln mit Nanometergenauigkeit lokalisiert werden müssen. Der Rechen- und Implementationsaufwand dieser Auswertung hat die Verbreitung der superauflösenden Mikroskopie lange verzögert. Diese Arbeit beschreibt meine algorithmische Grundstruktur für die Auswertung lokalisationsmikroskopischer Daten. Die Echtzeitfähigkeit, d.h. eine Auswertegeschwindigkeit oberhalb der Datenaufnahmegeschwindigkeit an normalen Messaufbauten, meines neuartigen und quelloffenen Programms wird demonstriert. Die Geschwindigkeit wird auf verbrauchermarktgängigen Prozessoren erreicht und dadurch spezialisierte Rechenzentren oder der Einsatz von Grafikkarten vermieden. Die Berechnung wird mit dem allgemein anerkannten Gaussschen Punktantwortmodell und einem Rauschmodell auf Basis der größten Poissonschen Wahrscheinlichkeit durchgeführt. Die algorithmische Grundstruktur wird erweitert, um robuste und optimale Zweifarbenauswertung zu realisieren und damit korrelative Mikroskopie zwischen verschiedenen Proteinen und Strukturen zu ermöglichen. Durch den Einsatz von kubischen Basissplines wird die Auswertung von dreidimensionalen Proben vereinfacht und stabilisiert, um präzisem Abbilden von mikrometerdicken Proben näher zu kommen. Das Grenzverhalten von Lokalisationsalgorithmen bei hohen Emissionsdichten wird untersucht. Abschließend werden Algorithmen für die Anwendung der Lokalisationsmikroskopie auf verbreitete Probleme der Biologie aufgezeigt. Zelluläre Bewegung und Motilität werden anhand der in vitro Bewegung von Myosin-Aktin-Filamenten studiert. Lebendzellbildgebung mit hellen und stabilen organischen Fluorophoren wird mittels SNAP-tag-Fusionsproteinen realisiert. Die Analyse des Aufbaus von Proteinklumpen zeigt, wie Lokalisationsmikroskopie neue quantitative Ansätze jenseits reiner Bildgebung bietet. / Localization microscopy is a class of super-resolution fluorescence microscopy techniques. Localization microscopy methods are characterized by stochastic temporal isolation of fluorophore emission, i.e., making the fluorophores blink so rapidly that no two are likely to be photoactive at the same time close to each other. Well-known localization microscopy methods include dSTORM}, STORM, PALM, FPALM, or GSDIM. The biological community has taken great interest in localization microscopy, since it can enhance the resolution of common fluorescence microscopy by an order of magnitude at little experimental cost. However, localization microscopy has considerable computational cost since millions of individual stochastic emissions must be located with nanometer precision. The computational cost of this evaluation, and the organizational cost of implementing the complex algorithms, has impeded adoption of super-resolution microscopy for a long time. In this work, I describe my algorithmic framework for evaluating localization microscopy data. I demonstrate how my novel open-source software achieves real-time data evaluation, i.e., can evaluate data faster than the common experimental setups can capture them. I show how this speed is attained on standard consumer-grade CPUs, removing the need for computing on expensive clusters or deploying graphics processing units. The evaluation is performed with the widely accepted Gaussian PSF model and a Poissonian maximum-likelihood noise model. I extend the computational model to show how robust, optimal two-color evaluation is realized, allowing correlative microscopy between multiple proteins or structures. By employing cubic B-splines, I show how the evaluation of three-dimensional samples can be made simple and robust, taking an important step towards precise imaging of micrometer-thick samples. I uncover the behavior and limits of localization algorithms in the face of increasing emission densities. Finally, I show up algorithms to extend localization microscopy to common biological problems. I investigate cellular movement and motility by considering the in vitro movement of myosin-actin filaments. I show how SNAP-tag fusion proteins enable imaging with bright and stable organic fluorophores in live cells. By analyzing the internal structure of protein clusters, I show how localization microscopy can provide new quantitative approaches beyond pure imaging.

Staphylococcus aureus is a facultative Gram-positive human pathogen which can cause different severe infections. Staphylococci are phagocytosed by professional and non-professional phagocytes; they are strongly cytotoxic against eukaryotic cells and have been proposed to play a role in immune evasion by spreading within migrating phagocytes. This study investigated the post invasive events upon S. aureus infection. Strains which are able to escape the phagosome were identified and the responsible toxins were determined. Thereby innovative insights into host pathogen interaction were obtained. A novel class of small amphipathic peptides with strong surfactant-like properties, the phenol soluble modulins, particularly PSMα as well as the leukocidin LukAB, are involved in phagosomal escape of the clinical S. aureus strains LAC, MW2 and 6850 in non-professional and professional phagocytes. Whereas, PSMβ, δ-toxin, α-toxin, β-toxin or phosphatidyl inositol-dependent phospholipase C did not affect phagosomal escape. By blocking the bacterial DNA-dependent RNA polymerase with rifampicin phagosomal escape is determined to start approximately 2.5 hours post infection. Phagosomal escape further was required for intracellular replication of S. aureus. Strains which are not able to escape cannot replicate in the acidic vacuole, whereas, the host cytoplasm offers a rich milieu for bacterial replication. Additionally, phagosomal escape, with intracellular bacterial replication induces the subsequent host cell death. This could be confirmed by an infection assay including S. aureus knockout mutants in psmα or lukAB which were significantly less cytotoxic, compared with those infected with escape-positive wild type strains. Further, this study showed that phagosomal escape is not only mediated by bacterial toxins. Since, the phagocyte-specific cognate receptors for both escape relevant toxins, FPR2 (PSMα receptor) and CD11b (LukAB receptor) are produced in epithelial and endothelial cells only after infection with S. aureus in a calcium dependent fashion. The knockdown of both receptors using siRNA prevents S. aureus to escape the phagosome. Furthermore, blocking intracellular calcium release with the inositol trisphosphate receptor (IP3R) inhibitor 2-APB prohibits upregulation of fpr2 and cd11b and subsequently phagosomal escape of S. aureus. To conclude, the current study clarifies that phagosomal escape and host cell death are interplay of both, bacterial toxins and host cell factors. Staphylococcus aureus ist ein fakultativ Gram-positives Humanpathogen, dass verschiedene schwerwiegende Infektionen verursachen kann. Staphylokokken werden von professionellen und nicht-professionellen Phagozyten (Fresszellen) zu gleich aufgenommen. Desweitern sind sie stark zytotoxisch für eukaryotische Zellen. Außerdem wird vermutet, dass sie sich mittels migrierender Phagozyten dem angeborenen Immunsystem entziehen können. In dieser Studie werden die post-invasiven Ereignisse während einer Staphylokokken Infektion untersucht. Im Detail wurden Stämme identifiziert die aus den Phagosomen entkommen können und die dafür verantwortlichen Toxine. Im Zuge dessen wurden neue Erkenntnisse der Interaktion zwischen Bakterien und Wirtszellen gewonnen. Eine neue Klasse von kleinen amphiphatischen Peptiden mit starken grenzflächenaktiven Eigenschaften (Surfactant), die sogenannten Phenol soluble modulins (PSMs) im Besonderen PSMα sowie das Leukozidin LukAB, sind am phagosomalen Ausbruch der klinisch relevanten S. aureus Stämmen LAC, MW2 und 6850 in nicht professionellen und professionellen Phagozyten involviert. Hingegen, sind PSMβ, δ-toxin, α-toxin, β-toxin oder Phosphatidylinositol abhängige Phospholipase C nicht am phagosomalen Ausbruch beteiligt. Durch die Hemmung der bakteriellen DNA-abhängigen RNA Polymerase mit Rifampicin wurde der Zeitpunkt für den Ausbruch auf etwa 2,5 Stunden nach der Infektion eingegrenzt. Der phagosomale Ausbruch ist weiterhin für die intrazelluläre Replikation von S. aureus notwendig. Während Stämme, die nicht ausbrechen können in der angesäuerten Vakuole nicht replizieren können, bietet das Zytoplasma ein reichhaltiges Milieu für die Vermehrung. Zudem wird der Pathogen induzierte Zelltod erst nach dem phagosomalen Ausbruch und mit anschließender Vermehrung ermöglicht. Nachgewiesen wurde dies mittels psmα und lukAB defizienten Mutanten welche signifikant weniger zytotoxisch waren als der Wildtyp Stamm. Diese Studie zeigt darüber hinaus, dass der phagosomale Ausbruch nicht nur durch bakterielle Toxine vermittelt wird. Sondern, dass die Phagozyten-spezifischen Rezeptoren für beide relevanten Toxine, FPR2 (PSMα Rezeptor) und CD11b (LukAB Rezeptor), in Epithel- und Endothelzellen nach Infektion mit S. aureus calciumabhängig produziert werden und für den Ausbruch notwendig sind. Der knockdown beider Rezeptoren mittels siRNA verhindert den Ausbruch. Wird der intrazelluläre Calciumstrom mittels des Inositoltrisphosphat Rezeptor (IP3R) Inhibitor 2-APB blockiert können die Gene fpr2 und cd11b nicht hochreguliert werden und der Ausbruch wird ebenfalls verhindert. Folglich zeigt diese Studie, dass der phagosomale Ausbruch und Pathogen induzierte Zelltod sowohl durch bakterielle Toxine als auch Wirtsfaktoren vermittelt wird. / Staphylococcus aureus ist ein fakultativ Gram-positives Humanpathogen, dass verschiedene schwerwiegende Infektionen verursachen kann. Staphylokokken werden von professionellen und nicht-professionellen Phagozyten (Fresszellen) zu gleich aufgenommen. Desweitern sind sie stark zytotoxisch für eukaryotische Zellen. Außerdem wird vermutet, dass sie sich mittels migrierender Phagozyten dem angeborenen Immunsystem entziehen können. In dieser Studie werden die post-invasiven Ereignisse während einer Staphylokokken Infektion untersucht. Im Detail wurden Stämme identifiziert die aus den Phagosomen entkommen können und die dafür verantwortlichen Toxine. Im Zuge dessen wurden neue Erkenntnisse der Interaktion zwischen Bakterien und Wirtszellen gewonnen. Eine neue Klasse von kleinen amphiphatischen Peptiden mit starken grenzflächenaktiven Eigenschaften (Surfactant), die sogenannten Phenol soluble modulins (PSMs) im Besonderen PSMα sowie das Leukozidin LukAB, sind am phagosomalen Ausbruch der klinisch relevanten S. aureus Stämmen LAC, MW2 und 6850 in nicht professionellen und professionellen Phagozyten involviert. Hingegen, sind PSMβ, δ-toxin, α-toxin, β-toxin oder Phosphatidylinositol abhängige Phospholipase C nicht am phagosomalen Ausbruch beteiligt. Durch die Hemmung der bakteriellen DNA-abhängigen RNA Polymerase mit Rifampicin wurde der Zeitpunkt für den Ausbruch auf etwa 2,5 Stunden nach der Infektion eingegrenzt. Der phagosomale Ausbruch ist weiterhin für die intrazelluläre Replikation von S. aureus notwendig. Während Stämme, die nicht ausbrechen können in der angesäuerten Vakuole nicht replizieren können, bietet das Zytoplasma ein reichhaltiges Milieu für die Vermehrung. Zudem wird der Pathogen induzierte Zelltod erst nach dem phagosomalen Ausbruch und mit anschließender Vermehrung ermöglicht. Nachgewiesen wurde dies mittels psmα und lukAB defizienten Mutanten welche signifikant weniger zytotoxisch waren als der Wildtyp Stamm. Diese Studie zeigt darüber hinaus, dass der phagosomale Ausbruch nicht nur durch bakterielle Toxine vermittelt wird. Sondern, dass die Phagozyten-spezifischen Rezeptoren für beide relevanten Toxine, FPR2 (PSMα Rezeptor) und CD11b (LukAB Rezeptor), in Epithel- und Endothelzellen nach Infektion mit S. aureus calciumabhängig produziert werden und für den Ausbruch notwendig sind. Der knockdown beider Rezeptoren mittels siRNA verhindert den Ausbruch. Wird der intrazelluläre Calciumstrom mittels des Inositoltrisphosphat Rezeptor (IP3R) Inhibitor 2-APB blockiert können die Gene fpr2 und cd11b nicht hochreguliert werden und der Ausbruch wird ebenfalls verhindert. Folglich zeigt diese Studie, dass der phagosomale Ausbruch und Pathogen induzierte Zelltod sowohl durch bakterielle Toxine als auch Wirtsfaktoren vermittelt wird.

Staphylococcus aureus is a prevalent commensal bacterium which represents one of the leading causes in health care-associated bacterial infections worldwide and can cause a variety of different diseases ranging from simple abscesses to severe and life threatening infections including pneumonia, osteomyelitis and sepsis. In recent times multi-resistant strains have emerged, causing severe problems in nosocomial as well as community-acquired (CA) infection settings, especially in the United States (USA). Therefore S. aureus has been termed as a superbug by the WHO, underlining the severe health risk originating from it. Today, infections in the USA are dominated by S. aureus genotypes which are classified as USA300 and USA400, respectively. Strains of genotype USA300 are responsible for about 70% of the CA infections. The molecular mechanisms which render S. aureus such an effective pathogen are still not understood in its entirety. For decades S. aureus was thought to be a strictly extracellular pathogen relying on pore-forming toxins like α-hemolysin to damage human cells and tissue. Only recently it has been shown that S. aureus can enter non-professional phagocytes, using adhesins like the fibronectin-binding proteins which mediate an endocytotic uptake into the host cells. The bacteria are consequently localized to endosomes, where the degradation of enclosed bacterial cells through phagosome maturation would eventually occur. S. aureus can avoid degradation, and translocate to the cellular cytoplasm, where it can replicate. The ability to cause this so-called phagosomal escape has mainly been attributed to a family of amphiphilic peptides called phenol soluble modulins (PSMs), but as studies have shown, they are not sufficient. In this work I used a transposon mutant library in combination with automated fluorescence microscopy to screen for genes involved in the phagosomal escape process and intracellular survival of S. aureus. I thereby identified a number of genes, including a non-ribosomal peptide synthetase (NRPS). The NRPS, encoded by the genes ausA and ausB, produces two types of small peptides, phevalin and tyrvalin. Mutations in the ausAB genes lead to a drastic decrease in phagosomal escape rates in epithelial cells, which were readily restored by genetic complementation in trans as well as by supplementation of synthetic phevalin. In leukocytes, phevalin interferes with calcium fluxes and activation of neutrophils and promotes cytotoxicity of intracellular bacteria in both, macrophages and neutrophils. Further ausAB is involved in survival and virulence of the bacterium during mouse lung pneumoniae. The here presented data demonstrates the contribution of the bacterial cyclic dipeptide phevalin to S. aureus virulence and suggests, that phevalin directly acts on a host cell target to promote cytotoxicity of intracellular bacteria. / Staphylococcus aureus ist ein weit verbreitetes kommensales Bakterium, welches zugleich einer der häufigsten Verursacher von Krankenhausinfektionen ist, und eine Reihe verschiedener Krankheiten, angefangen bei simplen Abszessen, bis hin zu schweren Erkrankungen wie Lungenentzündung, Osteomylitis und Sepsis verursachen kann. Das Risiko durch nosokomiale sowie epidemische S. aureus Infektionen ist in den vergangenen Jahren weiter gestiegen. Dazu beigetragen hat das Auftreten multiresistenter und hoch cytotoxischer Stämme, vor allem in den USA. Als Konsequenz hat die WHO S. aureus inzwischen als „Superbug“ tituliert und als globales Gesundheitsrisiko eingestuft. Bei CA-Infektionen dominieren die Isolate der Klassifizierung USA300 und USA400, wobei den Erstgenannten bis zu 70% aller in den USA registrierten CA-MRSA Infektionen der letzten Jahre zugesprochen werden. Lange Zeit wurde angenommen, dass S. aureus strikt extrazellulär im Infektionsbereich vorliegt und die cytotoxische Wirkung von z.B. α-Toxin für Wirtszelltod und Gewebeschädigungen verantwortlich ist. Erst vor kurzem wurde festgestellt, dass S. aureus auch durch fakultativ phagozytotische Zellen, wie Epithel- oder Endothelzellen, mittels zahlreicher Adhäsine aufgenommen wird. Die Aufnahme in die Zelle erfolgt zunächst in ein Phagoendosom, in dem die Pathogene durch antimikrobielle Mechanismen abgebaut würden. Um dies zu verhindern, verfügt S. aureus über Virulenzfaktoren, welche die endosomale Membran schädigen. Die Bakterien gelangen so in das Zellzytoplasma, wo sie sich vervielfältigen können, bevor die Wirtszelle schließlich getötet wird. Eine wichtige Funktion in diesem Vorgang konnte bereits in mehreren Studien den Phenol löslichen Modulinen (PSM) zugesprochen werden, Arbeiten unserer Gruppe deuten jedoch darauf hin, dass diese nicht alleine für den phagosomalen Ausbruch von S. aureus verantwortlich sind. In dieser Arbeit verwendete ich eine Transposon Mutantenbibliothek des S. aureus Stammes JE2 (USA300) in Verbindung mit automatisierter Fluoreszenzmikroskopie, um Gene zu identifizieren, die den phagosomalen Ausbruch von S. aureus beeinflussen. Unter den Mutanten, welche eine Minderung der Ausbruchsraten zeigten, fanden sich auch Mutanten in beiden Genen eines Operons, welches für die nicht-ribosomale Peptidsynthetase AusA/B codiert, die die beiden Dipeptide Phevalin und Tyrvalin produziert. Verminderte Ausbruchsraten konnten sowohl durch genetische Komplementation als auch mittels des Zusatzes synthetischen Phevalins wiederhergestellt werden. In Leukozyten verhindert Phevalin effizienten Calcium-Flux und die Aktivierung von Neutrophilen. Zudem fördert Phevalin die Cytotoxizität intrazellulärer Bakterien sowohl in Makrophagen, als auch Neutrophilen. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass die NRPS AusAB und ihre Produkte eine Rolle beim Überleben der Bakterien während einer Infektion im Tiermodell einnehmen. Die hier präsentierten Daten hinsichtlich des Einflusses von Phevalin auf Virulenz und der Interaktion zwischen Wirt und Pathogen lassen den Schluss zu, dass Phevalin direkt auf einen Wirtszellfaktor wirkt, um die Cytotoxicität intrazellulärer Bakterien zu stärken.