Der Hefepilz Candida albicans ist Teil der natürlichen Mikroflora auf den Schleimhäuten des Verdauungs- und Urogenitaltrakts der meisten gesunden Menschen. Allerdings kann C. albicans vor allem in immunsupprimierten Patienten auch schwerwiegende Infektionen verursachen. Diese reichen von oberflächlichen Mykosen bis hin zu lebensbedrohlichen systemischen Infektionen. C. albicans besitzt eine Reihe von Eigenschaften, die es diesem opportunistisch humanpathogenen Pilz ermöglichen unterschiedliche Wirtsgewebe zu kolonisieren und zu infizieren. Ein wichtiger Virulenzfaktor sind sekretorische Aspartylproteasen (SAPs), die von einer großen Genfamilie von zehn SAP-Genen codiert werden. Die SAPs werden während der Infektion differentiell exprimiert und übernehmen unterschiedliche Rollen im Infektionsverlauf. So tragen sie zur Adhärenz bei, können Wirtsbarrieren und Moleküle der Wirtsimmunabwehr zerstören oder liefern Nährstoffe, indem sie Proteine abbauen. Unter den zehn SAP-Genen ist SAP2 für ein Wachstum von C. albicans auf Proteinen als alleiniger Stickstoffquelle verantwortlich. Allerdings ist wenig über die Regulation der SAP2-Expression und über die Aufnahme der proteolytischen Abbauprodukte in die Zelle bekannt. In dieser Arbeit wurde eine Familie von Oligopeptidtransportern von C. albicans funktionell analysiert. Da aus früheren Arbeiten bekannt war, dass SAP2 durch Peptide mit mindestens acht Aminosäuren induziert werden kann, könnten einzelne Mitglieder dieser Familie neben der Transportfunktion auch eine Sensorfunktion für Peptide übernehmen und somit über einen Signalweg SAP2 induzieren. In der Genomsequenz von C. albicans wurden neben dem bereits beschriebenen OPT1-Gen sieben weitere Gene identifiziert, deren Genprodukte signifikante Homologie zu Opt1p aufwiesen und die deshalb als OPT2-OPT8 bezeichnet wurden. Um die Rolle dieser putativen Oligopeptidtransporter bei der SAP2-Induktion und beim Transport der durch Sap2p-Aktivität bereitgestellten proteolytischen Abbauprodukte zu untersuchen, wurden Mutanten hergestellt, in denen die OPT-Gene spezifisch deletiert waren. Zu diesem Zweck wurde eine Methode zur gezielten Geninaktivierung etabliert, die auf einem neuen, recycelbaren dominanten Selektionsmarker (caSAT1) beruht, der Resistenz gegen Nourseothricin verleiht. Die “SAT1-Flipping“-Strategie kann direkt in C. albicans Wildstämmen angewendet werden und umgeht somit alle Probleme, die mit der Verwendung von auxotrophen Ausgangsstämmen verbunden sind. Alle Mutanten, in denen jeweils eines der OPT-Gene inaktiviert war, verhielten sich wie der Wildtyp und zeigten keinen Wachstumsdefekt auf bovinem Serumalbumin (BSA) als alleiniger Stickstoffquelle, während eine sap2-Nullmutante unter diesen Bedingungen nicht wachsen kann. Somit ist kein einzelnes OPT-Gen für C. albicans notwendig, um auf BSA als alleiniger Stickstoffquelle zu wachsen. Dagegen zeigten opt123-Triplemutanten ähnlich wie die sap2-Mutante einen starken Wachstumsdefekt auf BSA als alleiniger Stickstoffquelle, der durch Reintegration einer intakten Kopie von OPT1, OPT2 oder OPT3 wieder aufgehoben werden konnte. Der Wachstumsdefekt der opt123-Triplemutanten war nicht auf eine fehlende Induktion von SAP2 zurückzuführen, sondern auf das Unvermögen dieser Mutanten, die durch den proteolytischen Abbau von BSA entstandenen Peptide zu transportieren. Mit Hilfe von Reportergenen konnte gezeigt werden, dass die einzelnen OPT-Gene differentiell exprimiert werden. Während keines der Gene in einem Vollmedium (YPD) exprimiert wurde, wurde eine starke Induktion von OPT1 und OPT3 in Gegenwart von BSA als alleiniger Stickstoffquelle beobachtet. Nach Expression von OPT4 und OPT5 unter Kontrolle des konstitutiven ADH1-Promotors in den opt123-Triplemutanten konnte deren Wachstumsdefekt auf BSA als alleiniger Stickstoffquelle ebenfalls kompensiert werden, während die zusätzliche Deletion dieser Gene in den dabei entstandenen opt1234-Quadruple- und opt12345-Quintuplemutanten den Wachstumsdefekt noch verstärkte. Diese Ergebnisse bestätigten, dass die Gene OPT1-OPT5 für funktionelle Oligopeptidtransporter codieren. Weitere Experimente zeigten, dass die Oligopeptidtransporter unterschiedliche Substratpräferenzen haben. Während das Tetrapeptid LWMR für Stämme, die spezifisch OPT3, OPT4, oder OPT5 exprimierten, ein besseres Substrat war als das Tetrapeptid LSKL, konnten Stämme, die spezifisch OPT2 exprimierten, das LSKL-Peptid verwerten, nicht aber das LWMR-Peptid. Experimente mit Peptiden definierter Länge und Zusammensetzung wiesen außerdem darauf hin, dass die Oligopeptidtransporter in der Lage sind, auch längere Peptide mit bis zu mindestens acht Aminosäuren zu transportieren. Die Evolution einer Genfamilie, die für Oligopeptidtransporter mit unterschiedlicher Substratpräferenz codieren, hat deshalb vermutlich dazu beigetragen, dass C. albicans Proteine sehr effizient als Stickstoffquelle verwerten und sich an die Nahrungsbedingungen in verschiedenen Wirtsnischen optimal anpassen kann. / The yeast Candida albicans is a member of the microflora on mucosal surfaces of the gastrointestinal and urogenitary tract in most healthy people. However, in immunocompromised patients C. albicans can cause superficial as well as life-threatening systemic infections. C. albicans exhibits a variety of characteristics that enable this opportunistic human fungal pathogen to colonize and infect different host tissues. Among these virulence factors are secreted aspartic proteinases (SAPs), which are encoded by a family of ten SAP genes. The SAPs are differentially expressed during infection and play different roles in disease progression by contributing to adherence, by degrading tissue barriers and host defence molecules or by providing nutrients through the digestion of proteins. Of the ten SAP genes, SAP2 enables C. albicans to grow on proteins as a sole source of nitrogen. However, little is known about how SAP2 expression is regulated and how proteolytic products are taken up into the cell. In this work a family of oligopeptide transporters of C. albicans was functionally characterized. Since earlier studies had demonstrated that SAP2 expression can be induced by peptides of at least eight amino acids in length, oligopeptide transporters, in addition to transporting peptides, might also serve as sensors which in the presence of peptides activate a signalling pathway that induces SAP2 expression. Beside the already described OPT1 gene, seven additional genes were identified in the C. albicans genome sequence whose encoded products exhibit significant similarity to Opt1p and hence were designated as OPT2-OPT8. To elucidate the role of these putative oligopeptide transporters in SAP2 induction and in the uptake of proteolytic products provided by Sap2p activity, a series of mutants lacking specific OPT genes was constructed. For this purpose, a method for targeted gene inactivation was established that relies on the use of a new recyclable, dominant selection marker, caSAT1, which confers resistance to nourseothricin upon C. albicans transformants. The SAT1 flipping strategy can be used directly in C. albicans wild-type strains and, therefore, circumvents all problems related to the use of auxotrophic host strains. All knockout mutants lacking single OPT genes behaved like the wild-type parental strain and did not show a growth defect in a medium containing bovine serum albumin (BSA) as the sole nitrogen source, conditions in which a sap2 null mutant can not grow. Therefore, no single OPT gene is required for growth of C. albicans on BSA as the sole source of nitrogen. In contrast, opt123 triple mutants, similar to a sap2 mutant, had a severe growth defect on BSA as the sole nitrogen source, which could be rescued by reintroduction of an intact copy of either OPT1, OPT2 or OPT3. The poor growth of the opt123 triple mutants was not caused by failure to induce SAP2 expression but by the inability of these mutants to efficiently transport the peptides produced by proteolytic degradation of BSA into the cell. By using reporter genes it could be demonstrated that individual members of the OPT gene family are differentially expressed. While none of the OPT genes was detectably expressed in rich YPD medium, a strong induction of OPT1 and OPT3 was observed in the presence of BSA as the sole nitrogen source. Forced expression of OPT4 and OPT5 under control of the constitutive ADH1 promoter in the opt123 triple mutants also complemented their growth defect on BSA as a sole nitrogen source, whereas the additional deletion of these genes in the resulting opt1234 quadruple and opt12345 quintuple mutants exacerbated the growth defect. These results confirmed that at least OPT1-OPT5 encode functional oligopeptide transporters. Additional experiments showed that the individual oligopeptide transporters differ in their substrate preferences. While the tetrapeptide LWMR was a better substrate than the tetrapeptide LSKL for strains that specifically expressed OPT3, OPT4 or OPT5, strains specifically expressing OPT2 grew on the LSKL peptide, but not on the LWMR peptide. Furthermore, experiments with peptides of defined length and sequence suggested that the oligopeptide transporters are also able to transport longer peptides up to at least eight amino acids in length. Therefore, the evolution of a gene family encoding oligopeptide transporters with different substrate preferences probably contributed to the ability of C. albicans to efficiently utilize proteins as a nitrogen source and adapt to the nutritional conditions in different host niches.

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.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007.

Charité, Universiẗat-Med., Diss--Berlin, 2005.

Ulm, Univ. Diss., 2005.

Zugl.: Berlin, Humboldt-Univ., Diss., 2007

Zugl.: Giessen, Universiẗat, Diss., 2008.

Zugl.: Giessen, Universiẗat, Diss., 2008.

Zugl.: Bielefeld, Universiẗat, Diss., 1997.

Würzburg, Univ., Diss., 2009. / Zsfassung in dt. Sprache.