Zugl.: Freiburg (Breisgau), Univ., Magisterarbeit, 2004

Im gleichen Maße wie informatisches Wissen mehr und mehr in den wissenschaftlichen Alltag aller Lebenswissenschaften Einzug gehalten hat, hat sich der Schwerpunkt bioinformatischer Forschung in stärker mathematisch und informatisch-orientierte Themengebiete verschoben. Bioinformatik heute ist mehr als die computergestützte Verarbeitung großer Mengen an biologischen Daten, sondern hat einen entscheidenden Fokus auf der Modellierung komplexer biologischer Systeme. Zur Anwendung kommen hierbei insbesondere Theorien aus dem Bereich der Stochastik und Statistik, des maschinellen Lernens und der theoretischen Informatik. In der vorliegenden Dissertation beschreibe ich in Fallstudien die systematische Modellierung biologischer Systeme aus einem informatisch - mathematischen Standpunkt unter Anwendung von Verfahren aus den genannten Teilbereichen und auf unterschiedlichen Ebenen biologischer Abstraktion. Ausgehend von der Sequenzinformation über Transkriptom, Metabolom und deren regulatorischer Interaktion hin zur Modellierung von Populationseffekten werden hierbei aktuelle biologische Fragestellungen mit mathematisch - informatischen Modellen und einer Vielzahl experimenteller Daten kombiniert. Ein besonderer Augenmerk liegt dabei auf dem Vorgang der Modellierung und des Modellbegriffs als solchem im Rahmen moderner bioinformatischer Forschung. Im Detail umfassen die Projekte (mehrere Publikationen) die Entwicklung eines neuen Ansatzes zur Einbettung und Visualisierung von Multiplen Sequenz- und Sequenz-Strukturalignments, illustriert am Beispiel eines Hemagglutininalignments unterschiedlicher H5N1 Varianten, sowie die Modellierung des Transkriptoms von A. thaliana, bei welchem mit Hilfe einer kernelisierten nicht-parametrischen Metaanalyse neue, an der Infektionsabwehr beteiligten, Gene ausfindig gemacht werden konnten. Desweiteren ist uns mit Hilfe unserer Software YANAsquare eine detaillierte Untersuchung des Metabolismus von L. monocytogenes unter Aktivierung des Transkriptionsfaktors prfA gelungen, dessen Vorhersagen durch experimentelle 13C Isotopologstudien belegt werden konnten. In einem Anschlußprojekt war der Zusammenhang zwischen Regulation des Metabolismus durch Regulation der Genexpression und der Fluxverteilung des metabolischen Steady- State-Netzwerks das Ziel. Die Modellierung eines komplexen organismischen Phänotyps, der Zellgrößenentwicklung der Diatomee Pseudo-nitzschia delicatissima, schließt die Untersuchungen ab. / In the same way that informatical knowledge has made its way into almost all areas of research in the Life Sciences, the focus of bioinformatical research has shifted towards topics originating more in the fields of mathematics and theoretical computer science. Bioinformatics today is more than the computer-driven processing of huge amounts of biological data, but it has a special focus on the emphmodelling of complex biological systems. Of special importance hereby are theories from stochastics and statistics, from the field of machine learning and theoretical computer science. In the following dissertation, I describe the systematic modelling of biological systems from an informatical-mathematical point of view in a case studies approach, applying methods from the aforementioned areas of research and on different levels of biological abstraction. Beginning with the sequence information itself, followed by the transcriptome, metabolome and the interaction of both and finally population effects I show how current biological questions can be tackled with mathematical models and combined with a variety of different experimental datasets. A special focus lies hereby on the procedure of modelling and the concept and notion of a model as such in the framework of bioinformatical research. In more detail, the projects contained the development of a new approach for embedding and visualizing Multiple Sequence and Structure Alignments, which was illustrated using a hemagglutinin alignment from different H5N1 variants as an example. Furthermore we investigated the A. thaliana transcriptome by means of a kernelized non-parametric meta-analysis, thus being able to annotate several new genes as pathogen-defense related. Another major part of this work was the modelling of the metabolic network of L. monocytogenes under activation of the transcription factor prfA, establishing predictions which were later verified by experimental 13C isotopologue studies. Following this project we investigated the relationship between the regulation of metabolism by changes in the cellular genexpression patterns and the flux distributions of the metabolic steady-state network. Modelling of a complex organismal property, the cell size development of the planktonic diatom Pseudo-nitzschia delicatissima concludes this work.

The phylum Tardigrada consists of about 1000 described species to date. The animals live in habitats within marine, freshwater and terrestrial ecosystems allover the world. Tardigrades are polyextremophiles. They are capable to resist extreme temperature, pressure or radiation. In the event of desiccation, tardigrades enter a so-called tun stage. The reason for their great tolerance capabilities against extreme environmental conditions is not discovered yet. Our Funcrypta project aims at finding answers to the question what mechanisms underlie these adaption capabilities particularly with regard to the species Milnesium tardigradum. The first part of this thesis describes the establishment of expressed sequence tags (ESTs) libraries for different stages of M. tardigradum. From proteomics data we bioinformatically identified 144 proteins with a known function and additionally 36 proteins which seemed to be specific for M. tardigradum. The generation of a comprehensive web-based database allows us to merge the proteome and transcriptome data. Therefore we created an annotation pipeline for the functional annotation of the protein and nucleotide sequences. Additionally, we clustered the obtained proteome dataset and identified some tardigrade-specific proteins (TSPs) which did not show homology to known proteins. Moreover, we examined the heat shock proteins of M. tardigradum and their different expression levels depending on the actual state of the animals. In further bioinformatical analyses of the whole data set, we discovered promising proteins and pathways which are described to be correlated with the stress tolerance, e.g. late embryogenesis abundant (LEA) proteins. Besides, we compared the tardigrades with nematodes, rotifers, yeast and man to identify shared and tardigrade specific stress pathways. An analysis of the 50 and 30 untranslated regions (UTRs) demonstrates a strong usage of stabilising motifs like the 15-lipoxygenase differentiation control element (15-LOX-DICE) but also reveals a lack of other common UTR motifs normally used, e.g. AU rich elements. The second part of this thesis focuses on the relatedness between several cryptic species within the tardigrade genus Paramacrobiotus. Therefore for the first time, we used the sequence-structure information of the internal transcribed spacer 2 (ITS2) as a phylogenetic marker in tardigrades. This allowed the description of three new species which were indistinguishable using morphological characters or common molecular markers like the 18S ribosomal ribonucleic acid (rRNA) or the Cytochrome c oxidase subunit I (COI). In a large in silico simulation study we also succeeded to show the benefit for the phylogenetic tree reconstruction by adding structure information to the ITS2 sequence. Next to the genus Paramacrobiotus we used the ITS2 to corroborate a monophyletic DO-group (Sphaeropleales) within the Chlorophyceae. Additionally we redesigned another comprehensive database—the ITS2 database resulting in a doubled number of sequence-structure pairs of the ITS2. In conclusion, this thesis shows the first insights (6 first author publications and 4 coauthor publications) into the reasons for the enormous adaption capabilities of tardigrades and offers a solution to the debate on the phylogenetic relatedness within the tardigrade genus Paramacrobiotus. / Der Tierstamm Tardigrada besteht aus derzeitig etwa 1000 beschriebenen Arten. Die Tiere leben in Habitaten in marinen, limnischen und terrestrischen Ökosystemen auf der ganzen Welt. Tardigraden sind polyextremophil. Sie können extremer Temperatur, Druck oder Strahlung widerstehen. Beim Austrocknen bilden sie ein so genanntes Tönnchenstadium. Der Grund für die hohe Toleranz gegenüber extremen Umweltbedingungen ist bis jetzt nicht aufgeklärt worden. Unser Funcrypta Projekt versucht Antworten darauf zu finden, was die hinter dieser Anpassungsfähigkeit liegenden Mechanismen sind. Dabei steht die Art Milnesium tardigradum im Mittelpunkt. Der erste Teil dieser Arbeit beschreibt die Etablierung einer expressed sequence tags (ESTs) Bibliothek für verschiedene Stadien von M. tardigradum. Aus unseren Proteomansatz konnten wir bislang 144 Proteine bioinformatisch identifizieren, denen eine Funktion zugeordnet werden konnte. Darüber hinaus wurden 36 Proteine gefunden, welche spezifisch für M. tardigradum zu sein scheinen. Die Erstellung einer umfassenden internetbasierenden Datenbank erlaubt uns die Verknüpfung der Proteom und Transkriptomdaten. Dafür wurde eine Annotations-Pipeline erstellt um den Sequenzen Funktionen zuordnen zu können. Außerdem wurden die erhaltenen Proteindaten von uns geclustert. Dabei konnten wir einige Tardigraden-spezifische Proteine (tardigrade-specific protein, TSP) identifizieren die keinerlei Homologie zu bekannten Proteinen zeigen. Außerdem untersuchten wir die Hitze-Schock-Proteine von M. tardigradum und deren differenzielle Expression in Abhängigkeit vom Stadium der Tiere. In weiteren bioinformatischen Analysen konnten wir viel versprechende Proteine und Stoffwechselwege entdecken für die beschrieben ist, dass sie mit Stressreaktionen in Verbindung stehen, beispielsweise late embryogenesis abundant (LEA) Proteine. Des Weiteren verglichen wir Tardigraden mit Nematoden, Rotatorien, Hefe und dem Menschen, um gemeinsame und Tardigraden-spezifische Stoffwechselwege identifizieren zu können. Analysen der 50 und 30 untranslatierten Bereiche zeigen eine verstärkte Nutzung von stabilisierenden Motiven, wie dem 15-lipoxygenase differentiation control element (LEA). Im Gegensatz dazu werden häufig benutzte Motive, wie beispielsweise AU-reiche Bereiche, gar nicht gefunden. Der zweite Teil der Doktorarbeit beschäftigt sich mit den Verwandtschaftsverhältnissen einiger kryptischer Arten in der Tardigradengattung Paramacrobiotus. Hierfür haben wir, zum ersten Mal in Tardigraden, die Sequenz-Struktur-Informationen der internal transcribed spacer 2 Region als phylogenetischen Marker verwendet. Dies erlaubte uns die Beschreibung von drei neuen Arten, welche mit klassischen morphologischen Merkmalen oder anderen molekularen Markern wie 18S ribosomaler RNA oder Cytochrome c oxidase subunit I (COI) nicht unterschieden werden konnten. In einer umfangreichen in silico Simulationsstudie zeigten wir den Vorteil der bei der Rekonstruktion phylogenetischer Bäume unter der Hinzunahme der Strukturinformationen zur Sequenz der ITS2 entsteht. ITS2 Sequenz-Struktur-Informationen wurden außerdem auch dazu benutzt, eine monophyletische DO-Gruppe (Sphaeropleales) in den Chlorophyceae zu bestätigen. Zusätzlich haben wir eine umfassende Datenbank, die ITS2-Datenbank, überarbeitet. Dadurch konnten die Sequenz-Struktur-Informationen verdoppelt werden, die in dieser Datenbank verfügbar sind. Die vorliegende Doktorarbeit zeigt erste Einblicke (6 Erstautor- und 4 Koautor-Publikationen) in die Ursachen für die hervorragende Anpassungsfähigkeit der Tardigraden und beschreibt die erfolgreiche Aufklärung der Verwandtschaftsverhältnisse in der Tardigradengattung Paramacrobiotus.

A major problem regarding public health is the emergence of antibiotic resistant bacterial strains, especially methicillin resistant Staphylococcus aureus (MRSA). This is mainly attributed to the unnecessary overuse of antimicrobial drugs by patients; however, one aspect that is often neglected is their untargeted mechanism of action, affecting not only the infection itself but also commensal bacteria which are often opportunistic pathogens causing many diseases as well. Therefore, our goal was to develop a bioresponsive antibiotic delivery system triggered by virulence factors. The designed system is comprised of a polymer to enhance its pharmacokinetic profile, a peptide cleavable linker, and the antibiotic agent itself. The bacterial protease aureolysin which is expressed by S. aureus during infections would cleave the linker and partially release the antibiotic which would be still attached to a remaining tetrapeptide. These would be cleaved by a group of proteases naturally present in plasma called aminopeptidases, finally releasing the compound. In the first part of this project, we searched for a suitable sequence to serve as a cleavable linker. It should be sensitive towards the target bacterial protease but not be cleaved by any human enzymes to guarantee the specificity of the system. Therefore, we synthesized three peptide sequences via Solid Phase Peptide Synthesis and incubated them with aureolysin as well as with many human matrix Metalloproteases. The analysis and quantification of enzymatic activity was monitored chromatographically (RP-HPLC). The plasminogen originated sequence was chosen since it was not sensitive towards MMPs, but cleaved by aureolysin. In the second part, we tried to incorporate the chosen peptide sequences as crosslinkers in hydrogel formulations. The purpose was to physically incorporate the antibiotic within the hydrogel, which would be released by the cleavage of those sequences and the consequent loosening the hydrogel net. For that purpose we used a commercially available hydrogel kit with a PVA matrix modified with maleimide, which allows a conjugation reaction with thiol functionalized crosslinkers. Three fluorophores were chosen to serve as antibiotic models and a diffusion assay was performed. Only the glomerular structured Green Fluorescent Protein (GFP) presented a low diffusion rate, thus the aureolysin release assays were performed only using this prototype. Assays showed that with a low hydrogel polymer concentration, the fluorophore either quickly diffused into the medium or was not released at all. The physical incorporation of the antibiotic within the hydrogel pores was therefore abolished as a suitable release approach. For a second attempt, we covalently bound a fluorophore to the linker, which was conjugated to the hydrogel matrix. The incubation with aureolysin and subsequent RP-HPLC analysis showed a peak with the same retention time correspondent to the fragment product after cleavage of the free linker. This is a proof that the concept of linking the peptide sequence to the antibiotic is a promising strategy for its bioresponsive release. Within the third part of this study, we analyzed the degradation of the resulted fragment after aureolysin activity and subsequent full release of the antibiotic by human aminopeptidases. We determined the concentration of those enzymes in human plasma and synthesized the fragment by conjugating the tetrapeptide sequence to aminofluorescein via EDC/NHS reaction. By incubating the construct with the lowest aminopeptidase concentration measured in plasma, the fluorophore was completely released within two hours, showing the efficacy of these enzymes as bioresponsive agents. The last part was the construction of the PEGylated linker-antibiotic. For this purpose we chose the tetracycline like antibiotic chelocardin (CHD) as our prototype. The conjugation of the linker- CHD to the polymer was performed by copper free click chemistry. The cleavage rate of the linker by aureolysin was very similar to the one obtained for the free peptide, indicating that the PEGylation does not interfere on the enzymatic activity. However, by trying to increase the loading ratio of chelocardin onto the polymer, we observed a very low cleavage rate for the system, indicating the formation of aggregates by those constructs. The designed system has proved to be a smart strategy for the delivery on demand of antibiotics in which the drug is only released by the presence of S. aureus during their virulent state. / Ein weltweites Problem des Gesundheitswesens ist die Entstehung von antibiotikaresistenten Bakterienstämmen, besonders Methicillin-resistenter Staphylococcus aureus (MRSA). Eine wichtige Ursache für Resistenzentwicklungen ist die unüberlegte Verschreibung von Antibiotika; allerdings das breite Wirkspektrum der meisten Substanzen ist ein stets vernachlässigter Aspekt. Dies betrifft nicht nur die Pathogene selbst, sondern auch die bakterielle Mikroflora des Patienten, die opportunistische Pathogene darstellen und in machen Fallen ebenfalls verschiedene Erkrankungen hervorrufen können. Unser Ziel ist die Entwicklung eines bioresponsiven Freisetzungssystems für Antibiotika. Das System besteht aus einem Polymer zur Optimierung der Pharmakokinetik, einem Peptidlinker sowie dem eigentlichen Antibiotikum. Die bakterielle Protease Aureolysin wird von S. aureus exprimiert, sobald sich das Bakterium in seinem virulenten Zustand befindet. Das Enzym schneidet den Linker, wodurch das Antibiotikum zum Teil freigesetzt wird. Da es noch an Aminosäureartefakte gebunden ist, muss es im Anschluss durch eine Aminopeptidase, einer Gruppe von Exoproteasen des humanen Plasmas, abgespalten werden. Die erste Phase des Projektes war die Suche nach einer passenden Peptidsequenz, die als Linker geeignet ist. Diese soll nur durch die Zielprotease und nicht durch andere humane Proteasen geschnitten werden, um die Spezifizität des Systems zu gewährleisten. Es wurden drei Sequenzen ausgewählt und mittels Festphasen-Peptidsynthese hergestellt. Diese wurden mit Aureolysin sowie humanen Matrix-Metalloproteasen (MMP) inkubiert; die Produkte wurden chromatographisch (RP-HPLC) charakterisiert und die enzymatische Aktivität bestimmt. Die von Plasminogen abgeleitete Sequenz wurde von keiner der Matrix-Metalloproteasen geschnitten, wohl aber von Aureolysin. Eine ausführliche Analyse des Aureolysin-Verdaus zeigte, dass der Linker innerhalb weniger Stunden komplett geschnitten wird. In der zweiten Phase wurde die Peptidsequenz als Crosslinker in verschiedene Hydrogelmatrices inkorporiert. Die Strategie war der physikalische Einschluss des Antibiotikums in das Hydrogel und die anschließende Freisetzung durch Spaltung dieser Sequenzen und Lockerung des Hydrogelnetzes auf molekularer Ebene. Hierfür wurde ein kommerzielles Hydrogelkit mit Maleinsäureamid-modifizierter PVA Matrix verwendet, die mit Thiol-funktionalisierten Linkern konjugiert werden können. Drei verschiedene Fluorophore wurden als Modelle für die Diffusionsversuche verwendet. Nur das glomeruläre green fluorescent protein (GFP) besaß eine ausreichend niedrige Diffusionskonstante und wurde deshalb als Prototyp für die weiteren Schneidversuche verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass der Fluorophor bei niedrigen Matrixkonzentrationen schnell aus den Poren in das umgebende Medium diffundiert, während er bei höheren Konzentrationen nicht freigesetzt wird. Die physikalische Inkorporierung des Antibiotikums wurde aus diesen Gründen verworfen und nicht durchgeführt. Als zweiter Versuch wurde der Fluorophor kovalent an den Linker gekoppelt, welcher im Anschluß an die Matrix konjugiert wurde. Die Inkubation mit Aureolysin und die nachfolgende RP-HPLC-Analyse zeigte einen Peak bei der Retentionszeit entsprechend dem Fragmentprodukt, das durch Inkubation des freien Linkers entsteht. Die kovalente Bindung zwischen der antimikrobiellen Substanz und dem Linker ist eine vielversprechende Strategie für eine bio-responsive Freisetzung. In der dritten Phase des Projektes wurde die Zersetzung des resultierenden Fragments nach Aureolysin-Verdau und die anschließende vollständige Freisetzung des Antibiotikums durch humane Aminopeptidasen untersucht. Die Konzentration an Aminopeptidasen im humanen Plasma wurde bestimmt und die durch Aureolysin entstehende Peptidsequenz an Aminofluorescein mittels EDC/NHS-Reaktion gekoppelt. Die Inkubation des Konstruktes mit der niedrigsten Aminopeptidase-Konzentration, die im Plasma bestimmt werden konnte zeigte, dass der Fluorophor in zwei Stunden vollständig freigesetzt wurde. Die letzte Phase hat sich mit der PEGylierung des Linker-Antibiotikum-Komplexes beschäftigt. Das Tetracyclin-analoge Antibiotikum Chelocardin wurde als Prototyp ausgewählt und am Helmholtz-Institut für Pharmazeutische Forschung des Saarlandes synthetisiert. Die Konjugation des Linker-CHD-Konstruktes an das Polymer wurde mittels kupferfreier Click-Chemie durchgeführt. Der PEGylierte Linker wurde in einer ähnlichen Rate durch Aureolysin geschnitten wie der freie Linker, was beweist, dass das Polymer keinen Einfluss auf die enzymatische Aktivität hat. Allerdings wurde während der Optimierung der Beladung von CHD je Polymermolekül eine sehr niedrige Freisetzung des Antibiotikums beobachtet, was durch Aggregatbildung der Konstrukte erklärt werden kann. Das entwickelte System ist eine interessante Delivery-Strategie für Antibiotika, welche hierdurch nur durch virulente S. aureus-Erreger freigesetzt werden.

In this dissertation, the author describes the creation of a basic bioinformatic model of human enamel maturation. Supported by the interactions found in the KEGG Pathway database, we were able to establish a gene regulatory network (GRN) that focuses primarily on the signal transduction pathways apoptosis, cell cycle, hedgehog signaling pathway, MAP kinase pathway, mTOR signaling pathway, Notch signaling pathway, TGF-β signaling pathway and Wnt signaling pathway. We extended this through further verified interactions and implicated the tooth-specific genes AMELX, AMELY, AMBN, ENAM and DSPP. In the subsequent simulation of the network by the simulation tool Jimena, six stable states could be identified. These are examined in more detail and juxtaposed with results of a GEO dataset. The long-term goal is to draw conclusions about the odontogenesis of humans through consistent optimization of the bioinformatics network. / In dieser Dissertation beschreibt der Autor die Erstellung eines grundlegenden bioinformatischen Modelles der menschlichen Zahnschmelzreifung. Mithilfe der KEGG Pathway-Datenbank wurde ein genregulatorisches Netzwerk (GRN) erstellt, welches maßgeblich auf den Signaltransduktionswegen Apoptose, Zellzyklus, Hedgehog-Signalweg, MAP-Kinase-Weg, mTOR-Signalweg Notch-Signalweg Signalweg, TGF-β-Signalweg und Wnt-Signalweg basiert. Im Weiteren wurde dieses Netzwerk durch zahlreiche verifizierte Wechselwirkungen erweitert und die zahnspezifischen Gene AMELX, AMELY, AMBN, ENAM und DSPP implementiert. In der anschließenden Simulation des Netzwerks mit dem Simulations-Tool Jimena konnten sechs stabile Zustände identifiziert werden. Diese wurden genauer untersucht und den Erkenntnissen eines GEO-Datensatzes gegenübergestellt. Langfristiges Ziel ist es, durch konsequente Optimierung des bioinformatischen Netzwerks Rückschlüsse auf die Odontogenese des Menschen zu ziehen.

Univ., Diss.--Münster, 2004. / Literaturverz. S. 191 - 223.

Der internal transcribed spacer 2 (ITS2) des ribosomalen Genrepeats ist ein zunehmend wichtiger phylogenetischer Marker, dessen RNA-Sekundärstruktur innerhalb vieler eukaryontischer Organismen konserviert ist. Die ITS2-Datenbank hat zum Ziel, eine umfangreiche Ressource für ITS2-Sequenzen und -Sekundärstrukturen auf Basis direkter thermodynamischer als auch homologiemodellierter RNA-Faltung zu sein. Ergebnisse: (a) Eine komplette Neufassung der ursprünglichen die ITS2-Datenbank generierenden Skripte, angewandt auf einen aktuellen NCBI-Datensatz, deckte mehr als 65.000 ITS2-Strukturen auf. Dies verdoppelt den Inhalt der ursprünglichen Datenbank und verdreifacht ihn, wenn partielle Strukturen mit einbezogen werden. (b) Die Endbenutzer-Schnittstelle wurde neu geschrieben, erweitert und ist jetzt in der Lage, benutzerdefinierte Homologiemodellierungen durchzuführen. (c) Andere möglichen RNA-Strukturaufklärungsmethoden (suboptimales und formenbasiertes Falten) sind hilfreich, können aber Homologiemodellierung nicht ersetzen. (d) Ein Anwendungsfall der ITS2-Datenbank in Zusammenhang mit anderen am Lehrstuhl entwickelten Werkzeugen gab Einblick in die Verwendung von ITS2 für molekulare Phylogenie. / The internal transcribed spacer 2 (ITS2) of the ribosomal gene repeat is an increasingly important phylogenetic marker whose RNA secondary structure is widely conserved across eukaryotic organisms. The ITS2 database aims to be a comprehensive resource on ITS2 sequence and secondary structure, based on direct thermodynamic as well as homology modelled RNA folds. Results: (a) A rebuild of the original ITS2 database generation scripts applied to a current NCBI dataset reveal more than 60,000 ITS2 structures. This more than doubles the contents of the original database and triples it when including partial structures. (b) The end-user interface was rewritten, extended and now features user-defined homology modelling. (c) Other possible RNA structure discovery methods (namely suboptimal and shape folding) prove helpful but are not able to replace homology modelling. (d) A use case of the ITS2 database in conjunction with other tools developed at the department gave insight into molecular phylogenetic analysis with ITS2.

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