Göttingen, Universiẗat, Diss., 2000. / Dateiformat: zip, Dateien im PDF-Format.

Halle, Universiẗat, Diss., 2000.

Universiẗat, Diss., 2007--Marburg.

Universiẗat, Diss.--Jena, 2008.

Zur Verbesserung der Prüfung und Risikobewertung der zunehmenden Menge von Chemikalien und Arzneimitteln, gilt es neue Alternativen in Form von in vitro Prüfmethoden mit mechanistisch relevanten Endpunkten zu finden. Einen solchen Rahmen bietet das konzeptionelle Konstrukt des Adverse Outcome Pathway (AOP)- Konzepts. Es erzeugt auf der Basis bestehenden Wissens einen mechanistischen und kausalen Zusammenhang mit Hilfe von mehreren Schlüsselereignissen (Key Event [KE]) zwischen einem initierenden molekularen Ereignis (Molecular Initiating Event [MIE]) und einem adversen Effekt (Adverse Outcome [AO]) auf biologischer Ebene. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der AOP „Rezeptorvermittelte Endozytose und lysosomaler Overload führen zu Nephrotoxizität“ am Zellkulturmodell proximaler Nierentubuluszellen weiterentwickelt. Es wurden in vitro Assays für die Zelllinien RPTEC/TERT1 (Mensch) und NRK-52 E (Ratte) für jedes KE etabliert. In dem AOP wird die Initiierung der Schädigung des Nierengewebes durch rezeptorvermittelte Endozytose der Substanzen (MIE) mit folgendem lysosomalem Overload (KE 1) und der lysosomalen Membranruptur (KE 2) beschrieben. Es kommt zur Zellschädigung (KE 3) und endet mit einem Schaden auf Organebene (AO). Für KE 1 erfolgte die Visualisierung des lysosomal-assoziierten Membranproteins (lysosomal-associated Membranprotein [LAMP]) und in KE 2 die Darstellung der Protease Cathepsin D (CTSD) mittels Immunfluoreszenz. Für KE 3 wurden spezifische Toxizitätsdaten der Testsubstanzen mit dem CellTiter-Glo® Lumineszenz-Zellviabilitätstest generiert. Gewählte Stressoren für den AOP war die Gruppe der Polymyxin-Antibiotika (Polymyxin B, Colistin, Polymyxin B Nonapeptid), das Aminoglykosid Gentamicin, das Glykopeptid Vancomycin sowie Cadmiumchlorid. In Zusammenschau der Ergebnisse der drei KEs war die Rangfolge der Auswirkungen der drei Polymyxin-Derivate über alle KEs konsistent. Polymyxin B erwies sich als aktivste Substanz, während Polymyxin B Nonapeptid die geringsten Auswirkungen zeigte. Als Ausblick in weiterführenden Analysen der Arbeitsgruppe konnten bei Cadmiumchlorid trotz einer signifikanten Zytotoxizität (KE 3) nur geringe Auswirkungen in der LAMPExpression (KE 1) aufgezeigt werden. Des Weiteren erfolgte die Erstellung von Response-Response-Analysen, um mittels vorgeschalteter Schlüsselereignisse nachfolgende Effekte vorhersagen zu können. Projektpartner der Universität Utrecht entwickelten darüber hinaus eine quantitative in vitro in vivo Extrapolation (QIVIVE) mittels eines physiologisch basierten pharmakokinetischen (PBPK) Modells. / To improve testing and risk assessment of the increasing amount of chemicals and drugs, new alternatives of in vitro testing methods with mechanistically relevant endpoints need to be found. The conceptual construct of the Adverse Outcome Pathway (AOP) concept provides such a framework. It generates a mechanistic and causal relationship based on existing knowledge using multiple key events (KE) between an initiating molecular event (MIE) and an adverse outcome (AO) at a biological level. In this work, the AOP "Receptor-mediated endocytosis and lysosomal overload lead to nephrotoxicity" was further developed using a cell culture model of proximal renal tubular cells. In vitro assays were established for the RPTEC/TERT1 (human) and NRK-52E (rat) cell lines for each KE. In the AOP, initiation of renal tissue damage by receptor-mediated endocytosis of substances (MIE) with subsequent lysosomal overload (KE 1) and lysosomal membrane rupture (KE 2) is described. Cell damage occurs (KE 3) and ends with organ damage (AO). For KE 1, visualization of lysosomal-associated membrane protein (LAMP), and for KE 2, visualization of protease cathepsin D (CTSD) was used by immunofluorescence. For KE 3, specific test substance toxicity data were generated using the CellTiter-Glo® luminescence cell viability assay. Selected stressors for the AOP were polymyxin antibiotics (polymyxin B, colistin, polymyxin B nonapeptide), the aminoglycoside gentamicin, the glycopeptide vancomycin, and cadmium chloride. All results of the three KEs combined, the ranking of the effects of the three polymyxin derivatives was consistent across all KEs. Polymyxin B proved to be the most active compound, while polymyxin B nonapeptide showed the lowest effects. In further analyses of the working group, only minor effects in LAMP expression (KE 1) could be shown with cadmium chloride despite a significant cytotoxicity (KE 3). Furthermore, response-response analyses were performed to predict upstream effects by downstream key events. Project partners from Utrecht University also developed a quantitative in vitro to in vivo extrapolation (QIVIVE) using a physiologically based pharmacokinetic (PBPK) model.

Ulm, Univ., Diss., 2002.

The interaction of bacterial pathogens and the human host is a complex process that has shaped both organisms on a molecular, cellular and population level. When pathogenic bacteria infect the human body, a battle ensues between the host immune system and the pathogen. In order to escape an immune response and to colonize the host, pathogenic bacteria have developed diverse virulence strategies and some pathogens even replicate within host cells. For survival and propagation within the dynamic environment of a host cell, these bacteria interfere with the regulation of host pathways, such as the cell cycle, for their own benefit. The intracellular pathogen Salmonella Typhimurium invades eukaryotic cells and resides and replicates in a modified vacuolar compartment in which it is protected from the innate immune response. To this end, it employs a set of virulence factors that help to invade cells (SPI-1 effectors) and to hijack and modify the host endolysosomal system, in order to stabilize and mature its vacuolar niche (SPI-2 effectors). Previous studies have shown that Salmonella arrests host cells in G2/M phase and that Salmonella infected cells progress faster from G1 into S phase, suggesting that the G1 phase is disadvantageous for Salmonella infection. In fact, it has already been observed that Salmonella replication is impaired in G1 arrested cells. However, the reason for this impairment remained unclear. The current study addressed this question for the first time and revealed that the highly adapted, intracellular lifestyle of Salmonella is drastically altered upon G1 arrest of the host cell. It is shown that proteasomal degradation in G1 arrested cells is delayed and endolysosomal and autophagosomal trafficking is compromised. Accordingly, processing of lysosomal proteins is insufficient and lysosomal activity is decreased; resulting in uneven distribution and accumulation of endolysosomes and autophagosomes, containing undegraded cargo. The deregulation of these cellular signaling pathways affects maturation of the Salmonella containing vacuole (SCV). For the first time it is shown that acidification of SCVs is impaired upon G1 arrest. Thus, an important environmental factor for the switch from SPI-1 to SPI-2 gene expression is missing and the SPI-2 system is not activated. Consequently, targeting and modification of host cell structures by SPI-2 effectors e.g. recruitment of endolysosomal membrane proteins, like LAMP1, or exchange of endosomal cargo, is compromised. In addition, degradation of Salmonella SPI-1 effectors by the host proteasome is delayed. Their prolonged presence sustained the recruitment of early endosomes and contributed to the SCV remaining in an early, vulnerable maturation stage. Finally, it was shown that SCV membrane integrity is compromised; the early SCV ruptures and bacteria are released into the cytoplasm. Depending on the host cell type, SPI-2 independent, cytoplasmic replication is promoted. This might favor bacterial spreading, dissemination into the tissue and provide an advantage in host colonization. Overall, the present study establishes a link between host cell cycle regulation and the outcome of Salmonella infection. It fills the gap of knowledge as to why the host cell cycle stage is of critical importance for Salmonella infection and sheds light on a key aspect of host-pathogen interaction. / Die Interaktion zwischen bakteriellen Krankheitserregern und dem menschlichen Wirt ist ein komplexer Prozess, der beide Organismen auf molekularer, zellulärer und Populationsebene geprägt hat. Wenn pathogene Bakterien den menschlichen Körper infizieren, kommt es zu einem Kampf zwischen dem Immunsystem des Wirtes und dem Krankheitserregers. Um einer Immunantwort zu entgehen und den Wirt zu besiedeln, haben pathogene Bakterien diverse Strategien entwickelt und einige Erreger vermehren sich sogar innerhalb von Wirtszellen. Zum Überleben und zur Vermehrung innerhalb der dynamischen Umgebung einer Wirtszelle, manipulieren diese Bakterien die Regulation zellulärer Netzwerke, wie zum Beispiel den Zellzyklus, zu ihrem eigenen Vorteil. Salmonella Typhimurium, ein intrazelluläres Bakterium, dringt in eukaryotische Wirtszellen ein und vermehrt sich in einem modifizierten, vakuolären Kompartiment, welches gleichzeitig vor der angeboren Immunantwort des Wirtes schützt. Zu diesem Zweck entwickelten Salmonellen eine Reihe von Virulenzfaktoren. Diese sind zum einen für die Invasion von Zellen verantwortlich (SPI-1 Faktoren), zum anderen greifen sie das endolysosomale System der Wirtszelle an und modifizieren es, mit dem Ziel die intrazelluläre Salmonellen-enthaltende Vakuole (SCV) zu stabilisieren und reifen zu lassen (SPI-2 Faktoren). Frühere Studien haben gezeigt, dass Salmonellen ihre Wirtszellen in der G2/M Phase blockieren. Zudem gehen Salmonellen-infizierte Zellen schneller von der G1 in die S-Phase über, was auf einen Nachteil der G1-Phase für die Salmonelleninfektion hindeutet. In der Tat wurde bereits beobachtet, dass die Vermehrung von Salmonellen in G1-arretierten Zellen beeinträchtigt war. Der Grund für diese Beeinträchtigung blieb jedoch unklar. Die vorliegende Studie befasst sich zum ersten Mal mit dieser Frage und zeigt auf, dass der hoch angepasste, intrazelluläre Lebensstil von Salmonellen während des G1-Arrest der Wirtszelle dramatisch verändert wird. Im Rahmen der hier vorgelegten Arbeit wurde gezeigt, dass der proteasomale Abbau in G1-arretierten Zellen verzögert und die endolysosomalen und autophagosomalen Transportnetzwerke beeinträchtigt sind. Dementsprechend ist die Prozessierung lysosomaler Proteine unzulänglich und die lysosomale Aktivität herabgesetzt; was zu einer ungleichmäßigen Verteilung und Anreicherung von Endolysosomen und Autophagosomen führt, die nicht abgebaute Stoffwechselprodukte akkumulieren. Die Deregulierung der genannten zellulären Signalwege beeinflusst die Reifung der SCV. Es konnte hier zum ersten Mal gezeigt werden, dass die Ansäuerung der SCV in G1-arretierten Zellen inhibiert ist. Somit fehlt ein essentieller Faktor für den Wechsel von SPI-1 zu SPI-2-Genexpression und das SPI-2 System wird nicht aktiviert. Folglich findet keine Modifikation der Wirtszelle durch SPI-2-Effektoren, z.B. die Rekrutierung endolysosomaler Membranproteine, wie LAMP1 oder der Austausch endosomaler Fracht statt. Zudem ist der Abbau von bakteriellen SPI-1-Effektoren durch das Wirtsproteasom verzögert. Die verlängerte Präsenz der SPI-1 Effektoren fördert eine anhaltende Rekrutierung von frühen Endosomen und trägt zum Verbleib der SCV in einem frühen, sehr instabilen Reifestadium bei. Schließlich wurde gezeigt, dass die Integrität der SCV Membran kompromittiert ist, die Vakuole aufbricht und die Bakterien ins Zytoplasma entlassen werden. In Abhängigkeit des Wirtszelltyps wird eine SPI-2 unabhängige, zytoplasmatische Vermehrung begünstigt, was möglicherweise die Ausbreitung der Bakterien ins Gewebe erleichtert und somit einen Vorteil bei der Besiedelung des Wirtes darstellt. Insgesamt etabliert die vorliegende Studie einen Zusammenhang zwischen der Regulation des Wirtszellzyklus und dem Ergebnis einer Salmonelleninfektion. Es wird aufgezeigt, warum der Zellzyklus der Wirtszelle von entscheidender Bedeutung für den Verlauf der Salmonelleninfektion ist und beleuchtet somit einen essentiellen Aspekt der Wirt-Pathogen-Interaktion.

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Makrophagen sind professionelle phagozytische Zellen, welche körpereigene gealterte oder toten Zellen und in den Körper eingedrungene Krankheitserreger aufnehmen. Die phagozytierten Partikel werden von lysosomalen Hydrolasen abgebaut und daraus hervorgehende Antigene an Zellen des spezifischen Immunsystems präsentiert. Aufgabe der lysosomalen Phospholipase A1 (PLA1) ist der Abbau von Phospholipiden. Sie spielt damit nicht nur eine elementare Rolle bei dem Abbau von Phospholipidmembranen nach Phago- und Autophagozytose, sondern kann auch an der Generation von Lipidantigenen beteiligt sein. Die vorliegende Arbeit bietet zum ersten Mal Hinweise auf die Sequenz der lysosomalen PLA1. Mittels proteinbiochemischer Reinigung und nachfolgender massenspektrometrischer Sequenzanalyse wurden zwei Proteinkandidaten identifiziert, welche der lysosomalen PLA1-Aktivität zugrunde liegen können. Des Weiteren werden ausführliche Untersuchungen zu den Katalyseeigenschaften des Enzyms an Liposomen präsentiert. Die Lipidzusammensetzung der Membran beeinflusst maßgeblich die Aktivität der lysosomalen PLA1. So haben in die Membran integrierte anionische Phospholipide eine stark enzymaktivierende Wirkung. Eine Erhöhung der Ionenstärke oder des pH-Wertes vermindern die Bindungsfähigkeit der lysosomalen PLA1 an die Membran und damit deren Aktivität. Dies lässt vermuten, dass elektrostatische Wechselwirkungen eine Rolle bei der Membranbindung spielen. Das Enzym besitzt pIs / Macrophages are professional phagocytes which engulf and degrade senescent and dead cells as well as pathogens. Phagocytosed particles are subsequently degraded by lysosomal enzymes. The lysosomal phospholipase A1 (PLA1) degrades phospholipids, the major components of biological membranes and, hence, plays a mandatory role in decomposition of phagocytosed and autophagocytosed membranes. Furthermore the enzyme might play a role in the processing of lipid antigens for immune presentation. Nevertheless, the gene encoding this important enzyme activity is as yet unknown. Here, we used proteinbiochemical methods to isolate the lysosomal PLA1 activity from RAW B cells and identified resulting sequences by tandem mass spectrometry. This analysis revealed for the first time two putative protein candidates responsible for lysosomal PLA1 activity. Using native enzyme fractions and liposome-embedded substrate, we show that PLA1 activity depends on the presence of anionic phospholipids, low pH and low ionic strength. Lysosomal PLA1 only attaches to membranes with anionic but not zwitterionic charges. High ionic strength impairs binding demonstrating that electrostatic attraction is responsible for membrane partitioning. Upon binding the enzyme remains on membranes for numerous catalytic cycles. The enzyme’s pIs at

Lysosomes are acidic, hydrolase-rich vesicles capable of degrading most biological macromolecules. During the past several decades, much has been learned about different aspects of lysosome biogenesis. The selective phosphorylation of mannose residues on lysosomal enzymes, in conjunction with specific receptors for the mannose-6-phosphate recognition marker, has been found to be largely responsible for the targeting of newly synthesized lysosomal enzymes to lyzosomes. It is known that lysosomes receive input from both the endocytotic and biosynthetic pathways. Nevertheless the exact molecular mechanisms responsible for sorting of the biosynthetic imput involved in the lysosome biogenesis is still a matter of debate. Because osteoclast precursors do not secrete their lysosomal enzymes and osteoclasts do, the observation of modifications occuring during osteoclastogenesis is a good model to observe mechanisms responsible for lysosomal enzymes traffic. Osteoclasts are bone-degrading cells. To perform this specific task they have to reorganise the sorting of their lysosomal enzymes to be able to target them toward the bone surface in mature cells. Since few years, the differentiation of osteoclasts in vitro did help to study these cells. Osteoclast morphology has been therefore already well studied, and the nature of their specific membrane domains is now established. Sensing the proximity of a bone-like surface the cell reorganises its cytoskeleton, and creates specific membrane domains: an actin-rich ring-like zone (named actin ring) surrounded by highly ruffled membrane (named the ruffled border) where enzymes are secreted, while subsequent bone degradation products are endocytosed. Endocytosed material is then transported through the cell inside transcytotic vesicles and released at the top of the cell in an area named the functional secretory domain. Several molecular machineries are thought to control these different phenomena. The main purpose of this thesis was to identify the major regulators of lysosomal enzymes secretion and therefore to identify the molecular switches responsible for such a membrane traffic re-organisation.