Frankfurt (Main), Univ., Diss., 2002.

Universiẗat, Diss., 1997--Konstanz.

Techn. Universiẗat, Diss., 2002--Berlin.

Universiẗat, Diss., 2001--Stuttgart. / Gedr. Ausg. im Inst. für Technische Biochemie der Univ. Stuttgart.

Universiẗat, Diss., 2004--München.

Die Gattung Borrelia gehört zur Abteilung der Spirochäten, einem alten Zweig der Bakteriendomäne, der nur entfernt mit Gram-negativen Bakterien verwandt ist. Sämtliche Arten dieser Gattung sind obligate Parasiten. Borrelien können in die Erreger zweier humaner Krankheiten eingeteilt werden: die Lyme-Borreliose und das Rückfallfieber. Borrelien besitzen mit 0.91 Mb ein sehr kleines Chromosom und sind daher in ihren metabolischen Fähigkeiten eingeschränkt. Folglich ist das Überleben sämtlicher Borrelienarten absolut abhängig von Nährstoffen, die von ihren Wirten bereitgestellt werden. Der Transport dieser Nährstoffe und anderer Moleküle über die äußere Membran wird durch porenformende Proteine, so genannte Porine ermöglicht. Porine sind wassergefüllte Kanäle, die in zwei Klassen unterteilt werden können: allgemeine Diffusionsporen und substratspezifische Porine. Aus dem Lyme-Borreliose Erreger Borrelia burgdorferi wurden bisher drei mutmaßliche Porine charakterisiert und beschrieben: P13, Oms28 und P66. Demgegenüber sind die Kenntnisse über Porine in Rückfallfieberarten rudimentär und es wurde bisher noch kein einziges Porin für Vertreter dieser Krankheit identifiziert. Unter Berücksichtigung dieses Hintergrunds war die allgemeine Zielsetzung dieser Arbeit, einen Einblick in die Porinzusammensetzung von sowohl Lyme Borreliose- als auch Rückfallfieber-Spirochäten zu erlangen. Dieses Ziel konnte erreicht werden, indem Porine aus den Außenmembranen von Borrelien isoliert und identifiziert wurden und anschließend biophysikalisch in künstlichen Lipidmembranen charakterisiert wurden. Ein Kapitel dieser Arbeit beschreibt die Identifizierung und Charakterisierung des ersten Porins aus Rückfallfiebererregern. Das porenformende Protein wurde aus den Außenmembranen von Borrelia duttonii, Borrelia hermsii und Borrelia recurrentis isoliert und Oms38 genannt, für „outer membrane-spanning protein of 38 kDa“. Die biophysikalische Charakterisierung mit der „black lipid bilayer“ Methode zeigte, dass Oms38 kleine, wassergefüllte Kanäle mit einer Einzelkanalleitfähigkeit von 80 pS in 1 M KCl bildet. Diese Kanäle sind nicht spannungsabhängig und leicht selektiv für Anionen mit einem Permeabilitätsverhältnis von Kationen zu Anionen von 0,41 in KCl. Ein homologes Protein zu Oms38 wurde in den Lyme Borreliose Erregern Borrelia burgdorferi, Borrelia garinii und Borrelia afzelii identifiziert. Das porenformende Protein dieser Arten weist eine hohe Sequenzhomologie zu Oms38 auf und zeigt ähnliche biophysikalische Eigenschaften, das heißt es formt Poren von 50 pS in 1 M KCl. Durch Titrationsexperimente konnte gezeigt werden, dass die Pore teilweise durch Dicarboxylate blockiert werden kann. Eine Auswertung dieser Versuche legte nahe, dass dieses Protein keine allgemeine Diffusionspore darstellt, sondern einen Kanal mit einer spezifischen Bindestelle für diese Komponenten. Daher wurde dieses Porin DipA genannt, was für „dicarboxylate-specific porin A“ steht. In einer anderen Versuchsreihe wurde gezeigt, dass das Porin P66 sowohl in Lyme Borreliose Erregern als auch in Rückfallfieberarten vorhanden ist. Hierfür wurden die Außenmembranen der Lyme Borreliose Erreger Borrelia burgdorferi, Borrelia afzelii und Borrelia garinii und der Rückfallfieberarten Borrelia duttonii, Borrelia recurrentis und Borrelia hermsii genauer untersucht. Mit Ausnahme des P66 Homologs von Borrelia hermsii rekonstituierten P66 Proteine aus allen Arten sehr aktiv in künstliche Membranen und formten Poren zwischen 9 und 11 nS in 1 M KCl. Die biophysikalischen Eigenschaften der Homologe wurden in Experimenten mit „black lipid bilayer“ Membranen ausführlich verglichen. Des Weiteren wurden Porendurchmesser und Konstitution des Borrelia burgdorferi Porins P66 genau untersucht. Hierfür wurde die P66 Einzelkanalleitfähigkeit in Anwesenheit von verschiedenen Nichtelektrolyten in künstlichen Lipidmembranen analysiert. Der effektive Durchmesser des P66 Wasserlumens wurde auf ~1.9 nm bestimmt. Darüber hinaus konnte P66 mit bestimmten Nichtelektrolyten wie PEG 400, PEG 600 und Maltohexaose blockiert werden. Weitere Blockierungsexperimente auf Einzelkanalebene deckten sieben Unterzustände von P66 auf, die auf ein P66 Heptamer schließen ließen. Dieser heptamere Charakter konnte durch Blue native PAGE Analysen bestätigt werden. Zusammenfassend beschreibt diese Dissertation detaillierte biochemische und biophysikalische Untersuchungen von Porinen aus sowohl Lyme Borreliose- als auch Rückfallfieber-Borrelien. Erkenntnisse aus dieser Arbeit bringen das Verstehen der Nährstoffaufnahme über Außenmembranen dieser streng wirtsabhängigen, pathogenen Spirochäten einen großen Schritt vorwärts. Ein fundiertes Wissen über oberflächenexponierte Proteine wie Porine ist Vorraussetzung für die Herstellung erfolgreicher Impfstoffe und Therapeutika gegen die von Borrelien verursachten Krankheiten. / The genus Borrelia belongs to the spirochete phylum, an ancient evolutionary branch of the domain bacteria that is only afar related to Gram-negative bacteria. Borreliae can be subdivided into the agents of the two borrelian-caused human diseases, Lyme disease and relapsing fever. Both disease patterns are closely related to the peculiar biology of Borrelia species and exhibit a wide spectrum of diverse clinical manifestations. Due to the small 0.91 Mb chromosome, borreliae have a lack of biosynthetic capacity. Thus, all Borrelia species are highly dependent on nutrients provided by their hosts. The transport of nutrients and other molecules across the outer membrane is enabled by pore-forming proteins, so-called porins. Porins are water-filled channels and can be subdivided into two different classes, general diffusion pores and substrate-specific porins. In terms of the Lyme disease agent Borrelia burgdorferi, three putative porins were characterized in previous studies: P13, Oms28 and P66. In contrast to Lyme disease species, the porin knowledge of relapsing fever Borrelia is low, which means that not any porin has actually been described for representatives of these agents. Thus, the general aim of this thesis was to provide insight into the porin content of both, Lyme disease and relapsing fever spirochetes. This aim could be achieved by isolating and identifying porins from Borrelia outer membranes and by biophysically characterizing them in artificial lipid membranes. In one chapter of this study, the first identification and characterization of a relapsing fever porin is presented. The pore-forming protein was isolated from outer membranes of Borrelia duttonii, Borrelia hermsii and Borrelia recurrentis and designated Oms38, for “outer membrane-spanning protein of 38 kDa”. Biophysical characterization of Oms38 was achieved by using the black lipid bilayer method and demonstrated that Oms38 forms small, water-filled channels with a single-channel conductance of 80 pS in 1 M KCl. The Oms38 channel did not exhibit voltage-dependent closure and is slightly selective for anions with a permeability ratio of cations over anions of 0.41 in KCl. Subsequently, a protein homologous to Oms38 was identified in the Lyme disease agents Borrelia burgdorferi, Borrelia garinii and Borrelia afzelii. The pore-forming protein of these species exhibits high sequence homology to Oms38 and similar biophysical properties, i.e. it forms pores of 50 pS in 1 M KCl. Interestingly, titration experiments revealed that this pore could be partly blocked by dicarboxylic anions, which means that this protein does not form a general diffusion pore but a channel with a binding-site specific for those compounds. Consequently, this porin was termed DipA, for “dicarboxylate-specific porin A”. In another set of experiments, it was shown that the porin P66 is present in both Lyme disease and relapsing fever species. Therefor, the outer membranes of the Lyme disease species Borrelia burgdorferi, Borrelia afzelii, Borrelia garinii and the relapsing fever species Borrelia duttonii, Borrelia recurrentis and Borrelia hermsii were closer investigated. Except of the P66 homologue of Borrelia hermsii P66 of all species was highly active in artificial lipid membranes, forming pores with huge single-channel conductances between 9 and 11 nS in 1 M KCl. Moreover, the channel diameter and the constitution of Borrelia burgdorferi P66 were investigated in detail. Therefor, the P66 single-channel conductance in the presence of different nonelectrolytes with known hydrodynamic radii was analyzed in black lipid bilayers. The effective diameter of the P66 channel lumen was determined to be ~1.9 nm. Furthermore, as derived from multi-channel experiments the P66-induced membrane conductance could be blocked by certain nonelectrolytes, such as PEG 400, PEG 600 and maltohexaose. Additional blocking experiments on the single-channel level revealed seven subconducting states and indicated a heptameric constitution of the P66 channel. This indication could be confirmed by Blue native PAGE analysis which demonstrated that P66 units form a complex with a corresponding mass of approximately 440 kDa. Taking together, this thesis describes detailed biochemical and biophysical investigations of both Lyme disease and relapsing fever Borrelia porins and represents an important step forward in understanding the outer membrane pathways for nutrient uptake of these strictly host-dependent, pathogenic spirochetes. Furthermore, it provides some knowledge of the outer-membrane protein composition of Borrelia spirochetes. A profound knowledge of surface-exposed proteins, such as porins, is one precondition for the production of a successful vaccine and the drug design against the two borrelian-caused diseases.

The multidrug and toxic compounds extrusion (MATE) family includes hundreds of functionally uncharacterised proteins from bacteria and all eukaryotic kingdoms except the animal kingdom, that function as drug/toxin::Na⁺ or H⁺ antiporters. In <i>Arabidopsis thaliana</i> the MATE family comprises 56 members, one of which is NIC2 (Novel Ion Carrier 2). Using heterologous expression systems including <i>Escherichia coli</i> and <i>Saccharomyces cerevisiae</i>, and the homologous expression system of <i>Arabidopsis thaliana</i>, the functional characterisation of NIC2 was performed. It has been demonstrated that NIC2 confers resistance of <i>E. coli</i> towards the chemically diverse compounds such as tetraethylammonium chloride (TEACl), tetramethylammonium chloride (TMACl) and a toxic analogue of indole-3-acetic acid, 5-fluoro-indole-acetic acid (F-IAA). Therefore, NIC2 may be able to transport a broad range of drug and toxic compounds. In wild-type yeast the expression of NIC2 increased the tolerance towards lithium and sodium, but not towards potassium and calcium. In <i>A. thaliana</i>, the overexpression of NIC2 led to strong phenotypic changes. Under normal growth condtions overexpression caused an extremely bushy phenotype with no apical dominance but an enhanced number of lateral flowering shoots. The amount of rossette leaves and flowers with accompanying siliques were also much higher than in wild-type plants and the senescence occurred earlier in the transgenic plants. In contrast, RNA interference (RNAi) used to silence NIC2 expression, induced early flower stalk development and flowering compared with wild-type plants. In additon, the main flower stalks were not able to grow vertically, but instead had a strong tendency to bend towards the ground. While NIC2 RNAi seedlings produced many lateral roots outgrowing from the primary root and the root-shoot junction, NIC2 overexpression seedlings displayed longer primary roots that were characterised by a 2 to 4 h delay in the gravitropic response. In addition, these lines exhibited an enhanced resistance to exogenously applied auxins, i.e. indole-3-acetic acid (IAA) and indole-3-butyric acid (IBA) when compared with the wild-type roots. Based on these results, it is suggested that the NIC2 overexpression and NIC2 RNAi phenotypes were due to decreased or increased levels of auxin, respectively. The Pro_NIC2:GUS fusion gene revealed that NIC2 is expressed in the stele of the elongation zone, in the lateral root cap, in new lateral root primordia, and in pericycle cells of the root system. In the vascular tissue of rosette leaves and inflorescence stems, the expression was observed in the xylem parenchyma cells, while in siliques it was also in vascular tissue, but as well in the dehiscence and abscission zones. The organ- and tissue-specific expression sites of NIC2 correlate with the sites of auxin action in mature Arabidopsis plants. Further experiments using Pro_NIC2:GUS indicated that NIC2 is an auxin-inducible gene. Additionally, during the gravitropic response when an endogenous auxin gradient across the root tip forms, the GUS activity pattern of the Pro_NIC2:GUS fusion gene markedly changed at the upper side of the root tip, while at the lower side stayed unchanged. Finally, at the subcellular level NIC2-GFP fusion protein localised in the peroxisomes of <i>Nicotana tabacum</i> BY2 protoplasts. Considering the experimental results, it is proposed that the hypothetical function of NIC2 is the efflux transport which takes part in the auxin homeostasis in plant tissues probably by removing auxin conjugates from the cytoplasm into peroxisomes. / &quot;Multidrug and Toxic Compounds Extrusion&quot; (MATE) &ndash; Proteine sind Membranproteine, die eine Vielzahl komplexer und giftiger Substanzen transportieren können. Sie sind weit verbreitet und kommen in Bakterien und Höheren Organismen mit Ausnahme des Tierreichs vor. Insgesamt gibt es hunderte von bisher kaum untersuchten Genen dieser Familie, die eine hohe Sequenzhomologie aufweisen. In der Pflanze Arabidopsis thaliana wurden 56 Gene der MATE - Familie zugeordnet. Eines von ihnen, der &quot;Novel Ion Carrier 2&quot; (NIC2) wurde näher charakterisiert. Dafür wurden heterologe Expressionssysteme wie Bakterien (Escherichia coli) und Hefe (Saccharomyces cerevisiae) genutzt und transgene Pflanzen (Arabidopsis thaliana) hergestellt. Es wurde gezeigt, dass NIC2 Bakterien eine Resistenz gegenüber mehreren giftigen Stoffen verlieh. In Hefe erhöhte NIC2 die Salztoleranz gegenüber Lithium und Natrium, aber nicht gegenüber Kalium und Kalzium. Das deutet darauf hin, dass NIC2 diese Stoffe transportieren kann und so zur Entgiftung beziehungsweise erhöhter Stresstoleranz beiträgt. In Pflanzen führte die Überexpression von NIC2 zu dramatischen Änderungen im Wachstum. Die Pflanzen waren buschig ohne zentralen Blütenstand, hatten jedoch eine höhere Anzahl von Blättern und Blüten und längere Wurzeln mit einer im Vergleich zu den Wildtyppflanzen verzögerten gravitropen Antwort. In Gegensatz dazu entwickelten Pflanzen, in denen die Expression von NIC2 gehemmt wurde, früh einen zentralen Blütenstand, der allerdings nicht gerade wuchs, sondern die Tendenz hatte, sich zum Boden zu biegen. Das Wurzelsystem bestand aus einer Hauptwurzel und vielen sekundären Wurzeln und war im Vergleich zu den Wildtyppflanzen besser entwickelt. Vermutlich kann die Wuchsform auf einen veränderten Gehalt des Pflanzenhormons Auxin zurückgeführt werden. Die Expression von NIC2 wird durch Auxin induziert. Experimente, in denen die Aktivität eines Gens mit Hilfe eines Reportergens nachgewiesen wird, zeigten, dass NIC2 in Wurzeln, Blättern, Blütenstielen, Blüten und Schoten aktiv ist. Innerhalb der Zelle ist NIC2 in Peroxisomen lokalisiert. Peroxisomen sind kleine Organellen, die eine Rolle im Hormonstoffwechsel spielen können, wie z.B. im Fall von Auxinen. Die Daten sprechen dafür, dass NIC2 eine Funktion beim Auxintransport und somit bei der Auxin-Homöostase hat.

University, Diss., 2007--Frankfurt (Main). / Zsfassung in engl. und dt. Sprache.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Frankfurt (Main), Univ., Diss., 2009