In der vorliegenden Dissertation wurden verschiedene Themenbereiche bearbeitet, die zur Charakterisierung der intrazellulären, bakteriellen Endosymbionten im Mitteldarm von Ameisen der Gattung Camponotus beitrugen. Es wurden phylogenetische Untersuchungen mit Hilfe der 16S rDNA-Sequenzen der Symbionten und der Sequenzen der Cytochrom-Oxidase-Untereinheit I (COI-Sequenzen) ihrer Wirte durchgeführt, die zur näheren Klärung der Fragen zu Übertragungsweg und Stellung der Camponotus-Endosymbionten verhalfen. Untersuchungen an dreizehn verschiedenen Camponotus-Arten brachten folgende Ergebnisse. Die intrazellulären Bakterien der Ameisen gehören zur g-Subklasse der Proteobakterien. Innerhalb des 16S-Stammbaumes der Symbionten kann man drei Untergruppen unterscheiden, in denen die einzelnen Arten enger miteinander verwandt sind. Bei den nächstverwandten Bakteriennachbarn der Camponotus-Endosymbionten handelt es sich um die ebenfalls symbiontisch lebenden Bakterien der Gattungen Wigglesworthia und Buchnera. Die Ameisen-Symbionten besitzen in ihren rrs-Genen intervenierende DNA-Sequenzen (IVS), die stabile Sekundärstrukturen ausbilden können. Ihre 16S-Gene sind nicht strangaufwärts von den 23S-Genen lokalisiert. Durch diese genetische Besonderheit ähneln die Camponotus-Symbionten den Buchnera-Symbionten, deren rRNA-Gene auf zwei Transkriptionseinheiten verteilt sind. Innerhalb des Stammbaumes der untersuchten Wirtsameisen existieren ebenfalls drei Untergruppen, deren einzelne Arten enger miteinander verwandt sind. Die direkte Gegenüberstellung des Symbionten-Stammbaumes mit dem der Ameisen zeigt ein weitgehend gleiches Verzweigungsmuster. Beide Dendrogramme zeigen signifikante Übereinstimmungen bezüglich ihrer taxonomischen Beziehungen und legen eine kongruente Entwicklung von Symbionten und Wirten, die nur durch einen vertikalen Übertragungsweg erzeugt werden kann, nahe. Einzige Ausnahme bildete hierbei der C. castaneus-Symbiont, bei dem ein horizontaler Transfer von Symbionten nicht gänzlich ausgeschlossen werden kann. Die im Rahmen dieser Dissertation durchgeführten phylogenetischen Untersuchungen ermöglichten die Benennung einer neuen Symbiontengattung innerhalb der gamma-Subgruppe der Proteobakterien: "Candidatus Blochmannia spp." Histologische Studien der Endosymbiose mit Hilfe von licht- und elektronenmikroskopischen Methoden sollten Fragen zur Symbiontenlokalisation innerhalb adulter Individuen beantworten und die Ergebnisse zum Übertragungsweg der intrazellulären Bakterien festigen. Die Endosymbionten sind in den Mitteldarmepithelien von Arbeiterinnen, Königinnen und Männchen in Myzetozytenzellen lokalisiert, die in das Mitteldarmepithel interkalieren. Diese spezialisierten Zellen besitzen kaum Vesikel und tragen keinen Mikrovillisaum. In den Oozyten der Ovarien von Königinnen und Arbeiterinnen wurden ebenfalls große Symbiontenmengen gefunden. Die Spermatheka der Königinnen und die Geschlechtsorgane der Männchen waren symbiontenfrei. Die Abwesenheit von Symbionten innerhalb dieser beiden Organe zeigt, dass eine Bakterieninfektion der weiblichen Tiere nicht durch die Männchen stattfindet, sondern wie schon in den phylogenetischen Untersuchungen postuliert, ein rein maternaler Übertragungsweg der Symbionten vorliegt. Die Detektion der Bakterien in Eiern und Larven der Ameisen mittels In situ-Hybridisierungen trugen zur Aufklärung des Weges der Endosymbionten während der Embryogenese bei. Während sich im abgelegten Ei ein Ring aus Symbionten bildete, kam es in den Larvenstadien 1 bis 3 zur Auswanderung der Bakterien in Meso- bzw. Ektoderm. Im größten untersuchten Larvenstadium 4, das kurz vor der Verpuppung stand, konnten die Symbionten ausschließlich in den Myzetozyten des Mitteldarmes detektiert werden. Die Behandlung der Ameisen mit Antibiotika ermöglichte es, symbiontenfreie Ameisen zu erzeugen, die über einen längeren Zeitraum weiterlebten, ohne ihre Symbionten zu regenerieren. Im Rahmen dieser Arbeit gelang es erstmals, die intrazellulären Bakterien intakt aus dem sie umgebenden Mitteldarmgewebe zu isolieren. Somit konnten gereinigte Symbionten für Kultivierungs- und Infektionsversuche verwendet werden. Diese Versuche die mit Hilfe von Bakteriennährmedien und Insektenzelllinien durchgeführt wurden, zeigten jedoch sehr deutlich, dass es nicht möglich ist, die Camponotus-Symbionten außerhalb ihrer Wirte zu kultivieren. / This thesis deals with the characterization of intracellular endosymbiotic bacteria in the midgut of carpenter ants (Camponotus spp.). Sequences of the 16S rDNA of the symbionts and the mitochondrial cytochrome oxidase subunit I (COI) were used for phylogenetic analyses, respectively. These investigations led to new insights concerning the transmission pathway and the phylogenetic classification of the Camponotusendosymbionts. The following results were obtained by extensive analysis of thirteen different Camponotus species. The intracellular bacteria of these species form a distinct lineage in the gamma-subclass of the Proteobacteria. Within the Camponotus symbionts three subclusters are apparent, in which the strains are more related to each other than to the members of the other subclusters. The taxa closest related to the antsymbionts are the symbiotic bacteria of the genus Wigglesworthia and Buchnera. The rrs genes of the Camponotusendosymbionts contain putative intervening sequences (IVS). Their 16S rDNA apparently is not located upstream of the 23S rDNA, and the 16S and 23Sgenes seem to be organized in different transcription units. This genetic characteristic was already described for the symbionts of the genus Buchnera. Similar to the endosymbionts, the phylogenetic relationship of the host ants could be arranged into three clusters with increasingly closer relationship. The direct comparison of the phylogenetic trees of the endosymbiotic bacteria and the ants revealed a nearly similar branching pattern. The exception is C. castaneus, which can not be related to any other species on the basis of the COI analysis. Nevertheless, both trees showed very significant congruence suggesting parallel evolution of symbiotic bacteria and host ant species. These phylogenetic investigations provided the justification for proposing a new taxon in the gamma-subclass of the Proteobacteria: "Candidatus Blochmannia spp". By light- and electronmicroscopical studies I investigated the mode of transmission of the endosymbionts and their location in adult individuals. These studies showed that the bacteria are localized in specialized cells, so-called mycetocytes. These cells are intercalated between the epithelial cells of the midgut. The mycetocytes lack vesicles and microvilli. Camponotusendosymbionts have not been detected in spermathecae of queens or in the testes of males, but they were found intracellularly in oocytes of queens and workers. This strongly indicates a maternal transmission of the bacteria. Using in situ hybridization with species specific probes, the endosymbiotic bacteria could be detected in eggs and larvae. With these experiments it was possible to study the spatial arrangements of the symbionts during embryogenesis. In the egg-stage the symbionts form a ball. In larval stages 1-3 a migration of bacteria into the meso- and ectoderm was observed. In larval stage 4 the symbionts were accumulated in the midgut epithelium, like in adult individuals. Symbionts could only be detected in the mycetocytes of the gut. Ants treated with antibiotics were free of symbionts, and could be maintained to a long time period (more than 12 weeks) without regenerating their bacteria. In these studies we were able to isolate the symbionts out of the midgut epithelial successfully. These isolated microorganisms were used for cultivation and infection experiments. Using different culture mediums and insect cells we showed, that it is impossible to cultivate the Camponotus symbionts outside their host organisms.

Die Tropenkrankheit Malaria, wird durch eine Infektion mit einzelligen Parasiten der Gattung Plasmodium verursacht und durch den Stich der weiblichen Anopheles-Mücke von Mensch zu Mensch verbreitet. Dabei kann eine erfolgreiche Übertragung des Parasiten auf den Menschen nur dann stattfinden, wenn der Parasit seine sexuelle Entwicklungsphase im Mitteldarm der Mücke erfolgreich durchläuft. Ziel dieser Arbeit war es daher, die Wechselwirkungen des Malariaparasiten im Mitteldarm der Mücke in Hinblick auf die Identifizierung möglicher neuer transmissionsblockierender Strategien zu untersuchen. Der Zweck von transmissionsblockierende Strategien ist es, der Verbreitung der Malaria durch die Mücke entgegenzuwirken, indem die Entwicklung des Parasiten in der Mücke unterbunden und dadurch der Lebenszyklus des Parasiten unterbrochen wird. Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit lag auf insgesamt drei Aspekten. Der erste Aspekt der Arbeit befasste sich mit der Wechselwirkung zwischen dem Para-siten und der mikrobiellen Darmflora der Mücke. Dabei sollte der mögliche Einfluss des Parasiten auf die Darmflora untersucht werden und weiterführend die potentielle Verwendung von Darmbakterien als Vehikel für die Herstellung paratransgener Mücken erforscht werden. Vergleichende16S-rRNA- und DGGE-Analysen an der Darmflora des asiatischen Malariavektors Anopheles stephensi zeigten eine deutliche Reduktion der mikrobiellen Diversität während der Entwicklung vom Ei zur adulten Mücke. Zudem konnte das gram-negative Bakterium Elizabethkingia meningoseptica, das sich stadien- und generationsübergreifend verbreitet, als dominante Darmspezies bei im Labor aufgezogenen weiblichen und männlichen An. stephensi festgestellt werden. Die Dominanz von E. meningoseptica wurde zudem nicht durch die Aufnahme von infiziertem Blut oder einer veränderten Nahrung beeinflusst. Für die Studien wurde sowohl der humanpathogene Parasit P. falciparum als auch der Nagermalariaerreger P. berghei verwendet. Weiterführende Versuche zeigten, dass Extrakte von E. meningoseptica antibakterielle, antifungale und antiplasmodiale Aktivitäten aufwiesen, die ein möglicher Grund für die Dominanz dieser Spezies im Mitteldarm des Vektors waren. Isolate von E. meningoseptica sind im Labor kultivierbar; dadurch stellt das Bakterium einen potentiellen Kandidaten zur Generierung von paratransgenen Anopheles-Mücken dar. Ein zweites Ziel dieser Arbeit war es, mögliche Unterschiede in der Genexpression von P. falciparum darzustellen, die in den ersten 30 Minuten nach dessen Übertragung auf die Mücke erfolgen. Dies hatte zum einen zum Zweck, die durch den Wirtswechsel hervorgerufenen Genregulationen besser zu verstehen, und bot zum anderen die Möglichkeit, neue Proteine zu identifizieren, die als potentielle transmissionsblockierende Ziele genutzt werden können. Mittels supression substractive hybridization (SSH) konnten insgesamt 126 Gene identifiziert werden, deren Expression sich während der Gametogenese verändert. Die identifizierten Gene konnten einer Vielzahl von putativen Funktionen wie zum Beispiel in der Signaltransduktion (17,5%), im Zellzyklus (14,3%) oder im Zytoskelett (8,7%) zugeordnet werden. Des Weiteren wurden 7,9% der Gene eine Funktion in der Proteastase und 6,4% in metabolischen Prozessen zugeordnet. 12,7% der Gene kodierten für zelloberflächenassoziierte Proteine. 11,9% der Gene hatten anderen Funktionen, während 20% der Gene keine putative Funktion zugeordnet werden konnte. Etwa 40% der identifizierten Genprodukte waren bisher nicht in Proteomstudien nachgewiesen worden. In weiterführenden Analysen wurden 34 Gene aus jeder ontologischen Gruppe ausgewählt und deren Expressionsveränderung per quantitativer real time RT-PCR im Detail untersucht. Für 29 Gene konnte dabei eine Transkriptexpression in Gametozyten nachgewiesen werden. Zudem wiesen 20 Gene eine erhöhte Expression in Gametozyten im Vergleich asexuellen Stadien auf. Insgesamt zeigten 8 Gene besonders hohe Transkriptlevel in aktivierten Gametozyten, was auf eine Funktion dieser Proteine während der Übertragung des Parasiten auf die Mücke hindeutet und diese somit potentielle Angriffspunkte für transmissionsblockierende Strategien darstellen könnten. Im letzten Teil dieser Arbeit stand die Untersuchung verschiedener antimikrobieller Substanzen in Bezug auf ihre transmissionsblockierenden Eigenschaften im Vordergrund. Die Substanzen waren entweder direkt aus der Hämolymphe verschiedener Insekten isoliert oder rekombinant in transgenem Tabak exprimiert worden. Dabei wurden die rekombinanten Peptide so ausgewählt, dass sie entweder gegen die Mitteldarmstadien des Parasiten wirken oder mückenspezifische Rezeptoren blockieren, die der Parasit für seine weitere Entwicklung benötigt. Dabei konnte gezeigt werden, dass das antimikrobielle Molekül Harmonin, ein Abwehrmolekül aus der Hämolymphe des asiatischen Marienkäfers Harmonia axyridis, antiplasmodiale als auch transmissions-blockierende Eigenschaften besitzt. Harmonin stellt daher eine potentielle Leitstruktur für die Entwicklung neuer Malariawirkstoffe dar / Malaria is a vector-borne disease caused by the protozoan parasite of the genus Plasmodium and it is transmitted from human to human by female Anopheles mosquitoes during a blood meal. For malaria transmission to occur, the malaria parasite must undergo a crucial developmental sexual phase inside the mosquito midgut. In this study, we sought to investigate the interplay of the malaria parasite in the mosquito midgut with regard to the identification of novel types of transmission blocking intervention strategies. These strategies are aimed at reducing the spread of malaria by blocking the development of the mosquito midgut-specific stages of Plasmodium. We focused on three aspects. The first aspect was to investigate the interplay between mosquito midgut bacteria and malaria parasites in order to determine the potential influence of malaria parasites on the composition of the mosquito gut microbiota and also determine midgut bacteria which could be exploited as vehicles for the generation of paratransgenic Anopheles mosquitoes. We analyzed the microbial diversity of gut bacteria of the Asian malaria vector Anopheles stephensi during development and under different feeding regimes, including feeds on malaria parasite-infected blood, using the human pathogenic P. falciparum as well as the rodent malaria model P. berghei. 16S rRNA and DGGE analyses demonstrated a reduction in the microbial diversity during mosquito development from egg to adult and identified the gram-negative bacterium Elizabethkingia meningoseptica as the dominant species in the midgut of laboratory-reared male and female mosquitoes. E. meningoseptica is transmitted between generations and its predominance in the mosquito midgut was not altered by diet, when the gut microbiota was compared between sugar-fed and blood-fed female mosquitoes. Furthermore, feeds on blood infected with malaria parasites did not impact the presence of E. men-ingoseptica in the gut. Interestingly, extracts from E. meningoseptica exhibited antibacterial, antifungal and antiplasmodial activities, which may account for its dominance in the midgut of the malaria vector. Isolates of E. meningoseptica were cultivable, making the bacterium a potential candidate vehicle for the generation of paratransgenic Anopheles mosquitoes. The second aspect of this thesis was to determine transcriptome changes that occur during the first half hour following transmission of P. falciparum to the mosquito vector in order to better understand gene regulation mechanisms important for the change of hosts and determine novel proteins which could be exploited in malaria transmission blocking interventions. We initially used suppression subtractive hybridization (SSH) to compare mRNA levels of P. falciparum gametocytes before and 30 min fol-lowing activation. We identified a total of 126 genes for which transcript expression changed during gametogenesis. Among these, 17.5% had putative functions in signaling, 14.3% were assigned to cell cycle and gene expression, 8.7% were linked to the cytoskeleton or motor complex, 7.9% were involved in proteostasis and 6.4% in metabolism, 12.7% were genes encoding for cell surface associated proteins, 11.9% were assigned to other functions, and 20.6% represented genes of unknown function. For 40% of the identified genes there has as yet not been any protein evidence. We further selected a subset of 34 genes from all the above ontology groups and analyzed the transcript changes during gametogenesis in detail by quantitative realtime RT-PCR. Of these, 29 genes were expressed in gametocytes, and for 20 genes transcript expres-sion in gametocytes was increased compared to asexual blood stage parasites. Transcript levels of eight genes were particularly high in activated gametocytes, pointing at functions downstream of gametocyte transmission to the mosquito which could be exploited in malaria transmission blocking strategies. The last aspect of this thesis was to determine the transmission blocking effect of a range of antimicrobial molecules as transmission blocking agents. The molecules were either isolated from insect hemolymph or recombinantly expressed in tobacco and designed to act either directly on the mosquito midgut stages or cover receptors on mosquito tissues like the midgut epithelium which the parasite would need for transit. We were able to show an antiplasmodial and transmission blocking effect of the anti-microbial molecule harmonine, a defense compound isolated from the hemolymph of the Asian ladybug Harmonia axyridis. Harmonine thus represents a potential lead structure for the development of novel antimalarials.

Hintergrund: Karzinoid-Tumoren des embryonalen Mitteldarms sind seltene intestinale neuroendokrine Tumoren, bei denen zum Zeitpunkt der Diagnose häufig Metastasen vorliegen. Im Gegensatz zu Karzinoiden des Vorderdarms und Respirationstraktes sind sie nicht mit der Multiplen Endokrinen Neoplasie Typ 1 (MEN1) vergesellschaftet. Die Mechanismen ihrer Tumorigenesis sind weitgehend unbekannt. Methoden: Tumorgewebe acht sporadischer, maligner Dünndarm-Karzinoide war Objekt dieser Studie über Verlust der Heterozygotie ("Loss Of Heterozygosity" (LOH)) mit 131 fluoreszierenden Mikrosatelliten. DNA Sequenz-Analyse mit Oligonucleotid Primern, die Exon 8-11 des SMAD4/DPC4 Gens flankieren sowie immunhistochemische Färbung mit Smad4/DPC4 antikörpern wurde durchgeführt. Ergebnis: Chromosom 18 wies Deletionen in 88% der Tumoren auf. Alle außer einem Tumor hatten sowohl 18p als auch 18q verloren, in einem der Tumoren war eine kleine Region telomer zu den SMAD4/DPC4/DCC Genen auf 18q21 verloren. Andere Chromosomen waren nur in drei Tumoren betroffen. LOH auf Chromosom 11q13, dem MEN1 Lokus, wurde nicht gefunden.Sequenzierung der DNA und immunhistochemische Färbung für das SMAD4/DPC4 Gen zeigten keine Aberrationen. Diskussion: Die Funde der Chromosom 18 Deletionen weisen eindeutig auf ein entscheidendes Ereignis in der Tumorigenese von Karzinoiden des Mitteldarms hin. An der Entstehung dieser Tumoren könnte ein mutmaßliches Tumor Suppressor Gen beteiligt sein, welches auf Chromosom 18 lokalisiert ist. Dahingegen ist SMAD4/DPC4 wahrscheinlich nicht in die Tumorneogenese von Carcinois Tumoren involviert. / Background: Midgut carcinoid tumors are rare malignant tumors with origin in the neuroendocrine cells of the small intestine. Due to secretion of a variety of peptide hormones and biogenic amines they cause the carcinoid syndrome. Metastases are often present at first diagnosis. Despite this, patients have a realistic chance to survive for a prolonged period (30% (unresectable/metastatic disease) -79% (non-metastatic disease) 5-year survival rate) if treated by a combination of surgery and medication. Unlike their foregut counterparts, midgut carcinoid tumors are not or rarely associated with the multiple endocrine neoplasia type 1 (MEN1) syndrome. The genetic back-ground to tumorigenesis of these neoplasms is unknown. In contrast, the events involved in tumorigenesis of gastroenteropancreatic adenocarcinomas are better characterized with frequent mutations e.g. of the Smad4/DPC4, Smad2/MADR2/JV18-1 and DCC genes on chromosome 18. Methods: Eight metastatic midgut carcinoids were analysed by a genome-wide screening for loss of heterozygosity using 131 PCR-amplified fluorescent-labelled microsatellite markers. DNA sequence analysis using oligonucleotide primers flanking exons 8-11 of the Smad4/DPC4 gene and immunohistochemical staining with Smad4/DPC4 antibodies was performed. Results: Chromosome 18 was deleted in seven out of eight tumors (88%). All but one of these tumors had lost both 18p and 18q, the remaining tumor had lost the long arm but retained the short arm. Several other chromosomal alleles were lost in a subset of the tumors. Loss of heterozygosity (LOH) on chromosome 11q13, the MEN 1 locus, was not found. Smad4/DPC4 wild-type sequence and normal immunohistochemical staining for Smad4/DPC4 protein was found for all analysed tumors. Conclusions: Our finding of a high frequency of chromosome 18 deletions in 88% of the tumors strongly suggests that midgut carcinoid tumorigenesis might involve inactivation of a candidate tumor suppressor gene located in that region while Smad4/DPC4 is unlikely to be involved in that process. A more detailed analysis of the genetic events in midgut carcinoid tumors is warranted to clarify their neogenetic origin.