Oxidativ modifizierte Phospholipide haben PAF-ähnliche Struktur und zeigen in vitro PAF-ähnliche Wirkung. Dabei handelt es sich hauptsächlich um fragmentierte Phosphatidylcholine, die eine lange Fettsäure- oder Alkylkette in sn-1 Stellung und einen kurzen Acylrest (C4-C9) mit oxidiertem C-Atom in sn-2 Stellung haben und als PAF-ähnliche Lipide bezeichnet werden. In der vorliegenden Arbeit wurden durch eine neue HPLC-Fluoreszenzmethode ein Vertreter dieser in vivo existierender PAF-ähnlichen Lipide im Plasma quantifiziert. Dieses fragmentierte Phosphatidylcholin (FPC) besitzt einen Palmitoylrest in sn-1 Position, sowie eine C3 oder C4 Kette in sn-2 Position und erfüllt damit die strukturelle Voraussetzungen für biologische Aktivität. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass FPC in biologisch aktiven Fraktionen enthalten war, deren biologische Aktivität jedoch nicht von PAF bewirkt wurde, sondern von PAF-ähnlichen Lipiden. Dies unterstützt die Vermutung, dass FPC biologische Aktivität zeigt. Im Plasma wird FPC von Lipoproteinen transportiert. Oxidativer Stress in biologischen Systemen, ausgelöst durch Tabakrauch, Organischämie/ Reperfusion, Vitamin E-Mangel oder Inkubation von Zellen mit H2O2, führte zu einer Erhöhung der FPC-Konzentration. Damit wurde gezeigt, dass die PAF-ähnlichen Lipide in vivo durch Radikal-induzierte Lipidperoxidation gebildet werden können. Trotz eines Konzentrationsanstiegs von FPC nach oxidativem Stress, kam es bei einer systemischen Inflammation, die von Radikal-bildenen Prozessen begleitet ist, jedoch nicht zu einer Anreicherung von FPC-ähnlichen Lipidperoxidationsprodukten. Ursache für die fehlende Anreicherung von oxidativ modifizierten Lipiden bei einer systemischen Inflammation könnte ihr rascher Abbau durch Phospholipasen, oder der Abbau von Vorstufen, bzw. die Substratrminderung, sein. / Oxidative modified phospholipids have PAF like structure and show in vitro PAF like activity. They consist of fragmented phosphatidylcholine with a long fatty acid or alkyl chain in sn-1 position and a short acylrest (C4-C9) with a oxidized C-atom in sn-2 position. According to their structure they are called PAF like lipids. In this paper one representative of these in vivo existing PAF like lipids are quantified in plasma by means of a new fluorescence HPLC method. These fragmented phosphatidylcholines consits of a palmitoylrest in sn-1 position and a C3 or C4 chain in sn-2 position and therefore they fullfill the strutural conditions to have biological activity. We further showed, that the biological active fractions contain FPC. The biological activity is not caused by PAF but by PAF like lipids. This fact supports the hypothesis that FPC are biological active. FPC is carried by lipoproteins in plasma. Oxidative stress caused by cigarette smoke, ischemia/ reperfusion, Vitamin E deficiency or incubation of cells with H2O2 leads to an increase of the concentration of FPC. Thereby it could be shown that PAF like lipids can be formed in vivo by means of radical induced lipidperoxidation. Many radical producing processes are involved in systemic inflammation. Despite of an increase of FPC's concentration after oxidative stress, there was no accumulation of FPC like lipidperoxidation products during systemic inflammation. One reason for the missing accumulation of oxidative modified lipids during systemic inflammation can be the fast degradation by phospholipases or the reduction of substrat.

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

Le paludisme est une maladie tropicale causée par un parasite du genre Plasmodium. Chez l’Homme, un niveau élevé de phospholipase A2 sécrétée de groupe IIA humaine (hGIIA) est mesuré dans le plasma des patients impaludés. Cette enzyme est connue pour son rôle antibactérien et pro-inflammatoire. Cependant, son rôle dans le paludisme n’a jamais été exploré. Pour comprendre le rôle in vivo de la hGIIA dans cette pathologie, nous avons entrepris la caractérisation hématologique, histopathologique et immunohistochimique de l’infection de souris C57BL/6, transgéniques (Tg+) pour l’enzyme humaine, par l’espèce murine Plasmodium chabaudi chabaudi 864VD. Ce modèle reproduit un paludisme non létal. Nos résultats ont permis d’établir que les souris Tg+ ont un meilleur contrôle de l’infection au moment du pic de crise parasitaire (J14 post-inoculation), avec une diminution de 27% de la parasitémie, comparé aux souris « littermates » non transgéniques (Tg-). L’injection de hGIIA recombinante aux jours 12, 13 et 14 p.i. (0,125 mg/kg deux fois par jour) à des souris C57BL/6 wild-type (WT) infectées par P. c. chabaudi 864VD provoque une diminution d’environ 19% de la parasitémie à J14 p.i., démontrant un rôle direct de la hGIIA dans la diminution de la population parasitaire. Les données hématologiques montrent que l’infection chez la souris Tg+ provoque une anémie plus durable que chez la souris Tg- et une élévation nettement plus importante du nombre de leucocytes, en particulier des polynucléaires neutrophiles. Chez la souris Tg+ parasitée, on observe aussi l’activation d’un nombre important de lymphocytes et une activation spécifique des monocytes avant le pic de crise. Chez la souris Tg- infectée, les données histologiques mettent en avant une meilleure récupération des lésions histopathologiques du foie et une hyperplasie des lymphocytes B dans la rate, tandis que les souris Tg+ infectées présentent des lésions hépatiques tardives et une hématopoïèse extramédullaire splénique. Les résultats des analyses par RT-qPCR suggèrent que l’ARNm de la hGIIA augmente au pic parasitaire dans le foie des souris Tg+ infectées, mais diminue dans la rate et les cellules sanguines. L’injection de hGIIA recombinante au début de la phase patente est sans effet sur la parasitémie, ce qui laisse supposer que des événements plus tardifs dans l’infection sont nécessaires à l’activité antiparasitaire de l’enzyme. L’étude du rôle des lipoprotéines oxydées comme substrat potentiel de l’activité antiparasitaire de l’enzyme, basée sur des résultats in vitro, est abordée. En conclusion, nos études ont permis de dresser un tableau large de l’infection à Plasmodium chez la souris exprimant la hGIIA, et ouvrent de nouvelles perspectives dans l’analyse du rôle de l’enzyme dans la physiopathologie du paludisme. / Malaria is a tropical disease caused by a parasite of the Plasmodium genus. High levels of circulating human group IIA secreted phospholipase A2 (hGIIA) have been reported in malaria patients. The enzyme is well known for its bactericidal and pro-inflammatory actions. However, so far its role in malaria is unknown. In order to address the in vivo role of hGIIA in malaria, we performed a hematological, histopathological and immunohistochemical characterization of C57BL/6 hGIIA transgenic mice (Tg+ mice) infected with P. chabaudi chabaudi (864VD strain), a murine Plasmodium species and strain which causes non-lethal chronic malaria. Infected Tg+ mice present a 27% reduction of parasitaemia at the peak of infection (D14 post-inoculation, p.i.) compared to infected non-transgenic littermates (Tg- mice). Intraperitoneal injection of recombinant hGIIA at D12, D13 and D14 p.i. (0.125 mg/kg twice a day) into P. chabaudi 864VD-infected WT C57BL/6 mice leads to a 19% reduction of the parasitaemia at D14 p.i., demonstrating the direct and acute role of hGIIA in lowering parasite population and presumably ruling out a potential effect linked to chronic overexpression of hGIIA in Tg+ mice. Hematological data show a durable anemia in Tg+ mice compared to Tg- mice during the infection and an important increase of leucocytes, especially of polynuclear neutrophils. The parasitized Tg+ mouse also presents a higher activation of lymphocytes and a specific activation of monocyte cells at the pic of crisis. In the infected Tg- mouse, histological data show a better histopathological recovery in the liver and B cells hyperplasia in the spleen, whereas the infected Tg+ mouse presents late hepatic injuries and splenic extra-medullar hematopoiesis. RT-qPCR analyses suggest that hGIIA mRNA increases at the pic of infection in the liver of infected Tg+ mice, but decreases in spleen and blood. Intraperitoneal injection of recombinant hGIIA at the patent phase is without effect on parasitaemia, which suggests that later infection events are needed for the enzyme antiparasitic activity. Involvement of oxidized-lipoproteins as potential hGIIA substrates, based on in vitro studies, is discussed. In conclusion, our studies allowed us to elaborate a larger picture of the infection of Plasmodium in the mice expressing hGIIA and open new perspectives in the analysis of the role of the enzyme in malaria pathophysiology.

Les biotechnologies de la reproduction sont aujourd’hui largement utilisées dans le contrôle de la fertilité animale et humaine. Ces techniques présentent cependant des rendements faibles et font actuellement l’objet de nombreuses recherches. Ce travail de thèse s’inscrit dans ce contexte et se focalise sur la recherche de nouvelles molécules pro-fertilité dans l’espèce bovine, et s’articule autour de deux axes : le premier consiste à tester les propriétés pro-fertilité d’une enzyme du métabolisme lipidique sur la maturation ovocytaire, la fécondation et le développement embryonnaire préimplantatoire in vitro, et le deuxième à découvrir des molécules permettant d’améliorer la fécondance des spermatozoïdes. Nous démontrons ici que l’application de l’enzyme améliore de manière significative le nombre et la qualité des embryons au stade blastocyste. Un savoir-faire quant à l’utilisation de cette enzyme (fenêtre de traitement, concentration,…) a été développé. Cette thèse a également permit de caractériser différents composés avec des propriétés différentes dont une molécule originale permettant d’augmenter la vitesse des spermatozoïdes. Ce composé est prometteur car il est aussi actif sur des spermatozoïdes issus du testicule, de l’épididyme ou de l’éjaculat, avant ou après congélation. / The reproductive biotechnologies are now widely used in control of animal and human fertility. However, these technics have low yields and are currently the subject of much research. In this context, the present thesis focuses on the search for new pro-fertility molecules in cattle, organized around two axis : the first one is to test the pro-fertility properties of an enzyme from lipid metabolism on maturation, fertilization and preimplantation embryo development in vitro, and the second one is to discover molecules to improve sperm fertilizing ability. Here, we show that application of the enzyme significantly improve the number and quality of embryos at the blastocyst stage. Expertise in the use of this enzyme (time of treatment, concentration, etc.) was developed. This thesis also allowed the characterization of different compounds with different properties. Among them, one original molecule increase sperm velocity. This compound is promising because it works on sperm from the testis, epididymis or ejaculate before or after freezing.

Le métabolisme lipidique affecte la maturation et la différenciation des cellules osseuses. L'objectif de ma thèse est d'approfondir deux aspects du métabolisme lipidique mal connus, soit les actions de la phospholipase D (PLD) et celles des récepteurs de prostaglandine PGE2 pendant la différenciation des cellules. Une lignée humaine, les Saos-2 et les ostéoblastes primaires issus de calvaria de souriceaux ont servi de modèles cellulaires de la minéralisation physiologique. La culture d'aorte ex vivo sous des conditions d'hyperphosphatémie a été utilisée pour reproduire la calcification de l'aorte qui est un modèle ex vivo de calcification cardiovasculaire (CCV). Nous avons montré que l'expression et l'activité de la PLD augmentent dans les Saos-2 et les ostéoblastes primaires au bout du 5ème jour de la différenciation tandis qu'elles s'accroissent au bout du 6ème jour de traitement de l'aorte dans un milieu d'hyperphosphatémie. Les inhibiteurs de PLD diminuent l'activité de phosphatase alcaline (TNAP) dans les ostéoblastes et dans l'aorte calcifiée tandis que la surexpression de la PLD1 dans les Saos-2 l'augmente. Dans une deuxième partie de ce travail, nous avons suivi la variation d'expression des récepteurs de PGE2 au cours de la maturation des Saos-2. L'expression du gène EP3 augmente au stade tardif de la minéralisation tandis que celle d'EP4 diminue. Pour conclure, ces résultats indiquent que l'activité de la PLD en affectant l'activité de la TNAP pourrait moduler finement la minéralisation physiologique et la CCV et que la minéralisation s'accompagne d'un changement d'expression des récepteurs de PGE2, dans les Saos-2 / Lipid metabolism affects the maturation and the differentiation of bone cells. The aim of my PhD thesis is to explore two unknown sides of lipid metabolism which are the actions of phospholipase D (PLD) and those of prostaglandin PGE2 receptors during cell differentiation. Human lineage, Saos-2 cells and primary osteoblasts from calvaria of mice were used as cellular models of physiological mineralization. The ex vivo aorta culture under hyperphosphatemia conditions has been used to reproduce the calcification of the aorta, which is an ex vivo model of cardiovascular calcification (CVC). We showed that the expression and the activity of PLD increased in Saos-2 and primary osteoblasts after the fifth day of differentiation while in the aorta under hyperphosphatemia condition, PLD activity increased at the end of the sixth day. PLD inhibitors decreased the activity of alkaline phosphatase (TNAP) in osteoblasts and in calcified aorta while the overexpression of PLD1 in the Saos-2 increased it. In the second part of this work, we monitored the variation of the expression of PGE2 receptors during the maturation of Saos-2 cells. The EP3 gene expression increased in the late stage of the mineralization while that of EP4 decreased. In conclusion, these results indicated that the PLD activity by affecting the activity of TNAP could modulate the physiological mineralization and CVC. We showed that the mineralization is dependent of the change of the expression of PGE2 receptors in Saos-2 cells

Les phospholipases D (PLD, EC 3.1.4.4) sont des enzymes ubiquitaires retrouvées aussi bien chez les procaryotes (bactéries) que chez les eucaryotes (plantes, animaux et champignons). Les PLD catalysent l'hydrolyse des glycérophospholipides au niveau distal de la liaison phosphodiester pour former de l'acide phosphatidique, un important messager cellulaire impliqué dans de nombreuses voies telles que la prolifération cellulaire, la formation et le trafic vésiculaire, mais aussi la transcription et la survie cellulaire. Les PLD appartiennent à une superfamille de protéines (superfamille des PLD) qui ont en commun un site catalytique HXKX4D, X étant un acide aminé quelconque, contenant les résidus H (Histidyl), K (Lysyl) et D (Aspartyl). Ce site est nommé séquence consensus "HKD" et est dupliqué dans la plupart des membres de la superfamille des PLD. L'étude des PLD de plante est le moyen le plus sûr d'étudier cette famille d'enzyme car ce sont les seules PLD eucaryotiques purifiées à homogénéité et en grande quantité à ce jour. Ces travaux proposent une caractérisation fonctionnelle des résidus conservés au sein des PLD végétales menant à une caractérisation structurale avec la cristallisation de cette protéine. Dans un second temps l'activité de l'enzyme est modulée avec l'étude du domaine minimum, de la maturation post-traductionnelle de l'enzyme et le recherche d'un nouvel inhibiteur. Enfin, nous proposons le clonage d'une nouvelle PLD et la mise au point d'un système de détection in vivo de l'activité PLD / Phospholipases D (PLD, EC 3.1.4.4) are ubiquitary enzymes found in prokaryotes (bacteria) as well as in eukaryotes (plant, animals and fungi). PLD catalyzes the hydrolysis of the distal phosphoester bound of phospholipids thus forming phosphatidic acid, an important cell signaling messenger implicated in numerous pathways such as cell proliferation, vesicular formation and trafficking but also transcription and cell survival. PLDs belong to a superfamily of protein which share a common catalytic site called “HKD” for HXKX4D, X is a random amino acid, containing H (Histidyl), K (lysyl) and D (aspartyl) residues. This consensus sequence is duplicated in most of the PLD superfamily members. The study of plant PLD is the best way to understand this family of proteins as they are the sole eukaryotic PLDs to be purified to homogeneity so far. This work provides a functional characterization of the most conserved residues in plant PLDs leading to a structural characterization with the crystallization of this enzyme. A second part of this work proposes the modulation of the enzyme hydrolysis activity by studying the minimal domain necessary for the activity and post-translational maturation undergone by plant PLDs. Also, we look for a new specific inhibitory molecule. Finally, we propose the cloning of a new plant PLD and the development of a new way to detect in vivo PLD activity

Les biocapteurs sont des moyens d'analyse en plein essor à la fois rapides, sélectifs et peu coûteux applicables à des domaines extrêmement variés (environnement, santé, agroalimentaire,…). Dans ce type d'outil, un élément sensible de nature biologique (anticorps, enzyme, microorganisme, ADN…) doté d'un pouvoir de reconnaissance pour un analyte ou un groupe d'analytes est associé à un transducteur pouvant être de type électrochimique, optique ou thermique. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés au développement de différents biocapteurs, en se basant à l'immobilisation d'enzymes sur des microélectrodes en vue de la détection électrochimique d'analytes d'intérêt dans le domaine environnemental. Nous avons montré les potentialités d'application de deux biocapteurs conductimétrique et impédimétrique à base de lipase Candida Rugosa pour la détection directe et rapide des pesticides organophosphorés. Nous avons cherché à mieux comprendre le fonctionnement des biocapteurs et optimisé le procédé d'immobilisation des enzymes ainsi que différents paramètres de mesure afin de maximiser les performances analytiques des outils développés. Nous avons également élaboré un biocapteur impédimètrique pour une détermination très sensible de la phospholipase A2 en utilisant les nanoparticules d'or afin de renforcer la conductivité électrique. Enfin, nous avons développé un biocapteur de tyrosinase pour la détection du Bisphénol A, en se basant sur la modification électrochimique des électrodes de diamant dopé qui possèdent des propriétés électriques remarquables et uniques, avec l'ajout de nanotube de carbone multi-feuillet, ce qui permet d'améliorer des performances analytiques du biocapteur, en particulier sa limite de détection et sa stabilité. Les biocapteurs à base de lipase et de tyrosinase ont été appliqués avec succès à la quantification des composés organophosphorés et du bisphénol A respectivement dans plusieurs échantillons d'eaux réelles / A biosensor is an analytical device, used for the detection of an analyte, that combines a biological component so-called a receptor (e.g. enzyme, antibody, DNA, microorganism) to a physical transducer (e.g. electrochemical, optical or thermal). In last decade, biosensors are quite promising tools since they are rapid, selective and cost effective, with an increasing interest for their application in various fields (e.g environment, food, health). In this work, we developed different biosensors based on immobilized enzymes onto microelectrodes in view of electrochemical detection. First, we demonstrated the potentialities of conductometric and impedimeteric biosensors based on lipase from Candida Rugosa for direct and rapid detection of organophosphate pesticides. In order to enhance the analytical performances of the developed devices, we tried to optimize enzyme immobilization as well as several operational parameters. We also elaborated an impedimetric biosensor for a sensitive determination of phospholipase A2 activity. Finally, a tyrosinase biosensor was developed for ultra-sensitive detection of Bisphenol A, based on the unique proprieties of boron doped diamond electrodes and taking advantage the use of multi walled carbon naotubes to improve the stability and detection limit of biosensor. We also demonstrated the applicability of both biosensors based on lipase and tyrosinase for the detection of organophosphate pesticides and bisphenol A in river water

Phospholipase C enzymes are important cell signalling enzymes that catalyse the cleavage of phosphatidylinositol 4,5-bisphophate PI(4,5)P₂ into two biologically active second messenger molecules. These are the inositol 1,4,5-trisphosphate which initiates Ca²⁺ release from the endoplasmic reticulum and the diacylglycerol that activates protein kinase C. Although this basic function is shared between the different isoforms, the PLC family encompasses a diverse collection of proteins with various domain structures in addition to the PLC-specific domains. The neuron-specific “6th family” of these enzymes, PLCηs have most recently been identified with two members, PLCη1 and PLCη2. The aim of the thesis is to characterise the PLCη2 variant from several aspects. Firstly, it describes that PLCη2 possesses a high sensitivity towards Ca²⁺. Secondly, it investigates how the Ca²⁺-induced enzymatic activity of PLCη2 is controlled by its different domains. Also it provides evidence that the pleckstrin homology domain targets PLCη2 to membranes by recognising PI(3,4,5)P₃. Moreover, the uniquely structured EF-hand is responsible for the Ca²⁺-sensitivity of the enzyme. Finally, it is demonstrated that the C2 domain is important for activity. The initial biochemical characterisation is followed by the description of a physiological role for PLCη2. It is shown using a neuroblast model that PLCη2 is crucial for neuronal differentiation and neurite growth. Further efforts were made to assess how PLCη2 is responsible for this effect. It was revealed that it might be involved in regulating intracellular Ca²⁺ dynamics, transcriptional activity and actin reorganisation in differentiating neurons. As the functions of PLCη2 are just beginning to come to light, more aspects for future research are also suggested in the thesis. Hopefully, this and the data presented within the thesis will stimulate even greater interest in this fascinating new field of research.

L. pneumophila, der Erreger der Legionärskrankheit, kodiert für eine Vielzahl lipolytischer Enzyme. Bis zu 17 verschiedenen Proteinen kann aufgrund von Sequenzhomologien oder experimenteller Analyse phospholipolytische Eigenschaft zugeschrieben werden. Neben sekretierten Formen wird eine besonders aktive zell-assoziierte Variante exprimiert, die Phospholipase A/Lysophospholipase A PlaB. Wie bereits gezeigt werden konnte, kodiert das plaB Gen für die hauptsächliche membranständige Phospholipase A von L. pneumophila mit Enzymaktivitäten, die die Aktivität sekretierter Proteine um das 100-fache übersteigen. Da PlaB zu keiner der bisher beschriebenen Phospholipasen Homologien aufweist, wurden in dieser Arbeit durch gezielte Mutagenese die katalytisch wichtigen Aminosäuren identifiziert. Dies ergab, dass PlaB zwar eine für Lipasen und Proteasen typische katalytische Triade aus Serin, Asparat und Histidin ausbildet, die umliegenden Motive sich aber deutlich von bisher beschriebenen Enzymklassen unterscheiden. Somit stellt PlaB das erste näher charakterisierte Mitglied einer neuen Familie phospholipolytischer Enzyme dar. Im Weiteren konnten für die Substratspezifität wichtige Aminosäurereste identifiziert werden. Dabei stellte sich heraus, dass die Fähigkeit zur Hydrolyse von cholinkettentragenden Substraten besonders suszeptibel gegenüber Mutationen war. Da im Vergleich zu nicht-pneumophila Stämmen, wie z. B. L. spiritensis, nur L. pneumophila in der Lage war, diese Lipide in hohem Maße umzusetzen, kann die Eigenschaft von PlaB, Phosphatidylcholin (PC) zu hydrolysieren, einen Virulenzvorteil für L. pneumophila bedeuten. Die Hypothese konnte durch Hämolyse-experimente bestärkt werden. Hier zeigten sich Mutanten mit reduziertem Potential zur Hydrolyse von PC weniger zytotoxisch gegenüber humanen Erythrozyten. Das zell-zerstörende Potential von PlaB könnte somit eine enorme Auswirkung auf die Virulenzeigenschaften von L. pneumophila haben. Wie in der vorliegenden Arbeit untersucht, bestätigten in vitro Experimente, dass PlaB die hauptsächliche Aktivität während einer Makrophageninfektion darstellt, die Deletion des Gens aber keine Auswirkungen auf das Replikationspotential der Bakterien hat. Ganz im Gegenteil dazu waren plaB Insertionsmutanten bei der Infektion von Meerschweinchen in ihrer Vermehrungsfähigkeit in der Lunge als auch in der Verbreitung der Erreger zur Milz der Tiere reduziert. Um den Grund des Defektes näher zu erörtern, wurde in einem Screen auf 40 verschiedene Entzündungsmediatoren die Sekretion von IL-8, MCP-1, RANTES und TIMP-2 als PlaB-abhängig identifiziert. Somit repräsentiert die zell-assoziierte Phospholipase A, PlaB, von L. pneumophila eine neue Klasse lipolytischer Enzyme und kann durch Hydrolyse eines breiten Substratspektrums, insbesondere durch Hydrolyse von PC, die Vermehrung und Verbreitung des Erregers im Wirtsorganismus unterstützen. / L. pneumophila, the causative agent of Legionnaires’ disease (LD) expresses numerous lipolytic enzymes. According to sequence homology or determined lipolytic activities, up to 17 open reading frames of the L. pneumophila genome may encode functional phospholipases. In addition to secreted and/or injected lipolytic enzymes, it was shown that the pathogen expresses a highly active and membrane-bound phospholipase A/lysophospholipase A with hemolytic activity, designated PlaB. As PlaB does not belong to any established bacterial or eukaryotic protein family of lipolytic enzymes nor does it show sequence homology to conserved motifs harboring the catalytically important amino acids, we analyzed putative catalytic centers using site-directed mutagenesis. This study shows that PlaB exhibits a catalytic triad of serine, aspartate and histidine residues, most commonly found within lipolytic and proteolytic enzyme families. However, surrounding motifs differ significantly from described ones. Thus, PlaB is the first representative of a new class of lipolytic enzymes. In addition, we described amino acids important for substrate specificity, revealing that the ability to hydrolyze phosphatidylcholine (PC) is severely susceptible to various mutations. Since PlaB of non-pneumophila strains, such as L. spiritensis, express comparable activities against glycerol-containing lipids, but are reduced in their hydrolytic potential to cleave choline-containing substrates, PC-targeting activity could be an important contribution to the pathogenicity of L. pneumophila, the most common cause of LD. The hypothesis was underlined by reduced hemolytic potential of L. spiritensis PlaB and PC-hydrolysis impaired mutants of L. pneumophila PlaB and is in accordance with PC being the major lipid in the outer leaflet of eukaryotic membranes. The cell destructive properties of PlaB may enhance bacterial pathogenicity in multiple ways. As depicted within this study, PlaB represents the major lipolytic activity present throughout host cell infections; however, gene deletion mutants retained their ability to multiply within several host cell infection systems. On the contrary, the plaB mutant strain was inhibited in replicating in the lung and disseminating to other organs in a guinea pig infection model. To elucidate the impact of PlaB on Legionella virulence we investigated 40 inflammatory factors secreted by lung epithelial cells upon Legionella infection and observed that IL-8, MCP-1, RANTES and TIMP-2 are released in a PlaB-dependent manner. Thus, PlaB represents a new family of lipolytic enzymes which could, according to the lipolytic profile and especially the ability to hydrolyse PC, contribute to replication and dissemination properties of a pathogen within a host cell, e.g. amoeba, or even more complex organisms such as guinea pigs or humans.

Das Bakterium Legionella pneumophila vermehrt sich in Alveolarmakrophagen und kann zu einer Pneumonie, der Legionärskrankheit, führen. Phospholipasen können zur bakteriellen Pathogenität beitragen, indem sie den Wirt durch Zerstörung von Lipidstrukuren schädigen, oder über die Generation von „second messengern“ immunmodulatorisch wirken. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die prominenteste zell-assoziierte und hämolytische Phospholipase A/Lysophospholipase A (PlaB) von L. pneumophila Corby charakterisiert und auf eine mögliche Virulenzassoziation hin untersucht. Die Bestimmung des Transkriptionsstartpunktes von plaB ermöglichte die Identifikation einer möglichen sigma70-Bindungsstelle. Die Transkriptionsrate ist relativ gering und nimmt zur stationären Phase hin ab, das Enzym ist vorwiegend exponentiell aktiv. Enzymatisch aktives PlaB-Protein ist zumindest zum Teil auf der oberflächenexponierten Seite der äußeren Membran lokalisiert. Der Transport des PlaB-Proteins ist nicht vom Tat-abhängigen Transport oder den Sekretionssystemen des Typ I, II oder IVB abhängig. Im Meerschweinchenmodell konnte eine Virulenzassoziation von PlaB nachgewiesen werden. PlaB-defiziente Bakterien zeigten eine geringere Replikationsrate in den Lungen und eine verminderte Kolonisierung der Milz. Vergleichende histologische Studien zeigten eine schwächer ausgeprägte Inflammation und Zerstörung der Lungen nach Infektion mit der plaB-Mutante. Somit handelt es sich bei PlaB um ein innerhalb der Spezies Legionella sehr weit verbreitetes Protein, welches in L. pneumophila Corby vorwiegend vor dem Eintritt in die stationäre Phase exprimiert wird. Enzymatisch aktives PlaB-Protein ist an der oberflächenexponierten Seite der äußeren Membran zu finden und spielt eine wichtige Rolle bei der Entstehung der Legionellen-Pneumonie. / The bacterium Legionella pneumophila replicates inside of alveolar macrophages and causes a severe pneumonia, the Legionnaires` disease. Bacterial phospholipases are well known virulence factors. Some cause cell lysis by pore formation, others generate second messengers and modulate the inflammatory response of the host. The aim of this work was to further characterize the major cell-associated hemolytic phospholipase A/lysophospholipase A activity (PlaB) of L. pneumophila Corby and to investigate a possible role of PlaB as virulence factor. Determination of the transcriptional start site of plaB allowed the identification of a possible sigma70-binding site. The transcription rate is relatively weak and decreases from exponential to stationary phase and enzymatic activity is most prominent in the exponential growth phases. Enzymatically active PlaB-protein is at least in parts localised on the surface-exposed side of the outer membrane. Studies with mutants of the Tat-dependent pathway and the type I, II, IVB secretion systems showed that these pathways are not involved in secretion of the PlaB-protein. Infection of guinea pigs revealed that PlaB plays an important role in proliferation of the bacteria in the lungs and dissemination to the spleen. Comparative histological studies revealed a less extensive inflammation and destruction of the lungs infected with the plaB-mutant strain. In summary, this work revealed that PlaB is a protein which is widespread within Legionella species. In L. pneumophila Corby, it is primarily expressed and active before stationary phase. Enzymatically active PlaB-protein is at least in parts located at the surface-exposed side of the outer membrane and contributes to the establishment of Legionnaires` disease.