Techn. Universiẗat, Diss., 2000--Berlin.

Universiẗat, Diss., 2003--Jena.

Paderborn, University, Fachb. Chemie u. Chemietechnik, Diss. 1990.

Universiẗat, Diss., 2004--Würzburg. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2003.

Universiẗat, Diss., 2005--Jena.

Universiẗat, Diss., 2009--Frankfurt (Main).

Diese Arbeit untersucht zelluläre Netzwerke mit dem Ziel, die so gewonnenen Einsichten medizinisch beziehungsweise biotechnologisch zu nutzen. Hierzu müssen zunächst Proteindomänen und wichtige regulatorische RNA Elemente erkannt werden. Dies geschieht für regulatorische Elemente in Nukleinsäuren am Beispiel von Iron Responsive Elements (IREs) in Staphylococcus aureus, wobei sich solche Elemente in viel versprechender Nähe zu exprimierten Sequenzen finden lassen (T. Dandekar, F. Du, H. Bertram (2001) Nonlinear Analysis 47(1): 225-34). Noch bedeutsamer als Ziele zur Medikamentenentwicklung gegen Parasiten sind Domänenunterschiede in Struktur und Sequenz bei Proteinen (T. Dandekar, F. Du, H. Bertram (2001) Nonlinear Analysis 47(1): 225-34). Ihre Identifikation wird am Beispiel eines potentiellen Transportproteins in Plasmodium falciparum exemplarisch dargestellt. Anschließend wird das Zusammenwirken von regulatorischen Elementen und Domänen in Netzwerken betrachtet (einschließlich experimenteller Daten). Dies kann einerseits zu allgemeineren Schlussfolgerungen über das Netzwerkverhalten führen, andererseits für konkrete Anwendungen genutzt werden. Als Beispiel wählten wir hier Redoxnetzwerke und die Bekämpfung von Plasmodien als Verursacher der Malaria. Da das gesamte Redoxnetzwerk einer lebenden Zelle mit Methoden der pH Wert Messung nur unzureichend zu erfassen ist, werden als alternative Messmethode für dieses Netzwerk Mikrokristalle der Glutathionreduktase als Indikatorsystem nach digitaler Verstärkung experimentell genutzt (H. Bertram, M. A. Keese, C. Boulin, R. H. Schirmer, R. Pepperkok, T. Dandekar (2002) Chemical Nanotechnology Talks III - Nano for Life Sciences). Um komplexe Redoxnetzwerke auch bioinformatisch zu modulieren, werden Verfahren der metabolischen Fluxanalyse vorgestellt und verbessert, um insbesondere ihrer Verzahnung besser gerecht zu werden und solche Netzwerke mit möglichst wenig elementaren Flussmoden zutreffend beschreiben zu können. Die Reduktion der Anzahl von Elementarmoden bei sehr großen metabolischen Netzwerken einer Zelle gelingt hier mit Hilfe unterschiedlicher Methoden und führt zu einer vereinfachten Darstellungsmöglichkeit komplexer Stoffwechselwege von Metaboliten. Dabei dient bei jeder dieser Methoden die biochemisch sinnvolle Definition von externen Metaboliten als Grundlage (T. Dandekar, F. Moldenhauer, S. Bulik, H. Bertram, S. Schuster (2003) Biosystems 70(3): 255-70). Allgemeiner werden Verfahren der Proteindomänenklassifikation sowie neue Strategien gegen mikrobielle Erreger betrachtet. In Bezug auf automatisierte Einteilung von Proteinen in Domänen wird ein neues System von Taylor (2002b) mit bekannten Systemen verglichen, die in unterschiedlichem Umfang menschlichen Eingriffs bedürfen (H. Bertram, T. Dandekar (2002) Chemtracts 15: 735-9). Außerdem wurde neben einer Arbeit über die verschiedenen Methoden aus den Daten eines Genoms Informationen über das metabolische Netzwerk der Zelle zu erlangen (H. Bertram, T. Dandekar (2004) it 46(1): 5-11) auch eine Übersicht über die Schwerpunkte der Bioinformatik in Würzburg zusammengestellt (H. Bertram, S. Balthasar, T. Dandekar (2003) Bioforum 1-2: 26-7). Schließlich wird beschrieben, wie die Pathogenomik und Virulenz von Bakterien der bioinformatischen Analyse zugänglich gemacht werden können (H. Bertram, S. Balthasar, T. Dandekar (2003) Bioforum Eur. 3: 157-9). Im letzten Teil wird die metabolische Fluxanalyse zur Identifikation neuer Strategien zur Bekämpfung von Plasmodien dargestellt: Beim Vergleich der Stoffwechselwege mit Glutathion und Thioredoxin in Plasmodium falciparum, Anopheles und Mensch geht es darum, gezielte Störungen im Stoffwechsel des Malariaerregers auszulösen und dabei den Wirt zu schonen. Es ergeben sich einige interessante Ansatzpunkte, deren medizinische Nutzung experimentell angestrebt werden kann. / The objective of this thesis is to obtain information, which may be advantageous for biotechnical and medical purposes. In order to achieve this aim it is first necessary to identify protein domains and essential regulatory RNA elements. In case of regulatory RNA elements this is accomplished by investigating Iron Responsive Elements (IREs) in Staphylocuccus aureus as a model. In this case these elements are found in much promising vicinity to open reading frames coding for proteins (T. Dandekar, F. Du, H. Bertram (2001) Nonlinear Analysis 47(1): 225-34). Even more significant for the purpose of developing pharmaceuticals against parasites are differences of structure and sequence in protein domains (T. Dandekar, F. Du, H. Bertram (2001) Nonlinear Analysis 47(1): 225-34). Their identification is shown in a potential transport protein in Plasmodium falciparum. Subsequently the interaction of regulatory elements and domains in networks is considered (including experimental data). The resulting observations may lead to general conclusions concerning network reaction, as well as specific applications. Our example and field of interest are redox networks and Plasmodia causing malaria. It is not possible to cover the redox network state of a living cell using only pH measurements. Therefore small crystals of glutathione reductase are employed as a more suitable indicator, whose signal is digitally amplified (H. Bertram, M. A. Keese, C. Boulin, R. H. Schirmer, R. Pepperkok, T. Dandekar (2002) Chemical Nanotechnology Talks III - Nano for Life Sciences). In order to bioinformatically modulate complex redox networks techniques of metabolic flux analysis are presented. They are also improved particularly to advance the understanding of interdependences and to facilitate the correct comprehension of such networks with as few elementary flux modes as possible. In this thesis the reduction of the number of elementary modes of large and intertwined metabolic networks succeeds with various methods. This leads to a simpler model of complex metabolic functions. For each of the methods used in this process the biochemically justified definition of external and internal metabolites constitutes the basis (T. Dandekar, F. Moldenhauer, S. Bulik, H. Bertram, S. Schuster (2003) Biosystems 70(3): 255-70). In a more general sense methods of protein domain classification and new strategies for the control of microbial pathogens are considered. In reference to automated classification of protein domains a new system by Taylor (2002b) is compared with traditional systems, which require a varying degree of human intervention (H. Bertram, T. Dandekar (2002) Chemtracts 15: 735-9). In addition different methods of acquiring information on the cellular metabolic network from genomic data is discussed (H. Bertram, T. Dandekar (2004) it 46(1): 5-11). Furthermore a survey of the main fields of bioinformatic research in Würzburg is given (H. Bertram, S. Balthasar, T. Dandekar (2003) Bioforum 1-2: 26-7). Finally it is outlined how pathogenicity and virulence of bacteria may be made accessible to bioinformatic analysis (H. Bertram, S. Balthasar, T. Dandekar (2003) Bioforum Eur. 3: 157-9). In the conclusion metabolic flux analysis is used for the identification of new strategies in the battle against Plasmodia: The comparison of metabolic pathways with glutathione and thioredoxin in Plasmodium falciparum, Anopheles and man aims at raising planned dysfunctions in the metabolism of Plasmodium or Anopheles without harming the human host. Valuable suggestions for medical applications and pharmacological targets are obtained.

Universiẗat, Diss., 2005--Würzburg. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2005.

Apicomplexa, einschließlich Plasmodium sp. (Erreger der Malaria) und Toxoplasma gondii (Erreger der Toxoplasmose), sind ein großes Phylum einzelliger, obligat intrazellulärer Parasiten, welche ein essenzielles, Plastiden ähnliches Organell, den sogenannten Apicoplast, beherbergen. Aufgrund der Beteiligung an mehreren essenziellen Stoffwechselprozessen stellt das Ferredoxin Redoxsystem innerhalb der Apicomplexa ein vielversprechendes potentielles Wirkstoffziel dar. Eine kürzlich veröffentlichte Arbeit zeigt, dass ptFd in T. gondii (TgFd) ein essenzielles Protein ist. In der vorliegenden Arbeit konnte durch eine gezielte Analyse von Metaboliten der Isoprenoid-Biosynthese gezeigt werden, dass T. gondii Fd eine essenzielle physiologische Funktion als Elektronendonor für die letzten beiden Enzyme dieses Stoffwechselweges hat. Weiterhin zeigen im Zusammenhang mit dieser Arbeit generierte Daten, das der Einfluss auf die Isoprenoid-Biosynthese einen zusätzlichen Effekt auf die Proteinprenylierung hat. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass die Hemmung der Isoprenoid Biosynthese des Wirtes zum langsamen Einsetzen des Absterbens bei TgFd Knockdown-Parasiten beiträgt, was darauf hindeutet, dass der Mangel an Isoprenoid Vorstufen nach induziertem Fd Knockdown bis zu einem gewissen Grad durch vom Wirt stammende Isoprenoide kompensiert werden kann. Zusammenfassend tragen die Ergebnisse dieser Doktorarbeit zu einem besseren Verständnis der metabolischen Rolle von Ferredoxin in T. gondii und P. falciparum bei und zeigen dessen Bedeutung für den Parasitenstoffwechsel und verdeutlichen damit das Potenzial Ferredoxins als Wirkstoffziel gegen das große Phylum der Apicomplexa. / Apicomplexan parasites, including Plasmodium sp. (the causative agent of malaria) and Toxoplasma gondii (causing toxoplasmosis), are a large phylum of unicellular, obligate intracellular organisms. The plant type ferredoxin redox system in apicomplexan parasites is a promising drug target due to its potential involvement in several essential metabolic processes. Recently published work demonstrated that ptFd in T. gondii (TgFd) is an essential protein. A tetracycline-inducible knock-down (ikd) approach was used to replace the endogenous single copy of TgFd with a myc-tagged copy (TgFdmyc) by double cross-over homologous recombination, and severe growth inhibition of parasites was observed upon Fd depletion. Metabolomic analyses show a 30% decrease in C14:0 fatty acids and a significantly lower gliding motility (20%) in the TgFd ikd strain compared to the TgFd ikd complemented (TgFd cikd) strain. In this thesis, targeted metabolomic analysis of the isoprenoid biosynthesis metabolites demonstrates that T. gondii Fd has an essential physiological function as an electron donor for the last two enzymes of the pathway. Furthermore, results of this work show that inhibition of the host isoprenoid biosynthesis contributes to the slow onset of death in TgFd knockdown parasites, indicating that the lack of isoprenoid precursors after induced Fd knockdown can to some extent be compensated by host-derived isoprenoids. Together, the findings of this study contribute to a better understanding of the metabolic role of Fd in T. gondii and P. falciparum, supporting its importance for the parasite’s metabolism and underlining its potential as a drug target in apicomplexan parasites.

During this PhD project three technical platforms were either improved or newly established in order to identify interesting genes involved in SNF, validate their expression and functionally characterise them. An existing 5.6K cDNA array (Colebatch et al., 2004) was extended to produce the 9.6K LjNEST array, while a second array, the 11.6K LjKDRI array, was also produced. Furthermore, the protocol for array hybridisation was substantially improved (Ott et al., in press). After functional classification of all clones according to the MIPS database and annotation of their corresponding tentative consensus sequence (TIGR) these cDNA arrays were used by several international collaborators and by our group (Krusell et al., 2005; in press). To confirm results obtained from the cDNA array analysis different sets of cDNA pools were generated that facilitate rapid qRT-PCR analysis of candidate gene expression. As stable transformation of Lotus japonicus takes several months, an Agrobacterium rhizogenes transformation system was established in the lab and growth conditions for screening transformants for symbiotic phenotypes were improved. These platforms enable us to identify genes, validate their expression and functionally characterise them in the minimum of time.<br> The resources that I helped to establish, were used in collaboration with other people to characterise several genes like the potassium transporter LjKup and the sulphate transporter LjSst1, that were transcriptionally induced in nodules compared to uninfected roots, in more detail (Desbrosses et al., 2004; Krusell et al., 2005). Another gene that was studied in detail was LjAox1. This gene was identified during cDNA array experiments and detailed expression analysis revealed a strong and early induction of the gene during nodulation with high expression in young nodules which declines with the age of the nodule. Therefore, LjAox1 is an early nodulin. Promoter:gus fusions revealed an LjAox1 expression around the nodule endodermis. The physiological role of LjAox1 is currently being persued via RNAi.<br> Using RNA interference, the synthesis of all symbiotic leghemoglobins was silenced simultaneously in Lotus japonicus. As a result, growth of LbRNAi lines was severely inhibited compared to wild-type plants when plants were grown under symbiotic conditions in the absence of mineral nitrogen. The nodules of these plants were arrested in growth 14 post inoculation and lacked the characteristic pinkish colour. Growing these transgenic plants in conditions where reduced nitrogen is available for the plant led to normal plant growth and development. This demonstrates that leghemoglobins are not required for plant development per se, and proves for the first time that leghemoglobins are indispensable for symbiotic nitrogen fixation. Absence of leghemoglobins in LbRNAi nodules led to significant increases in free-oxygen concentrations throughout the nodules, a decrease in energy status as reflected by the ATP/ADP ratio, and an absence of the bacterial nitrogenase protein. The bacterial population within nodules of LbRNAi plants was slightly reduced. Alterations of plant nitrogen and carbon metabolism in LbRNAi nodules was reflected in changes in amino acid composition and starch deposition (Ott et al., 2005). These data provide strong evidence that nodule leghemoglobins function as oxygen transporters that facilitate high flux rates of oxygen to the sites of respiration at low free oxygen concentrations within the infected cells. / Pflanzen der Ordnung der Leguminosen sind von weltweiter Bedeutung für Landwirtschaft und die allgemeine Nährstoffzusammensetzung von Böden. Die physiologische Besonderheit der Leguminosen liegt in ihrer Fähigkeit begründet, zusammen mit Bakterien, den sogenannten Rhizobien, eine Symbiose einzugehen, im Zuge derer es möglich wird, molekularen Luftstickstoff zu binden. Dieser biochemische Prozess findet in neu gebildeten Pflanzenorganen, den sogenannten Wurzelknöllchen statt.<br> In den Pflanzenwissenschaften werden Gene, die im Zuge der Infektion von Leguminosen mit Rhizobien reguliert werden und für den Entwicklungsprozess der Knöllchen eine wichtige Rolle zu spielen scheinen, als Noduline bezeichnet. Mit Hilfe von sogenannten Hochdurchsatzverfahren ist es in den letzten Jahren möglich geworden, die differentielle Expression von Tausenden von Genen gleichzeitig zu beobachten. Zu diesen Verfahren gehören sogenannte cDNA Arrays. Im Zuge dieser Doktorarbeit wurden die weltweit zweitgrößten cDNA Arrays für die Modell-Leguminose Hornklee (Lotus japonicus), der in unserer Gruppe als Untersuchungsobjekt verwendet wird, entwickelt. Mit Hilfe dieser Methode ist es uns möglich, die Regulation von etwa 15.000 Genen gleichzeitig zu untersuchen. Im Zuge von Untersuchungen, die sich mit der Entwicklung von Wurzelknöllchen in Lotus japonicus beschäftigten wurde ein Nodulin, dessen Existenz früher schon einmal beschrieben wurde, noch einmal bestätigt und die Funktion dieses Genes genauer untersucht. Es kodiert für das Enzym Vitamin C Oxidase, das unter Verwendung von molekularem Sauerstoff reduziertes Vitamin C zu einer anderen Form, dem Dehydroascorbat, oxidiert. Dabei wird Wasserstoffperoxid gebildet. Es konnte gezeigt werden, dass sich die Transkription dieses Gens in infizierten Wurzeln kontinuierlich im Verlauf der Symbiose erhöht, jedoch ist die Transkription in jungen Wurzelknöllchen höher als in alten. Darüber hinaus ist es in nur einer Zellschicht der Wurzelknöllchen, die sehr wichtig für die Entwicklung und tatsächliche Funktion der Knöllchen ist, aktiv. Aus den Beobachtungen kann geschlossen werden, dass dieses Gen eine wichtige Funktion in der Entwicklung der Knöllchen zu spielen scheint und vermutlich zur Zellstreckung und Zellteilung in dieser speziellen Zellschicht beiträgt. In einem zweiten Teil der Arbeit wurde sich einem zweiten und dem wohl wichtigsten Nodulin der Leguminosen, dem Leghämoglobin, gewidmet. Leghämoglobin ist dem menschlichen Blutbestandteil Hämoglobin sehr ähnlich und erfüllt dieselbe Aufgabe: es bindet Sauerstoff. Dieser Prozess ist für Leguminosen von erheblicher Bedeutung, da die bereits beschriebene Fixierung von molekularem Luftstickstoff durch ein bakterielles Enzym katalysiert wird, das extrem sauerstoffempfindlich ist. Leghämoglobine gelten unbestritten als die am besten charakterisierten Einweiße aus Wurzelknöllchen und Wissenschaftler behaupten seit fast 40 Jahren, dass sie essentiell für die Funktion der Knöllchen sind. Doch dies wurde bis jetzt nie bewiesen.<br> Mit Hilfe einer neuen Methode, die die spezifische Bildung von Eiweißen verhindert, war es uns möglich, die Synthese von Leghämoglobin in Lotus japonicus vollkommen zu unterdrücken. In Folge dessen zeigen die transgenen Pflanzen deutliche Nährstoffmangelerscheinungen, wenn sie ohne zusätzlichen Stickstoff aber zusammen mit Rhizobien angezogen werden. Sie können zwar Wurzelknöllchen bilden, jedoch sind diese kleiner und haben nicht die charakteristische rötliche Farbe, die bei unveränderten Pflanzen gefunden wird. Der Phänotyp dieser transgenen Pflanzen wird ganz eindeutig durch ihre Unfähigkeit hervorgerufen, Luftstickstoff fixieren zu können. Der Grund dafür ist das Fehlen des bakteriellen Enzyms, das für die Fixierung verantwortlich ist. Dieser Verlust wird durch erhöhte Sauerstoffgehalte in den Knöllchen verursacht. Außerdem konnten durch weitere Untersuchungen eine der vermuteten Funktionsmechanismen von Leghämoglobin bestätigt werden. Diese hier präsentierten Untersuchungen beweisen erstmalig die jahrzehnte alte Hypothese, dass Leghämoglobine essentiell für die Stickstofffixierung in Leguminosen sind.